[发明专利]耦合谐振的谐振式应变传感器

说明书

本发明提供一种耦合谐振的谐振式应变传感器，包括两根敏感梁，各敏感梁的两端被固定支撑；检测梁，连接于所述两根敏感梁之间；其中，所述敏感梁工作于对应力敏感的横振动模态，检测梁工作于整体压阻效应显著的纵振动模态，敏感梁与检测梁形成耦合谐振，外加驱动使整个结构以耦合谐振频率振动，敏感梁中的应力会改变敏感梁的共振频率，整个结构的耦合谐振频率随之改变，利用检测梁的压阻效应测量耦合谐振频率就可以测得应力值，并进而计算得到应变。本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器具有可采用高温工艺真空封装、高Q值、高分辨率、高灵敏度、长期稳定性好等优点，在应力检测领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种应力传感器件，特别是涉及一种耦合谐振的谐振式应变传感器。

背景技术

应变传感器又称应变计(strain gauge)是一种常用的传感器，它利用了弹性材料(金属，合金，半导体或者金属陶瓷)的压阻特性来检测被测结构的正应变与剪切应变，它广泛应用于结构健康监测中，涵盖的领域有土木工程，机械，航天，医疗以及可穿戴系统。

相比于传统的应变片，硅基谐振式应变传感器具有灵敏度高，温漂小，准数字化输出，抗干扰能力强，等特点，是一类高性能的应变传感器。

谐振式应变传感器的基本原理是：被测结构的应变引起谐振结构的应力发生变化，谐振梁中的轴向应力使其弯曲振动的共振频率改变，拉应力使共振频率增高，而压应力使共振频率下降，检测共振频率的变化就可以测得轴向应力值，利用应力与应变间的关系，计算得到应变值。

硅基谐振式应变传感器一般采用双端固支音叉结构(Double Ended TuningFork，DETF)的谐振式传感器。通过将两根双端固支梁并联，并使两根梁的振动反相，形成音叉结构，来获得较高的品质因数(Q值)。

硅基谐振式应变传感器的主要问题在于，硅微机械结构受空气阻尼的影响大，在常压下难以获得高的Q值，必须采用真空封装，而目前较成熟的微机械真空封装技术一般需要超过400度的高温工艺或者需要使用低渗透率的封装材料并结合吸气剂，两类工艺与硅基谐振式应变传感结构的兼容性较差。

日本横河电机株式会社研制的高精度谐振式压力传感器中采用了一种H型谐振式应变敏感结构。该结构采用均质的H型梁，通过电磁驱动使H型梁的4个臂振动，通过电磁检测振动频率随应力的变化。由于该结构为均质硅结构，没有金属引线，可以采用高温的硅外延工艺实现真空封装，封装的真空度高且稳定性好，器件性能优异。但是，该结构必须采用电磁驱动、电磁检测，当用作应变传感器时，电磁铁的封装难度大。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种耦合谐振的谐振式应变传感器，以实现一种可采用高温工艺真空封装、高Q值、高分辨率、高灵敏度、长期稳定性好的压阻检测的谐振式应变传感器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种耦合谐振的谐振式应变传感器，所述谐振式应变传感器包括：

两根敏感梁，各敏感梁的两端被固定支撑；

检测梁，连接于所述两根敏感梁之间；

其中，所述敏感梁工作于对应力敏感的横振动模态，检测梁工作于整体压阻效应显著的纵振动模态，敏感梁横振动模态与检测梁纵振动模态的共振频率近似相等，敏感梁与检测梁形成耦合谐振，外加驱动使整个结构以耦合谐振频率振动，敏感梁中的应力会改变敏感梁的共振频率，整个结构的耦合谐振频率随之改变，利用检测梁的压阻效应测量耦合谐振频率就可以测得应力值，并进而计算得到应变。

作为本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述敏感梁及检测梁的共振频率近似等于各自谐振频率的方均根。

作为本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述敏感梁及检测梁的材料为单晶硅或多晶硅。