[发明专利]一种高灵敏度的声表面波加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及声学技术中声表面波加速度传感器(以下简称SAW加速度传感器)，尤其涉及一种高灵敏度的悬臂梁结构声表面波加速度传感器。

背景技术

基于声表面波技术的加速度传感器相对于其他类型如压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器而言具有高灵敏度、制作成本低、抗振动能力好、使用寿命长、环境适应性强以及良好的稳定性和与可靠性等特点。SAW加速度传感器结构形式很多，推拉式、套筒式和悬臂梁式是三种常见的结构设计。其中，推拉式结构虽然结构可靠但加工难度很大，套筒式结构难以兼顾最小敏感两和最大量程的要求，而悬臂梁式结构简单易于加工，且具有较高的加速度灵敏度(文献1：刘骏跃，声表面波惯性器件传感检测技术研究，西安，西北工业大学，2006)。

作为例子，波兰华沙军事科技学院Filipiak教授最先开展了此类传感器研究，对其响应机理、器件结构设计等做了很多工作(文献2：Jerzy Filipiak,Cezary Kopycki:Surface acoustic waves for the detection of small vibrations,Sensors and Actuators,Vol.76,1999,pp:318-322)。悬臂梁式SAW加速度传感器基本原理如图1所示，主要由制作于压电基片22表面的SAW器件23和24、作为悬臂梁的压电基片22、支撑压电基片22的基座21以及质量振子25构成。悬臂梁自由端的质量振子25由于受到振动或者旋转引起的惯性力或者哥氏力作用时，振动引起悬臂梁沿施力方向产生一个位移，也就是使得悬臂梁发生弯曲变形，从而改变谐振器两个叉指换能器间距离以及梁表面应力分布，由此导致声传播时延发生变化。变化的时延导致谐振器电信号的相位变化，相位变化的频率与梁的谐振频率相同，而且相位变化的幅度与梁的振动幅度成正比。通过测量相位变化，测量梁的谐振频率以及振动强度。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则外部加速度的变化与被测加速度成正比。然而，Filipiak教授的模型应用于目前高精度加速度测量仍然存在很多问题，例如：

在该文章中提出的悬臂梁尺寸，其固有频率为22Hz。虽然较低的固有频率可以提高传感器灵敏度，但加速度传感器大部分应用于测量0-30Hz频率范围的振动，以22Hz为固有频率的悬臂梁在使用过程中，很容易断裂导致测量结果失真，使用寿命变短。同时，当振动频率变化但加速度值不变时，传感器的响应不一致。因而要先计算振动频率，才能根据传感器响应推算加速度值的大小。给加速度测量工作增大了很多难度。

此外，该文章提到的悬臂梁尺寸为：长65mm、宽3.5mm、厚0.45mm，尺寸过大，在实际应用中不利于安装。

最后，该文章结构的灵敏度8.5kHz/g，即1g的加速度变化对应响应频率变化为8.5kHz。在实际应用中，该检测灵敏度仍旧不够高，不能满足实际应用的需要。

发明内容

本发明的目的旨在解决现有技术中SAW加速度传感器所存在灵敏度不高的问题，从而提供一种具有尺寸小、固有频率高、检测灵敏度高和良好的温度稳定性的声表面波加速度传感器。

为实现上述目的，本发明提供了一种高灵敏度的声表面波加速度传感器。该传感器包括压电基片、质量振子和基座，所述基座和质量振子上均设有凹槽，所述压电基片的固定端粘于所述基座上的凹槽内，所述压电基片的自由端粘于所述质量振子的凹槽内；所述压电基片固定端的上表面从左至右依次置有第一双端谐振器和第二双端谐振器，第一双端谐振器完全置于由所述基座支撑的压电基片上，第二双端谐振器的1/2区域置于由所述基座支撑的压电基片上，第二双端谐振器另外的1/2区域置于悬空的压电基片上，以使第二双端谐振器中心区域置于压电基片受应力最大的位置，提高加速度传感器的灵敏度。

优选地，所述压电基片为悬臂梁长13毫米，宽2毫米，厚0.3毫米的悬臂梁结构压电基片。

进一步优选地，所述悬臂梁结构压电基片的材料为绕X轴从Z轴向Y轴旋转42.75°的石英。

优选地，所述质量振子质量为0.9克。

优选地，所述第一双端谐振器左侧端设有第一吸声胶，第一双端谐振器与第二双端谐振器之间设有第二吸声胶，第二双端谐振器右侧端设有第三吸声胶，用于消除叉指换能器产生的声表面波的边缘反射，以减小声表面波加速度传感器的边缘反射引起的时域噪声。