專利名稱：差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速度傳感器，具體講，是涉及二維的壓電加速度傳感器。
背景技術(shù)：
二維加速度傳感器可以同時(shí)測(cè)量空間兩個(gè)方向的振動(dòng)或沖擊加速度。目前，公知的二維壓電式加速度傳感器主要采取兩種方案，一種是由兩只具有獨(dú)立輸出的單向加速度傳感器相互垂直安裝在金屬殼體內(nèi)組成，即這種二維加速度傳感器由單向加速度傳感器和連接塊組成(參見(jiàn)圖1)，顯然，這類傳感器的體積和自重都偏大。另一種是剪切、壓縮復(fù)合型二維壓電加速度傳感器，即它是將兩組壓電元件按最大靈敏度軸互成90°的方式組合后安裝在基座上，然后在壓電元件上裝上慣性質(zhì)量塊預(yù)緊后，將殼體和基座焊接在一起(參見(jiàn)圖2)，然而，這種二維壓電式加速度傳感器在外部力較小時(shí)輸出信號(hào)微弱，靈敏度不高，同時(shí)還不能克服因環(huán)境的變化而引起的測(cè)量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)是，克服現(xiàn)有的壓電式二維加速度傳感器之不足，提出一種不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，在外力較小時(shí)輸出信號(hào)強(qiáng)、靈敏度高，同時(shí)還能克服因環(huán)境的變化給測(cè)量帶來(lái)的誤差的二維差動(dòng)式壓電加速傳感器。
解決本發(fā)明提出技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案，是這樣一種差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器。它與現(xiàn)有技術(shù)相同的是，該傳感器包括絕緣的慣性質(zhì)量塊、貼合在該慣性質(zhì)量塊上的帶有電極的壓電元件、以及安裝該慣性質(zhì)量塊和壓電元件的基座。其改進(jìn)之處是，其中的慣性質(zhì)量塊是一個(gè)立方體，該慣性質(zhì)量塊被安裝在一個(gè)立方體的晶片定位架的內(nèi)腔里，該晶片定位架內(nèi)腔是其深度與該慣性質(zhì)量塊等高、且其余內(nèi)腔尺寸與該慣性質(zhì)量塊相等的立方體腔，該晶片定位架的內(nèi)外兩個(gè)立方體的豎軸重疊且其對(duì)應(yīng)面平行；該晶片定位架的內(nèi)外兩個(gè)立方體的豎軸重疊且其對(duì)應(yīng)面平行。本發(fā)明的壓電元件是四片與該晶片定位架的四壁有相同厚度的XO°切型的石英晶片，它們以電極朝上的狀態(tài)嵌在該晶片定位架的四壁內(nèi)，且每對(duì)相對(duì)的石英晶片靈敏度的軸向相反；在這四片石英晶片的外側(cè)均貼合有各一片絕緣的傳力塊。本發(fā)明的基座由一個(gè)立方體形狀的箱體和箱蓋組成，裝入了慣性質(zhì)量塊、四片石英晶片的晶片定位架以及四片傳力塊均安裝在該箱體內(nèi)，該基座箱體的四壁上均有頂著各一塊傳力塊的預(yù)緊螺釘。該基座的箱蓋上有一端通過(guò)信號(hào)引線與電極聯(lián)接、另一端與差動(dòng)式電荷放大器聯(lián)接的聯(lián)接插頭。
當(dāng)本發(fā)明的傳感器感應(yīng)到一個(gè)垂直于其中一個(gè)傳感器側(cè)面的加速度時(shí)，傳感器中的慣性質(zhì)量塊將產(chǎn)生一個(gè)與該加速度相反的慣性力，這時(shí)，正對(duì)著加速度方向的那一壓電元件受壓，同時(shí)由于預(yù)緊力的原因，與該受壓的壓電元件相對(duì)的那一壓電元件相當(dāng)于受拉，結(jié)果在兩個(gè)壓電元件的表面上產(chǎn)生正負(fù)變化的電荷；當(dāng)本發(fā)明的傳感器感應(yīng)到一個(gè)與上述加速度方向相反的加