一種三軸聲表面波加速度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三軸聲表面波加速度傳感器，包括：第一單軸加速度傳感器(1)、第二單軸加速度傳感器(2)、第三單軸加速度傳感器(3)、參考傳感器(4)和傳感器管座(5)；其中，第一單軸加速度傳感器(1)放置于傳感器管座(5)上，懸臂梁與傳感器管座(5)平面平行；第二單軸加速度傳感器(2)與第三單軸加速度傳感器(3)放置于傳感器管座(5)上，其懸臂梁與傳感器管座(5)平面垂直；第二單軸加速度傳感器(2)的懸臂梁與第三單軸加速度傳感器(3)的懸臂梁相互垂直；參考傳感器(4)放置于傳感器管座(5)上。本發(fā)明具有高靈敏度、制作成本低、抗振動能力好、使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)能力強以及良好的穩(wěn)定性和可靠性等特點。
【專利說明】
一種三軸聲表面波加速度傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種三軸聲表面波加速度傳感器，尤其是涉及一種高靈敏度的懸臂梁式三軸聲表面波加速度傳感器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]目前，三軸加速度傳感器(三軸加速度計)大多采用壓阻式和電容式加速度傳感器的工作原理，產(chǎn)生的加速度正比于電阻和電容的變化，通過相應(yīng)的放大和濾波電路進行采集。三軸加速度傳感器具有體積小和重量(克gm)輕的特點，可以測量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運動性質(zhì)，在航空航天、機器人、汽車和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]同時，在娛樂和汽車電子的裝置中同樣需要三軸加速度傳感器，特別是聲表面波三軸加速度傳感器。聲表面波加速度傳感器的基本原理是，懸臂梁一端固定在基底上，另一端的質(zhì)量塊振動。懸臂梁上的聲表面波傳感器通過懸臂梁的振動使得聲的傳播速度發(fā)生變化，這個變化量與懸臂梁振動線性相關(guān)。而聲表面波三軸加速度傳感器相較于傳統(tǒng)的微機械式三軸加速度傳感器，具有更好的溫度穩(wěn)定特性。在現(xiàn)有技術(shù)中，三軸加速度傳感器通過將三個結(jié)構(gòu)相同但彼此無關(guān)聯(lián)的單軸加速度傳感器，放置在一個共同的芯片上，該芯片即可針對三個不同方向的加速度測試。
[0004]基于聲表面波技術(shù)的加速度傳感器相對于其他類型如壓阻式加速度傳感器、電容式加速度傳感器、傳統(tǒng)的微機械式三軸加速度傳感器而言，具有高靈敏度、制作成本低、抗振動能力好、使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強以及良好的穩(wěn)定性和與可靠性、高靈敏度且具有低溫漂等特性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有的三軸傳感器在實際使用過程中不能檢測到符合實際應(yīng)用的最小加速度和當(dāng)環(huán)境溫度變化時造成輸出信號有很大誤差的問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種三軸聲表面波加速度傳感器，該傳感器包括: 第一單軸加速度傳感器、第二單軸加速度傳感器、第三單軸加速度傳感器、參考傳感器和傳感器管座;其中，第一單軸加速度傳感器放置于傳感器管座上，其懸臂梁與傳感器管座平面平行;第二單軸加速度傳感器與第三單軸加速度傳感器放置于傳感器管座上，其懸臂梁與傳感器管座平面垂直;第二單軸加速度傳感器的懸臂梁與第三單軸加速度傳感器的懸臂梁相互垂直;參考傳感器放置于傳感器管座上。
[0007]本發(fā)明的有益效果是，具有高靈敏度，在實際使用過程中可以檢測到最小加速度； 對環(huán)境的適應(yīng)性強，具有良好的穩(wěn)定性和低溫漂性，當(dāng)環(huán)境溫度變化時引起輸出信號的誤差較小。【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明的【具體實施方式】提供的三軸聲表面波加速度傳感器的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009]圖2是本發(fā)明的【具體實施方式】提供的三軸聲表面波加速度傳感器中單軸加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇1〇]圖3是本發(fā)明的【具體實施方式】提供的三軸聲表面波加速度傳感器中參考傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖4是本發(fā)明的【具體實施方式】提供的三軸聲表面波加速度傳感器的溫度特性示意圖；
[0012]圖5是本發(fā)明的【具體實施方式】提供的三軸聲表面波加速度傳感器的靈敏度特性示意圖。【具體實施方式】
[0013]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。
