专利名称：隔离剪切型内置集成电路压电加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种隔离剪切式内置集成电路的压电加速度传感器，属于振动检测传感器领域，用于航空航天、冶金、机械、采矿、汽车、建筑桥梁、生命探测仪等需要进行振动监测或测试的场所。
背景技术：
一切物体皆有振动， 振动量的大小和及时检测可以反映一个物体、一台设备以及人体健康的运行状况是否良好。用于振动检测的加速度传感器在航空、航天、采矿安全、导弹精密制导、通信、汽车安全检测、桥梁建筑安全监测、生命探测与救援等领域有着广泛的应用。因此，研制高性能传感器敏感元材料和加速度传感器器件对工业、国防和民生安全有着广泛的应用前景，也具有重要学术意义和社会经济价值。压电加速度传感器是振动检测中使用最多的传感器。以汽车为例，一辆汽车使用传感器达到一百多个，传感器是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术研究领域的核心内容，目前国内汽车传感器尚未形成独立的产业，国外的技术封锁导致国内技术的落后和市场的紧缺，中国每年要进口几百万套以上的汽车传感器。加速度传感器广泛应用于汽车安全气囊、汽车碰撞安全检测、发动机控制系统、变速器控制系统、悬架控制系统等部件。以车辆碰撞安全测试为例，国内汽车碰撞安全检测使用的都是国外Endevc0公司的加速度传感器，价格昂贵，每次碰撞需安装大约20-50只加速度传感器，安装的加速度传感器数量越多，安装部位越全面，反映的信息越多。汽车安全气囊加速度传感器的现状也与之类似。在压电加速度器用于振动测试时，稳定性和寿命是重要的指标，主要取决于敏感元材料的性能稳定性和传感器结构的稳定性。除此以外，还有加速度传感器的工作频率范围、灵敏度、横向灵敏度、灵敏度随温度变化的关系、以及体积尺寸重量等重要指标。
发明内容
与一般压电加速度传感器采用压缩式的结构不同，本产品采用了隔离剪切式结构，通过敏感元受到剪切力后产生对应成正比的电信号原理而设计。底座是与壳体一体，要求底座具有很高的平面度和极小的垂直度误差。这是决定传感器频率响应范围的关键。这种隔离剪切式的结构是考虑到应用于较高精度、外界干扰比较大等应用场合。本发明的隔离剪切式内置集成电路加速度传感器的结构如图I所示，由以下部分组成，各部分及各部分之间关系分别为
I为外壳，它内部分为3个空腔，分别安装信号导线、ICP集成电路、传感器敏感元和其它部件。外壳两边开2个或者4个安装孔用于固定传感器，上端面用于焊接密封盖板。2为底座，与外壳体一体设计并加工为一体，中间开孔。底座可以是一个或多个，用于安装并固定传感器敏感元、质量块、绝缘片等部件。要求具有很高的刚性系数。3为预紧螺钉，4为预紧螺母。预紧螺钉和预紧螺母联合形成预紧机构将质量块(5)、绝缘片(7)、压电晶体或压电陶瓷片(6)和传感器的底座(2)刚性连接在一起，一般采用自锁螺纹以防止脱落；也可以采用强力胶粘剂或者高温强力胶粘剂代替预紧螺钉(3)和预紧螺母(4)，将压电传感器的质量块(5)、绝缘片(7)、压电陶瓷片(6)与传感器的底座
(2)刚性粘连在一起。5为质量块，采用高比重合金材料加工，它是决定传感器灵敏度参数的决定因素，可根据需要改变其大小和重量来控制传感器灵敏度。6为压电晶体或压电陶瓷片，它是整个传感器的核心敏感元件。它采用高压电常数的压电晶体或压电陶瓷片作为核心敏感元件，采用压电材料的d15剪切换能模式，在