速度時(shí)，該慣性質(zhì)量塊將產(chǎn)生一個(gè)與上述慣性力相反的慣性力，其受壓與受拉的壓電元件正好相反，結(jié)果在兩個(gè)壓電元件的表面上產(chǎn)生與上述電荷變化相反的正負(fù)變化的電荷；同理，當(dāng)本發(fā)明的傳感器感應(yīng)到一個(gè)垂直于另外兩個(gè)側(cè)面的加速度時(shí)，慣性質(zhì)量塊也將產(chǎn)生與其加速度相反的慣性力，這兩個(gè)側(cè)面的壓電元件也將產(chǎn)生相應(yīng)的正負(fù)變化的電荷；同理，當(dāng)本發(fā)明的傳感器同時(shí)感應(yīng)到二維加速度時(shí)，在四個(gè)側(cè)面的壓電元件也將產(chǎn)生相應(yīng)的正負(fù)變化的電荷，這些不同的正負(fù)變化的電荷信號(hào)通過(guò)各個(gè)電極、信號(hào)引線、插座、最終傳遞到差動(dòng)式電荷放大器，這樣，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)加速度的測(cè)量。
本發(fā)明的有益效果是與現(xiàn)有的在金屬殼體中裝入兩只相互垂直的具有獨(dú)立輸出的單向加速度傳感器組成的二維加速度傳感器相比較，本發(fā)明的傳感器由于只有一個(gè)慣性質(zhì)量塊，故重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制造；與現(xiàn)有的將兩組壓電元件按最大靈敏度軸互成90°的方式組合后安裝在基座上的傳感器相比較，由于本發(fā)明了采用差動(dòng)測(cè)量方式的原因，在外力較小時(shí)輸出信號(hào)強(qiáng)，其靈敏度高，能克服因環(huán)境的變化給測(cè)量帶來(lái)的誤差。
本發(fā)明適合于在多種場(chǎng)合下對(duì)加速度的測(cè)量。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。


圖1是現(xiàn)有的一種加速度傳感器示意圖；圖2是現(xiàn)有的另一種加速度傳感器示意圖；圖3是本發(fā)明加速度傳感器的裝配結(jié)構(gòu)圖；圖4是圖3的俯視圖；圖5是圖3中的晶片定位架構(gòu)造圖；圖6是圖5的俯視圖；圖7是圖3中晶片定位架的四壁內(nèi)嵌入了壓電元件后的結(jié)構(gòu)圖。
圖8是圖7的俯視圖；圖9是圖3中的一塊帶有電極的壓電元件構(gòu)造圖；圖10是圖3中的慣性質(zhì)量塊的構(gòu)造圖。
具體實(shí)施例方式
一種差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器(參考圖3、4)。該傳感器包括絕緣的慣性質(zhì)量塊、貼合在該慣性質(zhì)量塊上的帶有電極的壓電元件、以及安裝該慣性質(zhì)量塊和壓電元件的基座。其中，本發(fā)明的慣性質(zhì)量塊1是一個(gè)立方體。該慣性質(zhì)量塊1被安裝在一個(gè)立方體的晶片定位架2的內(nèi)腔里，該晶片定位架2內(nèi)腔是其深度與該慣性質(zhì)量塊1等高、且其余內(nèi)腔尺寸與該慣性質(zhì)量塊1相等的立方體腔，該晶片定位架2的內(nèi)外兩個(gè)立方體的豎軸重疊且其對(duì)應(yīng)面平行。本發(fā)明的壓電元件是四片與該晶片定位架2的四壁有相同厚度的XO°切型的石英晶片(31、32、33、34)，它們以電極(82、81)朝上的狀態(tài)嵌在該晶片定位架2的四壁內(nèi)，且每對(duì)相對(duì)的石英晶片(31和33、32和34)靈敏度的軸向相反。在這四片石英晶片(31、32、33、34)的外側(cè)均貼合有各一片絕緣的傳力塊4。本發(fā)明的基座由一個(gè)立方體形狀的箱體51和箱蓋52組成。裝入了慣性質(zhì)量塊1、四片石英晶片(31、32、33、34)的晶片定位架2以及四片傳力塊4均安裝在該箱體51內(nèi)，該基座箱體的四壁上均有頂著各一塊傳力塊4的預(yù)緊螺釘6；該基座的箱蓋52上有一端通過(guò)信號(hào)引線61與各壓電元件的電極(82、81)聯(lián)接、另一端與差動(dòng)式電荷放大器聯(lián)接的聯(lián)接插頭7。在本具體實(shí)施方式