[0014]圖1為三軸聲表面波加速度傳感器的總體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，三軸聲表面波加速度傳感器包括第一單軸加速度傳感器1、第二單軸加速度傳感器2、第三單軸加速度傳感器3、參考傳感器4、傳感器管座5。第一單軸加速度傳感器1、第二單軸加速度傳感器2和第三單軸加速度傳感器3結(jié)構(gòu)相同。其中，第一單軸加速度傳感器1放置于傳感器管座5上，其懸臂梁與傳感器管座5平面平行;第二單軸加速度傳感器2與第三單軸加速度傳感器3放置于傳感器管座5上，其懸臂梁與傳感器管座5平面垂直;第二單軸加速度傳感器2的懸臂梁與第三單軸加速度傳感器3的懸臂梁相互垂直;參考傳感器4放置于傳感器管座5上。[〇〇15]優(yōu)選的，第一單軸加速度傳感器1、第二單軸加速度傳感器2、第三單軸加速度傳感器3中的聲表面波器件工作頻率為300兆茲(MHz)。[〇〇16]優(yōu)選的，參考傳感器4的聲表面波器件工作頻率為301兆茲(MHz)。
[0017]圖2為三軸聲表面波加速度傳感器中單軸加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，第一單軸加速度傳感器1或第二單軸加速度傳感器2或第三單軸加速度傳感器3、包括第一聲表面波傳感器11，第一壓電基片12,質(zhì)量塊13,金屬基座14,吸聲膠151和吸聲膠152。 [〇〇18]具體的，第一壓電基片12的一端固定在金屬基座14上，另一端自由懸空，質(zhì)量塊13 粘在懸空端。第一聲表面波傳感器11積淀于第一壓電基片12靠近金屬基座14的位置。第一聲表面波傳感器11的左右兩側(cè)分別放置吸聲膠151和吸聲膠152。金屬基座14固定在傳感器管座5上。[〇〇19]優(yōu)選的，第一聲表面波傳感器11的第一雙端諧振器積淀于第一壓電基片12上，電極制作材料為錯。
[0020]優(yōu)選的，金屬基座14位置要剛好放在第一聲表面波傳感器11的第一叉指換能器 111，和第二叉指換能器112中間，以確保加速度傳感器靈敏度最大。
[0021]優(yōu)選的，第一壓電基片12的尺寸為長度13毫米(mm)，寬度2毫米(mm)，厚度0.3毫米 (mm)，質(zhì)量塊13為0.9克(g)，以確保加速度傳感器靈敏度最大。[〇〇22]優(yōu)選的，其中第一壓電基片12和第二壓電基片22采用35° Y切石英壓電材料為基底制作，在20°C?50°C之間穩(wěn)定性非常好。在此期間傳感器具有較小的溫度漂移。
[0023]其中第一聲表面波傳感器11包括第一叉指換能器111、第二叉指換能器112、第一短路反射柵113和第二短路反射柵114。
[0024]具體的，第一叉指換能器111和第二叉指換能器112結(jié)構(gòu)完全相同，每個換能器分別包括39對第一叉指電極對116。第一叉指電極對116包括2個寬度為2.6微米(um)，間距為 2.6微米(um)的電極。[〇〇25]具體的，每個短路柵反射器包括329條寬度為2.6微米(um)，間距為2.6微米(um)的電極。[〇〇26]懸臂梁式三軸聲表面波加速度傳感器工作基本原理如下:[〇〇27]第一單軸加速度傳感器1，第二單軸加速度傳感器2,第三單軸加速度傳感器3分別感應(yīng)Z方向、X方向、Y方向加速度的變化。
[0028]具體的，以第一單軸加速度傳感器1為例，質(zhì)量塊13由于受到振動或者旋轉(zhuǎn)引起的慣性力或者哥氏力作用時，振動引起懸臂梁第一壓電基片12沿施力方向產(chǎn)生一個位移，也就是使得懸臂梁第一壓電基片12發(fā)生彎曲變形，從而改變第一聲表面波傳感器11的第一叉指換能器111和第二叉指換能器112距離以及第一壓電基片12表面應(yīng)力分布，導(dǎo)致聲傳播時延發(fā)生變化。變化的時延導(dǎo)致第一聲表面波傳感器11電信號的相位變化，相位變化的頻率與第一壓電基片12的諧振頻率相同，而且相位變化的幅度與第一壓電基片12的振動幅度成正比。通過測量相位變化可以反映外界加速度變化。
[0029]在這個過程中，參考傳感器4由于被粘貼于傳感器管座5上，第二聲表面波傳感器 21的電信號相位不變。然而三軸聲表面波加速度傳感器在此期間可能會受到溫度、濕度等多種變化條件干擾，因此第一單軸加速度傳感器1的輸出信號最終采用第一聲表面波傳感器11與第二聲表面波傳感器21的差值，以消除外界溫濕度變化帶來的影響。同理，第二單軸加速度傳感器2,第三單軸加速度傳感器3的輸出也分別與第二聲表面波傳感器21取差值， 得到最終輸出。
[0030]圖3為三軸聲表面波加速度傳感器中參考傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，參考傳感器4包括第二聲表面波傳感器21，第二壓電基片22,吸聲膠231和吸聲膠232。
[0031]具體的，第二聲表面波傳感器21積淀于第二壓電基片22上，第二聲表面波傳感器 21的左右兩側(cè)分別放置吸聲膠231和吸聲膠232。[〇〇32]具體的，第二聲表面波傳感器21包括第三叉指換能器211、第四叉指換能器212、第三短路反射柵213和第四短路反射柵214。
[0033]具體的，第一叉指換能器211和第二叉指換能器212結(jié)構(gòu)完全相同，每個叉指換能器分別包括41對第一叉指電極對116。其中，第一叉指電極對116包括2個寬度為2.6um，間距為2.6um的電極。[〇〇34]具體的，每個短路柵反射器包括341條寬度為2.6微米(um)，間距為2.6微米(um)的電極。[〇〇35]圖4為三軸聲表面波加速度傳感器的溫度特性示意圖。如圖4所示，在20°C?50°C 之間，三軸聲表面波加速度傳感器每攝氏度溫度漂移為0.85Hz(赫茲)，其中器件工作頻率為300MHz (兆茲)，因此溫度漂移為0.003ppm/°C。[〇〇36]圖5為三軸聲表面波加速度傳感器的靈敏度特性示意圖。如圖5所示，三軸聲表面波加速度傳感器的靈敏度為31kHz/g，根據(jù)噪聲0.8Hz(赫茲)計算得出，傳感器的檢測下限為0.03mg(毫克)。[〇〇37]最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