0-150°C范围内，要求剪切压电系数d15随温度动态变化误差小于5%，要求具有较高的电阻率，损耗小于3% ;加工出的剪切敏感元的不平行度和粗糙度都小于O. 002mm。 7为绝缘片，采用具有高绝缘阻抗的无机材料，其目的在于将输出信号与大地隔离，起到屏蔽大地干扰信号的作用。8为集成电路，其作用是实现传感器敏感元信号的调理和阻抗变换。一般采用电荷放大器的原理，配合外加的设计电路，整体制备成为ICP厚膜集成电路。根据需要，也可以不使用内置集成电路，直接引出传感器信号在外加设备进行处理或者显示使用。9为输出端导线，一般采用四芯屏蔽导线。连接传感器的激励信号和输出信号。10为盖板，焊接在外壳体的上端面，与传感器外壳(I)焊接在一起与大地形成回路，对传感器起到密封和屏蔽作用，保证传感器防水、防油、防腐蚀和屏蔽外部电磁信号干扰。本发明的隔离剪切内置集成电路压电加速度器具有着以下的优点
I、本发明是采用了隔离剪切式的结构，使得传感器具有很小的横向灵敏度(〈2% )，相比压缩式传感器具有较大的横向误差，本传感器具有明显的优势。2、隔离剪切式采用压电材料的d15剪切换能模式，使得加速度传感器的精度提高，抗干扰能力提高，加速度信号噪声减小，基座应变灵敏度减小。3、隔离剪切内置集成电路压电加速度器，采用了内置的模块化的ICP集成电路，传感器敏感元出来的一次信号以最快的速度进行调理，信号的衰减和失真度小。隔离剪切式设计和内置ICP集成电路二者的结合，不但使得传感器的精度、可靠性得到明显的提高，而且传感器信号的调理可以很大的范围内调整，为满足不同要求、不同量程加速度传感器的设计和开发提供了自由而广阔的空间。4、本发明是侧端输出形式，适用于测量空间较小的场合，传感器体积小、质量轻(约为2-3克(不含导线))，有很好的防水、放油、防腐、防电磁干扰功能，为测量提供了极大的方便。
图I为隔离剪切内置集成电路压电加速度器的结构示意图。图2为本实施方式的实物照片图。图3为本实施方式的实物与国外公司传感器共同安装应用于汽车安全碰撞检测的照片图。图4为本实施方式的实物与国外公司传感器在汽车碰撞检测中获得的加速度信号对比图。
具体实施例方式侧端输出的隔离剪切内置集成电路压电加速度器底座、外壳采用轻质铝合金加工，表面阳极氧化防腐。质量块用高比重合金加工，其两平面度、平行度、粗糙度都小于
O.002_。绝缘片使用85氧化铝陶瓷，其加工精度与高比重合金质量块一致。压电晶体使用 经过特殊加工和极化工艺处理后的PZT基压电陶瓷(损耗小于3%，动态d15=450pc/N，d15随温度变化误差小于5% )。采用一个底座，安装两个压电敏感元，安装两个质量块和两个绝缘片。传感器装配焊接、信号标定后，整体质量2克。
权利要求
1.一种内置集成电路的隔离剪切式压电加速度传感器，使用隔离剪切式的结构设计，传感器壳体和安装座设计加工为一体，内置集成电路，传感器结构包括壳体(I)、底座(2)、预紧螺钉(3)、预紧螺母(4)、质量块(5)、压电晶体或压电陶瓷片(6)、绝缘片(7)、ICP厚膜集成电路(8)、信号导线(9)、盖板(10)，传感器装配完成后，盖板焊封于传感器壳体的上表面，形成密封空间，为清楚显示传感器内部结构，本示意图未画出盖板，其特征在于预紧螺钉(3)与预紧螺母(4)将压电传感器的质量块(5)、绝缘片(7)、压电晶体或压电陶瓷片(6)和传感器的底座(2)刚性连接在一起，底座与传感器的外壳本身设计和加工成为一个整体，底座上有2个或者4个安装孔，便于传感器与外界被测振动部位安装连接，通过