一種高靈敏度的聲表面波加速度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲學(xué)技術(shù)中聲表面波加速度傳感器（以下簡(jiǎn)稱SAW加速度傳感器），尤 其涉及一種高靈敏度的懸臂梁結(jié)構(gòu)聲表面波加速度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于聲表面波技術(shù)的加速度傳感器相對(duì)于其他類型如壓阻式加速度傳感器、電容 式加速度傳感器而言具有高靈敏度、制作成本低、抗振動(dòng)能力好、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性 強(qiáng)以及良好的穩(wěn)定性和與可靠性等特點(diǎn)。SAW加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式很多，推拉式、套筒式 和懸臂梁式是三種常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，推拉式結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)可靠但加工難度很大，套筒 式結(jié)構(gòu)難以兼顧最小敏感兩和最大量程的要求，而懸臂梁式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工，且具有較 高的加速度靈敏度（文獻(xiàn)1 :劉駿躍，聲表面波慣性器件傳感檢測(cè)技術(shù)研宄，西安，西北工業(yè) 大學(xué)，2006)。
[0003] 作為例子，波蘭華沙軍事科技學(xué)院Filipiak教授最先開展了此類傳感器研 宄，對(duì)其響應(yīng)機(jī)理、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等做了很多工作（文獻(xiàn)2:JerzyFilipiak,Cezary Kopycki:Surfaceacousticwavesforthedetectionofsmallvibrations,Sensors andActuators,Vol. 76, 1999,pp:318-322)。懸臂梁式SAW加速度傳感器基本原理如圖I 所示，主要由制作于壓電基片22表面的SAW器件23和24、作為懸臂梁的壓電基片22、支撐 壓電基片22的基座21以及質(zhì)量振子25構(gòu)成。懸臂梁自由端的質(zhì)量振子25由于受到振動(dòng) 或者旋轉(zhuǎn)引起的慣性力或者哥氏力作用時(shí)，振動(dòng)引起懸臂梁沿施力方向產(chǎn)生一個(gè)位移，也 就是使得懸臂梁發(fā)生彎曲變形，從而改變諧振器兩個(gè)叉指換能器間距離以及梁表面應(yīng)力分 布，由此導(dǎo)致聲傳播時(shí)延發(fā)生變化。變化的時(shí)延導(dǎo)致諧振器電信號(hào)的相位變化，相位變化的 頻率與梁的諧振頻率相同，而且相位變化的幅度與梁的振動(dòng)幅度成正比。通過測(cè)量相位變 化，測(cè)量梁的諧振頻率以及振動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則外 部加速度的變化與被測(cè)加速度成正比。然而，F(xiàn)ilipiak教授的模型應(yīng)用于目前高精度加速 度測(cè)量仍然存在很多問題，例如：
[0004] 在該文章中提出的懸臂梁尺寸，其固有頻率為22Hz。雖然較低的固有頻率可以提 高傳感器靈敏度，但加速度傳感器大部分應(yīng)用于測(cè)量0-30Hz頻率范圍的振動(dòng)，以22Hz為固 有頻率的懸臂梁在使用過程中，很容易斷裂導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真，使用壽命變短。同時(shí)，當(dāng)振 動(dòng)頻率變化但加速度值不變時(shí)，傳感器的響應(yīng)不一致。因而要先計(jì)算振動(dòng)頻率，才能根據(jù)傳 感器響應(yīng)推算加速度值的大小。給加速度測(cè)量工作增大了很多難度。
[0005] 此外，該文章提到的懸臂梁尺寸為：長(zhǎng)65mm、寬3. 5mm、厚0? 45mm，尺寸過大，在實(shí) 際應(yīng)用中不利于安裝。
[0006] 最后，該文章結(jié)構(gòu)的靈敏度8. 5kHz/g，即Ig的加速度變化對(duì)應(yīng)響應(yīng)頻率變化為 8. 5kHz。在實(shí)際應(yīng)用中，該檢測(cè)靈敏度仍舊不夠高，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中SAW加速度傳感器所存在靈敏度不高的問題， 從而提供一種具有尺寸小、固有頻率高、檢測(cè)靈敏度高和良好的溫度穩(wěn)定性的聲表面波加 速度傳感器。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高靈敏度的聲表面波加速度傳感器。該傳感 器包括壓電基片、質(zhì)量振子和基座，所述基座和質(zhì)量振子上均設(shè)有凹槽，所述壓電基片的固 定端粘于所述基座上的凹槽內(nèi)，所述壓電基片的自由端粘于所述質(zhì)量振子的凹槽內(nèi)；所述 壓電基片固定端的上表面從左至右依次置有第一雙端諧振器和第二雙端諧振器，第一雙端 諧振器完全置于由所述基座支撐的壓電基片上，第二雙端諧振器的1/2區(qū)域置于由所述基 座支撐的壓電基片上，第二雙端諧振器另外的1/2區(qū)域置于懸空的壓電基片上，以使第二 雙端諧振器中心區(qū)域置于壓電基片受應(yīng)力最大的位置，提高加速度傳感器的靈敏度。
[0009] 優(yōu)選地，所述壓電基片為懸臂梁長(zhǎng)13毫米，寬2毫米，厚0. 3毫米的懸臂梁結(jié)構(gòu)壓 電基片。
[0010] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電基片的材料為繞X軸從Z軸向Y軸旋轉(zhuǎn) 42. 75°的石英。
[0011] 優(yōu)選地，所述質(zhì)量振子質(zhì)量為0.9克。