中，該傳感器的晶片定位架2、基座內(nèi)的定位架容腔、基座的幾何中心重合，壓電元件的中心和預(yù)緊螺釘?shù)穆菁y孔的中心同晶片定位架2的四面的中心重合。本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，其中的差動(dòng)式電荷放大器與聯(lián)接插頭7的聯(lián)接通常都是用市售的帶聚四氟乙烯連接頭的聯(lián)線。
通過(guò)上述具體實(shí)施方式
的披露，本領(lǐng)域的技術(shù)人員已完全能夠再現(xiàn)本發(fā)明了。因此，上述披露也是以下各例的總述，在以下各例中，與本總述相同的內(nèi)容不贅述。
實(shí)施例1(參考圖3、4、9、10)本例是在總述部分的基礎(chǔ)上，提高發(fā)明可靠性的實(shí)例。本例中的四片石英晶片(31、32、33、34)的兩面都有均位于其上部中間的一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)和一個(gè)相對(duì)較短的電極(82、81)。在慣性質(zhì)量塊1的上部有其開(kāi)口與各石英晶片(31、32、33、34)的電極(82、81)相對(duì)應(yīng)的十字型布線槽11，一端聯(lián)接各個(gè)電極(82、81)的信號(hào)引線61匯集到該十字型布線槽11的交叉點(diǎn)處后、再與所述聯(lián)接插頭7聯(lián)接。
實(shí)施例2(參考圖3、4、5、6、7、8)本例是在總述部分或?qū)嵤├?的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高發(fā)明可靠性和保證工藝性也好的實(shí)例。本例中四片石英晶片(31、32、33、34)均為其四邊與慣性質(zhì)量塊1的對(duì)應(yīng)面的邊平行、但小于該對(duì)應(yīng)面的正方形。其中的傳力塊4與晶片定位架2的高度相等，與石英晶片(31、32、33、34)寬度的公稱尺寸相等并完全重疊、但其寬度值的上偏差不大于石英晶片(31、32、33、34)的下偏差——這樣，就進(jìn)一步地保證了傳力塊4能夠可靠地把感應(yīng)到的加速度信號(hào)傳遞給石英晶片(31、32、33、34)了。
實(shí)施例3(參考圖3、4)本例是在總述部分、實(shí)施例1或?qū)嵤├?的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步提高發(fā)明可靠性的實(shí)例。本例的基座內(nèi)有其深度比晶片定位架2的高度小1～2mm、其余對(duì)應(yīng)尺寸與該晶片定位架2相等的定位架容腔，在該容腔的四壁上各有一個(gè)其深度比傳力塊4的厚度大0.5～1mm、其寬度與該傳力塊4相等的傳力塊4定位槽。基座的箱蓋52以其底面與晶片定位架2頂面為純限位性的接觸狀態(tài)被固定在其基座的箱體51上(也就是說(shuō)，把該箱蓋52固定地蓋在基座的箱體51上時(shí)，即要保證該箱蓋52的限位作用，又不能對(duì)晶片定位架2頂面施加所謂的預(yù)緊力)。
實(shí)施例4本例是在總述部分、實(shí)施例1、實(shí)施例2或?qū)嵤├?的基礎(chǔ)上，在涉及絕緣材料方面的舉例。在本例中，慣性質(zhì)量塊1是由其外表面涂敷有聚四氟乙烯絕緣層的高密度金屬材料制成(本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，慣性質(zhì)量塊應(yīng)當(dāng)用密度相對(duì)較大的材料制作，因此，所說(shuō)“高密度金屬材料”完全是現(xiàn)有技術(shù)中所用的材料，其中，比較典型的是用金屬鎢、或者其他密度較大的金屬——以減小傳感器的體積)；晶片定位架2由聚四氟乙烯材料制成。