外壳和底座一体的结构，外部的振动传送到振动检测的传感器敏感元上，采用本设计可以使传感器整体具有非常紧密的刚性，从而保证传感器得到快速的响应和宽的频率响应范围；预紧螺钉(3)和预紧螺母(4)将压电传感器的质量块(5)、绝缘片(7)、压电晶体或压电陶瓷片(6)和传感器的底座(2)刚性连接，具有很高的刚性系数可以提高传感器的频率响应范围；也可以采用强力胶粘剂或者高温强力胶粘剂代替预紧螺钉(3)和预紧螺母(4)，将压电传感器的质量块(5)、绝缘片(7)、压电晶体或压电陶瓷片(6)和传感器的底座(2)刚性粘连在一起，保证高的刚性系数，传感器外壳(I)与底座(2)是一体的刚性设计，与焊接在壳体上端面的盖板(10)—起与大地形成回路，对传感器起到密封和屏蔽作用，保证防水、防油、防腐蚀和屏蔽外部电磁信号干扰的作用。
2.按权利要求I所述的内置集成电路的隔离剪切式压电加速度传感器，其特征在于采用d15换能模式的压电敏感元材料，与壳体设计成一体连接的底座的数量可以是1-10以内的正整数个，敏感元(6)、质量块(5)和绝缘片(7)的数量可以是1-20以内的正整数片，每个敏感兀(6)与一个质量块(5)和一个绝缘片(7)组合成一个传感器振动感应单兀,各个传感器振动感应单元的敏感元(6)之间采用机械串联、电学并联的方式连接，便于把每个传感器振动感应单元获得的电荷信号叠加起来，形成不同的传感器灵敏度输出。
3.按权利要求I所述的内置集成电路的隔离剪切式压电加速度传感器，其特征在于采用高比重合金材料97w粉末冶金合金或者其它高密度材料作为质量块(5)，采用高温下具有高绝缘阻抗的无机材料85氧化招或者其它绝缘材料作为绝缘片(7)。
4.按权利要求I所述的一种内置集成电路的隔离剪切式压电加速度传感器，其特征在于采用由电荷放大器组成的内置集成电路(8)，对传感器敏感元输出的电荷信号进行调理和比例放大，获得电压信号输出，也可以不使用内置集成电路对传感器敏感元输出的电荷信号进行调理和放大，直接获得电荷信号输出。
5.按权利要求I所述的一种内置集成电路的隔离剪切式压电加速度传感器，其特征在于传感器的壳体内部设计成三个空腔和一个用于传感器导线引出的输出端外圆壳，输出端外圆壳(9)用于信号导线的侧端连接，壳体内的3个空腔与引出导线端相邻的空腔用于焊接或引出导线，中间的空腔用于焊封并固定ICP内置集成电路，后端最大的空腔用于设计成一个或者多个底座(2)，并安装一定数量的敏感元(6)、质量块(5)和绝缘片(7)。
全文摘要
一种隔离剪切型内置集成电路的压电加速度传感器，属于振动检测传感器领域，用于航空航天、机械、采矿、建筑等振动测试场所。它采用高压电常数的压电晶体或压电陶瓷作为敏感元件，利用压电材料的d15剪切换能模式使得传感器的灵敏度大大提高，内部采用由电荷放大器组成的集成电路调理信号，使得传感器得到快速准确的电压灵敏度输出。本内置集成电路的隔离剪切型压电加速度传感器具有宽的频率响应范围、稳定的温度灵敏度，具有耐高冲击、寿命长、体积小、质量轻、动态响应卓越等优点。同时，本发明独特的结构设计、绝缘性设计使得传感器具有优异的密封性，可以防水防油的渗入，防腐性能良好，防止电磁信号的干扰，具有很高的可靠性。
文档编号G01H11/08GK102901557SQ20111021605
公开日2013年1月30日 申请日期2011年7月30日 优先权日2011年7月30日
发明者杨洪, 杜力, 徐绍虎, 朱朝宽, 谭伟, 崔爽, 罗财红, 王治芬 申请人:重庆工商大学