- 如何改進壓電式加速度傳感器結構與設計
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/7/31
摘要：介紹了壓電式加速度傳感器的結構特點與工作原理。通過對傳統的壓電式加速度傳感器結構的深入分析和 試驗，發現其有一定的局限性，為此對其進行了結構改進的嘗試，經實驗測試，表明其在性能上有一定的提高。同時對其 新的設計結構和發展趨勢進行了技術性的演講與預測。
關鍵詞：加速度傳感器；石英晶片；ADP
1 引言
壓電式傳感器的工作原理是基于壓電效應，是一種典型的有源傳感器。某些介質材料在外力的作用下，在電介質的表面上產生電荷，從而實現非電量的轉換。
在傳統的壓電加速度傳感器中，幾乎都用石英，僅有少數 傳感器可能用Rochelle鹽。現在這些儀器中增加了具有鐵電材料的極化陶瓷的傳感器，這些材料有鈦酸鋇和其衍生物，在少數情況下用ADP.各種石英型傳感器通常都是大而重，因而 對頻率上限的限制很大。它們常和直流放大器一道使用，其第一級是絕緣電阻盡可能高的輸入電路。Rochelle鹽型傳感器盡 管靈敏度高，但是因為在大多數實際運用的情況下其溫度和濕 度極限太低，因而其應用范圍受到了限制。
2 傳統加速度傳感器的結構
圖1顯示了傳統的加速度傳感器的結構，它具有兩塊X切 向石英晶體，若對晶體施加壓力則在中心電極上產生的電荷是 疊加的。由環狀彈簧施加的機械預載必須比預期沿向上方向所施最大加速度力要大。晶體的兩外表面與殼罩相連因而處 于低電位，此傳感器具有0.62 pC/g的輸出，并在15 kHz左右 發生最低頻率諧振。兩晶體的電容僅有幾個pF，從而與任一 長度的電纜電容相比均可忽略不計。傳感器重約250~300 g， 可用螺栓固定。加上電纜，若總電容是500 pF，則開路輸出電壓是
這種傳感器適合于測量中等的和高值的加速度，除非采用極短的電纜。
圖1用環狀彈簧加載具有兩石 英晶片的加速度傳感器
3 對傳統速度傳感器的結構改進及設計
圖2表示了基于同樣原理制作的傳感器，但其靈敏度更高，其慣性質量增大，晶堆由10個晶片并聯組成，可產生約80 pC/g的電荷輸出。最低諧振頻率是1 500Hz.此外，若設總電容 為500 pF，則電壓輸出是160 mV/g，因此像地球引力的幾分之 一那樣小加速度都可以容易地被測量出來，只是頻率要達到300 Hz才行。在制作石英晶堆特別是用的晶體圓片數量很多 時，必須精心保證各晶片表面的平行。橫向靈敏度必須用精確 的、強度足夠的定向彈簧來控制。在取向時，如果用單個圓晶 片，應該注意的是晶片上y軸的方向，要設法按這樣的方式安 置它們，即在晶片上由于慣性力引起的橫向靈敏度可以被抵 消。盡管這種加速度傳感器尺寸和重量較大，但在民用工程和 地質的地面震動測量等方面應用仍較廣泛。
圖2具有10個石英晶片的高靈敏度加速度傳感器
圖3是一個理論上具有橫向誤差補償的加速度傳感器，其中兩個獨立的慣性系統這樣安置在讓縱向加速度力(沿傳感器 軸向)引起疊加的輸出，而如果晶體的y軸指向同一方向，由 橫向力引起的輸出則互相抵消。由空氣傳來的聲壓輸出也是 由于這種安排而得到補償。但是，這兩個獨立的振動系統的諧 振頻率之間有拍頻的危險，而且由于兩個系統相似，所以拍頻 頻率很低且必然落在傳感器有用的頻段之內。
圖3孿生型加速度傳感器示意圖
圖4是用磷酸二氫鉸晶體(ADP)制作的加速度傳感器的示意圖。長度伸縮式ADP晶堆安裝在金屬殼體內，晶堆自由 端的膜片限制了任何橫向振動。結果是橫向靈敏度是縱向靈 敏度(5.4pC/g)的7%(最大值）。其電容(具有0.5m長的電纜)是168 pF，則其電壓輸出是32 mV/g室溫下絕緣電阻是70 M3，在最高工作溫度即70 t時就降到1 MQ.由于電荷靈敏度 和電容大致以相同的速率下降，所以輸出電壓在-40~70℃的溫度范圍內是相當穩定的。這種傳感器重25 g左右。除了 有限的溫度范圍和較低的絕緣電阻，這種傳感器還具有尺寸小、固有頻率高(約50 kHz)、加速度范圍寬（±500 g)的優點。 ADP沒有顯著的熱釋電效應。
圖4具有ADP晶堆的加速度傳感器示意圖
極化鐵電陶瓷的出現推動了壓電式加速度傳感器的設計 和應用。這種材料的高介電常數和靈敏度促使傳感器做得比 用石英制的更小，而這種陶瓷材料的高機械剛度和強度可以提 供比Rochelle鹽有更高的固有頻率和更寬的加速度范圍。
寬頻段微型加速度傳感器，是把鈦酸鋇圓晶片放在傳感器 底座和慣性質量之間，并用夾緊的方法安裝起來，如圖5(a)。 近代，Farnborough皇家航空飛行器研究中心生產了一種焊接結 構傳感器，并用包鋅的環氧樹脂外罩來防潮和靜電屏蔽如圖5 (b)和圖5(c)。但是對這種外罩能顯著地增加阻尼的希望未 能奏效。若采用圖5(d)所示的管狀元件和圖5(f)所示的倒置 型，則可避免底部結構中的應變直接傳遞到敏感元件上去。
圖5鐵電陶瓷片的微型加速度傳感器
鐵電雙壓電晶片的加速度傳感器常常是彎曲型的，如圖5 (d)所示，它采用一個懸臂元件。加速度通常是施于雙壓電晶 片的平面上，而且除了雙壓電晶片的自重外一般沒有慣性質 量。把這種設計進行改進，把晶片固定到一個薄金屬圓盤上， 中心用螺栓支承，該結構已被成功地使用了。在加速度作用下 晶片撓曲像一把張開的傘如圖5(h)。
4 結束語
實驗證明，用磷酸二氫鉸晶體(ADP)制作的加速度傳感器 具有尺寸小、固有頻率高(約50 kHz)、加速度范圍寬的優點，而極化鐵電陶瓷則由于這種材料的高介電常數和靈敏度可使傳感 器做得比用石英制的更小，同時有更高的固有頻率和更寬的加 速度范圍。為了避免底部結構中的應變直接傳遞到敏感元件上 去，可采用圖5(d)所示的管狀元件及圖5 (f)所示的倒置型。（作者：葉偉國，沈國偉）
轉載請注明來源：賽斯維傳感器網（www.sensorway.cn）