由于采用的是本領(lǐng)域傳統(tǒng)的材料，不知在權(quán)利要求書內(nèi)提到是否合適不言而喻，在以上所有具體實(shí)施方式
和實(shí)例中，所有電極(82、81)的伸出端，均不能超過(guò)晶片定位架2的頂面。為保證可靠性，該伸出端通常應(yīng)比晶片定位架2的頂面矮1～3mm。
下面再結(jié)合實(shí)施例4，進(jìn)一步披露本發(fā)明的制作過(guò)程。
在正方形的壓電元件的兩個(gè)表面上鍍上電極(82、81)；在慣性質(zhì)量塊1的上表面上加工出十字型布線槽11，該布線槽的槽深和槽寬均取2mm，然后在得到的慣性質(zhì)量塊1的表面外敷聚四氟乙烯；用聚四氟乙烯材料制作好晶片定位架2，注意在該定位架嵌入石英晶片(31、32、33、34)的方孔上方的中間加工出與引出各石英晶片(31、32、33、34)電極(82、81)的小槽；在立方體的基座箱體51中心上加工一個(gè)安裝晶片定位架2的腔體，然后再在加工出與基座箱蓋52相匹配的沉孔(并同時(shí)配做基座箱蓋52)，在安裝晶片定位架2的腔體的四個(gè)壁上加工四個(gè)傳力塊4定位槽，然后再在腔體的四面的中心上加工出安裝預(yù)緊螺釘6的螺紋孔，在基座箱體51的正下方的中心上加工一個(gè)傳感器的安裝螺紋孔511。將安裝有石英晶片(31、32、33、34)的晶片定位架2裝入基座箱體51內(nèi)，然后將慣性質(zhì)量塊1放入晶片定位架2內(nèi)，然后再裝上傳力塊4和預(yù)緊螺釘6，最后，蓋上基座箱蓋52，采用電子束焊接技術(shù)將基座箱蓋52和基座箱體51焊接起來(lái)，就組成了本傳感器。
權(quán)利要求
1.差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器，該傳感器包括絕緣的慣性質(zhì)量塊、貼合在該慣性質(zhì)量塊上的帶有電極(82、81)的壓電元件、以及安裝該慣性質(zhì)量塊和壓電元件的基座，其特征在于，所述慣性質(zhì)量塊(1)是一個(gè)正方體，該慣性質(zhì)量塊(1)被安裝在一個(gè)立方體的晶片定位架(2)的內(nèi)腔里，該晶片定位架(2)內(nèi)腔是其深度與該慣性質(zhì)量塊(1)等高、且其余內(nèi)腔尺寸與該慣性質(zhì)量塊(1)相等的立方體腔，該晶片定位架(2)的內(nèi)外兩個(gè)立方體的豎軸重疊且其對(duì)應(yīng)面平行；所述壓電元件是四片與該晶片定位架(2)的四壁有相同厚度的XO°切型的石英晶片(31、32、33、34)，它們(31、32、33、34)以電極(82、81)朝上的狀態(tài)嵌在該晶片定位架(2)的四壁內(nèi)，且每對(duì)相對(duì)的石英晶片(31和33、32和34)靈敏度的軸向相反；在這四片石英晶片(31、32、33、34)的外側(cè)均貼合有各一片絕緣的傳力塊(4)；所述基座由一個(gè)立方體形狀的箱體(51)和箱蓋(52)組成，裝入了慣性質(zhì)量塊(1)、四片石英晶片(31、32、33、34)的晶片定位架(2)以及四片傳力塊(4)均安裝在該箱體(51)內(nèi)，該基座箱體的四壁上均有頂著各一塊傳力塊(4)的預(yù)緊螺釘(6)；所述箱蓋(52)上有一端通過(guò)信號(hào)引線(61)與所述電極(82、81)聯(lián)接、另一端與差動(dòng)式電荷放大器聯(lián)接的聯(lián)接插頭(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器，其特征在于，所述的四片石英晶片(31、32、33、34)的兩面都有均位于其上部中間的一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)和