[0012] 優(yōu)選地，所述第一雙端諧振器左側(cè)端設(shè)有第一吸聲膠，第一雙端諧振器與第二雙 端諧振器之間設(shè)有第二吸聲膠，第二雙端諧振器右側(cè)端設(shè)有第三吸聲膠，用于消除叉指換 能器產(chǎn)生的聲表面波的邊緣反射，以減小聲表面波加速度傳感器的邊緣反射引起的時(shí)域噪 聲。
[0013] 優(yōu)選地，所述第一雙端諧振器中從左至右依次置有第一短路柵反射器、第一叉指 換能器、第二叉指換能器和第二短路柵反射器，所述第二雙端諧振器中從左至右依次設(shè)有 第三短路柵反射器、第三叉指換能器、第四叉指換能器和第四短路柵反射器。
[0014] 優(yōu)選地，所述第一雙端諧振器中第一短路柵反射器與第一叉指換能器的間距和 第二叉指換能器與第二短路柵反射器的間距均為1/4X^所述第二雙端諧振器中第三短 路柵反射器與第三叉指換能器的間距和第四叉指換能器與第四短路柵反射器的間距均為 1/4Ax，Ax為沿聲波傳播方向的聲波波長(zhǎng)。
[0015] 優(yōu)選地，所述第一、第二、第三、第四叉指換能器各包括至少2個(gè)第一叉指電極對(duì)， 所述第一叉指電極對(duì)包括2個(gè)寬度為1/4Xx，間距為1/4Ax的第一電極，其中X沿聲波 傳播方向的聲波波長(zhǎng)。
[0016] 優(yōu)選地，所述第一、第二、第三、第四短路柵反射器各包括至少2個(gè)寬度為1/4AX， 間距為1/4Ax的第二電極，其中Ax為沿聲波傳播方向的聲波波長(zhǎng)。
[0017] 優(yōu)選地，所述第一、第二、第三、第四叉指換能器的電極采用鋁材料，鋁電極膜厚為 1%~1.5%AX，Ax為沿聲波傳播方向的聲波波長(zhǎng)。
[0018] 本發(fā)明采用了一種懸臂梁結(jié)構(gòu)的ST石英壓電基片，通過重新布置其上的第一雙 端諧振器和第二雙端諧振器在懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電基片上的具體位置，調(diào)整懸臂梁的長(zhǎng)度寬度 厚度及其質(zhì)量振子的質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)一種尺寸小且靈敏度高的聲表面波加速度傳感器。將第一 雙端諧振器和第二雙端諧振器布置在相鄰位置可以更好的抵消溫度效應(yīng)帶來的影響。第二 雙端諧振器中心區(qū)域（即兩個(gè)叉指換能器之間的空余區(qū)域）置于懸臂梁應(yīng)力最大點(diǎn)，最大 程度上提高了SAW加速度傳感器的靈敏度。大幅提高質(zhì)量振子的質(zhì)量使得懸臂梁長(zhǎng)度縮小 為原本的五分之一，更將靈敏度提升為原來的三倍。
【附圖說明】
[0019] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)的聲表面波加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2a為本發(fā)明實(shí)施例提供的聲表面波加速度傳感器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2b為本發(fā)明實(shí)施例提供的聲表面波加速度傳感器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2c為本發(fā)明實(shí)施例提供的聲表面波加速度傳感器懸臂梁參數(shù)示意圖；
[0023] 圖3a是本發(fā)明實(shí)施例提供的聲表面波加速度傳感器中的叉指換能器的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0024] 圖3b是本發(fā)明實(shí)施例提供的聲表面波加速度傳感器中的短路柵反射器的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0025]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的聲表面波加速度傳感器的外部加速度變化與器件頻 率差值變化的實(shí)際測(cè)試結(jié)果。
[0026] 圖面說明如下：
[0027] 1.作為懸臂梁的ST石英壓電基片；
[0028] 2.凹形聚酰亞胺基座；
[0029] 21.現(xiàn)有技術(shù)的金屬基座；
[0030] 22.現(xiàn)有技術(shù)的ST石英懸臂梁；
[0031] 23.現(xiàn)有技術(shù)的第一雙端諧振器；
[0032]24.現(xiàn)有技術(shù)的第二雙端諧振器；
[0033]25.現(xiàn)有技術(shù)的質(zhì)量振子
[0034]3.懸臂梁自由端的質(zhì)量振子；
[0035] 4?第一雙端諧振器；
[0036]41.第一雙端諧振器4的第一叉指換能器；
[0037]41'.第一雙端諧振器4的第二叉指換能器；
[0038]411.叉指換能器的第一叉指電極對(duì)；
[0039]42?第一雙端諧振器4的第一短路柵反射器；
[0040] 42'?第一雙端諧振器4的第二短路柵反射器；
[0041] 422.短路柵反射器的第二電極；
[0042]5?第二雙端諧振器；
[0043] 51.第二雙端諧振器5的第三叉指換能器；
[0044] 51' .第二雙端諧振器5的第四叉指換能器；
[0045]52.第二雙端諧振器5的第三短路柵反射器；
[0046]52'.第二雙端諧振器5的第四短路柵反射器；
[0047]61?第一吸聲膠；
[0048]62.第二吸聲膠；
[0049] 63.第三吸聲膠；
【具體實(shí)施方式】
[0050] 為了更全面的理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0051] 如圖2a_2c所示，本發(fā)明實(shí)施例的高靈敏度加速度傳感器包括：壓電基片1、基座2 和質(zhì)量振子3?；?和質(zhì)量振子3上均設(shè)有凹槽，壓電基片1的固定端粘于基座2上的凹 槽內(nèi)，壓電基片1的自由端粘于質(zhì)量振子3的凹槽內(nèi)。壓電基片1固定端的上表面從左至 右依次置有第一雙端諧振器和第二雙端