【主權(quán)項】
1.一種三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，包括:第一單軸加速度傳感器(1)、第 二單軸加速度傳感器(2)、第三單軸加速度傳感器(3)、參考傳感器(4)和傳感器管座(5);其 中，所述第一單軸加速度傳感器(1)放置于傳感器管座(5)上，其懸臂梁與傳感器管座(5) 平面平行；所述第二單軸加速度傳感器(2)與第三單軸加速度傳感器(3)放置于傳感器管座(5) 上，其懸臂梁與傳感器管座(5)平面垂直;所述第二單軸加速度傳感器(2)的懸臂梁與第三 單軸加速度傳感器(3)的懸臂梁相互垂直；所述參考傳感器(4)放置于傳感器管座(5)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，所述第一單軸加速 度傳感器(1)、第二單軸加速度傳感器(2)或第三單軸加速度傳感器(3)包括第一聲表面波 傳感器(11)、第一壓電基片(12)、質(zhì)量塊(13)和金屬基座(14);所述第一壓電基片(12)的一 端固定在所述金屬基座(14)上，另一端自由懸空;所述質(zhì)量塊(13)粘在懸空端;所述第一聲 表面波傳感器(11)積淀于所述第一壓電基片(12)靠近金屬基座(14)的位置;所述第一聲表 面波傳感器(11)的左右兩側(cè)分別放置吸聲膠(151)和吸聲膠(152)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，所述第一聲表面波 傳感器(11)包括第一叉指換能器(111)、第二叉指換能器(112)、第一短路反射柵(113)和第 二短路反射柵(114)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，所述第一叉指換能 器(111)和第二叉指換能器(112)結(jié)構(gòu)相同，所述第一叉指換能器(111)和第二叉指換能器 (112)分別包括39對第一叉指電極對(116);或所述第一短路反射柵(113)和所述第二短路反射柵(114)包括329條寬度為1/4AX，間距 為1/4AX的電極;或所述第一叉指電極對(116)包括兩個寬度為1/4AX，間距為1/4AX的電極;其中AX為沿聲 波傳播方向的聲波波長。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，所述參考傳感器 (4)包括第二聲表面波器件(21)、第二壓電基片(22)、吸聲膠(231)和吸聲膠(232);所述第 二聲表面波傳感器(21)積淀于所述第二壓電基片(22)上，第二聲表面波傳感器(21)的左右 兩側(cè)分別放置吸聲膠(231)和吸聲膠(232)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，所述第二聲表面波 傳感器(21)包括第三叉指換能器(211)、第四叉指換能器(212)、第三短路反射柵(213)和第 四短路反射柵(214)，其中，第三叉指換能器(211)和第四叉指換能器(212)結(jié)構(gòu)完全相同， 每個叉指換能器分別包括41對第一叉指電極對(116);第一叉指電極對(116)包括2個寬度 為1/4AX，間距為1/4AX的電極;第三短路反射柵(213)或第四短路反射柵(214)包括341條寬 度為1 /4Ax，間距為1 /4AX的電極。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，所述第一壓電基片 (12)和所述第二壓電基片(22)的材料，選用溫度系數(shù)為35°Y切石英。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，金屬基座(14)的設(shè)置在第一聲表面波傳感器(11)的第一叉指換能器(111)和第二叉指換能器(112)中間，以確保加速度傳感器靈敏度最大。9.據(jù)權(quán)利要求2所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，所述第一壓電基片(12)的尺寸為長度13毫米，寬度2毫米，厚度0.3毫米，質(zhì)量塊(13)為 0.9克，以確保加速度傳感器靈敏度最大。10.據(jù)權(quán)利要求4或6所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，所述第一短路反 射柵(113)和所述第二短路反射柵(114)包括329條寬度為2.6微米，間距為2.6微米的電極； 或第一叉指電極對(116)包括兩個寬度為2.6微米，間距為2.6微米的電極;或 第三短路反射柵(213)或第四短路反射柵(214)包括341條寬度為2.6微米，間距為2.6 微米的電極。
【文檔編號】G01P15/09GK105954541SQ201610258658
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】王文, 黃楊青, 劉鑫璐, 薛蓄峰
【申請人】中國科學(xué)院聲學(xué)研究所