一個(gè)相對(duì)較短的電極(82、81)；在所述慣性質(zhì)量塊(1)的上部有其開(kāi)口與各石英晶片(31、32、33、34)的電極(82、81)相對(duì)應(yīng)的十字型布線槽(11)，一端聯(lián)接各個(gè)電極(82、81)的信號(hào)引線(61)匯集到該十字型布線槽(11)的交叉點(diǎn)處后、再與所述聯(lián)接插頭(7)聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器，其特征在于，所述的四片石英晶片(31、32、33、34)均為其四邊與所述慣性質(zhì)量塊(1)的對(duì)應(yīng)面的邊平行、但小于該對(duì)應(yīng)面的正方形；所述傳力塊(4)與所述晶片定位架(2)的高度相等，與所述石英晶片(31、32、33、34)寬度的公稱尺寸相等并完全重疊、但其寬度值的上偏差不大于石英晶片(31、32、33、34)的下偏差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器，其特征在于，所述慣性質(zhì)量塊(1)由其外表面涂敷有聚四氟乙烯絕緣層的高密度金屬材料制成，所述晶片定位架(2)由聚四氟乙烯材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器，其特征在于，所述基座內(nèi)有其深度比所述晶片定位架(2)的高度小1～2mm、其余對(duì)應(yīng)尺寸與該晶片定位架(2)相等的定位架容腔，在該容腔的四壁上各有一個(gè)其深度比所述傳力塊(4)的厚度大0.5～1mm、其寬度與該傳力塊(4)相等的傳力塊(4)定位槽；所述箱蓋(52)以其底面與所述晶片定位架(2)頂面為純限位性的接觸狀態(tài)被固定在其基座的箱體(51)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器，其特征在于，所述慣性質(zhì)量塊(1)由其外表面涂敷有聚四氟乙烯絕緣層的高密度金屬材料制成，所述晶片定位架(2)由聚四氟乙烯材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器，其特征在于，所述基座內(nèi)有其深度比所述晶片定位架(2)的高度小1～2mm、其余對(duì)應(yīng)尺寸與該晶片定位架(2)相等的定位架容腔，在該容腔的四壁上各有一個(gè)其深度比所述傳力塊(4)的厚度大0.5～1mm、其寬度與該傳力塊(4)相等的傳力塊(4)定位槽；所述箱蓋(52)以其底面與所述晶片定位架(2)頂面為純限位性的接觸狀態(tài)被固定在其基座的箱體(51)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器，其特征在于，所述基座內(nèi)有其深度比所述晶片定位架(2)的高度小1～2mm、其余對(duì)應(yīng)尺寸與該晶片定位架(2)相等的定位架容腔，在該容腔的四壁上各有一個(gè)其深度比所述傳力塊(4)的厚度大0.5～1mm、其寬度與該傳力塊(4)相等的傳力塊(4)定位槽；所述箱蓋(52)以其底面與所述晶片定位架(2)頂面為純限位性的接觸狀態(tài)被固定在其基座的箱體(51)上。
全文摘要
一種差動(dòng)式壓電二維加速度傳感器。該傳感器包括絕緣的立方體慣性質(zhì)量塊、貼合在該慣性質(zhì)量塊四壁上的帶有電極的四片XO
文檔編號(hào)G01P15/18GK1900724SQ200610054418
公開(kāi)日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2006年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月6日
發(fā)明者秦嵐, 劉俊, 劉京誠(chéng), 李敏 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)