[发明专利]一种用于测量轴承应力大小的LC应变传感器及测量方法

说明书

本发明公开了一种用于测量轴承应力大小的LC应变传感器及测量方法，传感器包括激励电感、应变敏感电容和传感器电感。应变敏感电容包括衬底层、绝缘介质层、结构层悬臂叉指结构、表面电极。应变敏感电容与传感器电感固定连接，构成LC谐振回路。激励电感与传感器电感形成电磁场的近场耦合。LC应变传感器固定在轴承上，通过激励电感无线读取LC谐振回路，根据谐振频率变化计算旋转轴承应力大小。本发明将微机电系统的微型化特征与LC传感器无线无源结构相结合，具有灵敏度高，电容变化大，线性度好，对加速度不敏感特点，可用于旋转轴承中的高灵敏度测量。

技术领域

本发明涉及一种LC应变传感器，属于微电子技术领域。

背景技术

在工程领域中，无论是对于科学实验研究还是结构健康监测，应变是反映结构状态的一个非常重要的参数，能否准确可靠地测量结构应变对科学实验和工程安全至关重要。目前常用的应变测量方法有：电测法、压电法、磁测法、振弦法、光测法(包括光弹性法、光纤测量法、莫尔光栅法和光学三维测量法)和声测法等。

其中，电测法是目前应用最广泛的应变测量方法。最常见的就是电阻应变片，电阻应变片由敏感金属栅及绝缘基底构成，常用的有丝式和箱式。但寿命短，且为一次性使用一个应变片需有两根导线构成测量回路，对于测点较多的场合，布线麻烦，并且抗电磁干扰能力差。而采用电容测量的方式，相对于压电、压阻、热膨胀和电磁等驱动方式，干扰小、精度高，而且工艺兼容好，可以用体硅和表面微机械加工，便于实现系统集成。

轴承是工业发展的关键部件之一，是航空航天、风力发电、轨道交通等重大装备不可或缺的部件，轴承运行的诸多参数如应力等反映了轴承的基础运行状态，而现在的轴承传感器成本、体积、功耗等不能满足发展要求。并且绝大部分应变传感系统都是有线式的，这种有线的电驱动执行器在密闭空间、旋转环境中就不再适用。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种用于测量轴承应力大小的LC应变传感器及测量方法，能在轴承旋转环境中测量应力大小。

技术方案：一种用于测量轴承应力大小的LC应变传感器，包括激励电感、应变敏感电容和传感器电感；

所述应变敏感电容包括衬底层、绝缘介质层、结构层悬臂叉指结构、表面电极、衬底金属黏合层；所述绝缘介质层设置在所述衬底层表面；所述结构层悬臂叉指结构设置在所述绝缘介质层表面，所述表面电极设置在所述结构层悬臂叉指结构的锚区表面；衬底金属黏合层设置在所述衬底层的底面；

所述传感器电感为圆环形，并与所述应变敏感电容的表面电极固定连接，构成LC谐振回路；所述激励电感和传感器电感之间形成电磁场的近场耦合。

进一步的，所述结构层悬臂叉指结构包括锚区、蛇形梁、叉指电极；相对设置的一组锚区的两端分别通过蛇形梁连接；所述叉指电极的一端固定连接锚区，另一端悬空；所述叉指电极的电极两侧对称设有三角形凸起，三角形凸起与相邻叉指电极上的相邻两个三角形凸起分别形成电容结构，且两个电容结构的间距不同。

进一步的，所述衬底金属黏合层是在所述衬底层底部溅射金属形成。

进一步的，间距不同的所述两个电容结构中，宽间距是窄间距的两倍以上。

进一步的，所述激励电感为圆环形，且正对于传感器电感设置。

一种用于测量旋转轴承应力大小的方法，采用所述LC应变传感器，利用无线焊接技术，通过一层共晶焊料使所述衬底金属黏合层与轴承金属连接，然后通过激励电感无线读取传感器电感与应变敏感电容构成的LC谐振回路，根据谐振频率变化计算旋转轴承应力大小。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明应变传感器采用无线方式工作，能在轴承旋转环境中测量应力大小；