基于智能材料的谐振式传感器的制作方法

本发明涉及检测传感器技术领域，具体地，涉及一种基于智能材料的谐振式传感器。

背景技术：

谐振式传感器通过被测量调制谐振元件的谐振频率、幅值或者相位进行测量。谐振式传感器具有大的动态范围，很高的灵敏度、重复性和很小的滞后。利用谐振式传感器进行精密传感成为一个很有潜力的领域。

专利文献cn208902313u公开了一种谐振式压力传感器，包括硅晶圆，薄膜部分，谐振部分，谐振部分固定点，背孔，盖帽，吸气剂层，支撑硅层，埋层氧化层，顶层硅薄膜，多晶硅薄膜和氧化层薄膜交替淀积膜；soi晶圆是由顶层硅薄膜、埋层氧化层和支撑硅层组成；以硅晶圆或是soi晶圆作为衬底，形成谐振式压力传感器的薄膜部分，或者在soi晶圆衬底上由顶层硅薄膜和多晶硅薄膜和氧化层薄膜交替淀积膜，形成谐振式压力传感器的薄膜部分。一种谐振式压力传感器的制作工艺，谐振部分是通过淀积外延/多晶硅层实现的，衬底通过刻蚀工艺形成流体进入到薄膜的通道-谐振式压力传感器的背孔。但该谐振式传感器加工复杂、成本高。

专利文献cn105203234b公开了一种谐振式压力传感器。该包括：传感器本体，在该传感器本体的底部形成压力敏感膜；在该压力敏感膜上形成有两谐振器-第一谐振器和第二谐振器，其中，该两谐振器具有相同的固有频率，且两者对作用于压力敏感膜上的压力p的灵敏度大小相等，第一谐振器位于压力敏感膜的中央位置，第二敏感膜位于压力敏感膜的边缘位置，但该设计检测量单一。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于智能材料的谐振式传感器。

根据本发明提供的一种基于智能材料的谐振式传感器，包括谐振元件1、激励线圈2、敏感体5、壳体7、前端盖8、后端盖10、占位圆柱11以及感测件14；

所述壳体7、前端盖8、后端盖10围成容纳空间16；

谐振元件1、敏感体5、感测件14依次设置在容纳空间16中，感测件14延伸至前端盖8的外侧；

占位圆柱11设置在容纳空间16中并设置在谐振元件1的外侧；

激励线圈2缠绕在谐振元件1上；

谐振元件1和敏感体5为同一元件或不同元件。

优选地，包括导磁后盖9、永磁体13、碟簧15；

导磁后盖9设置在谐振元件1与后端盖10之间；

导磁后盖9分别与谐振元件1与后端盖10接触连接；

永磁体13设置在谐振元件1和占位圆柱11之间并设置在导瓷后盖9上；

碟簧15设置在前端盖8和感测件14之间；

碟簧15的两端分别与前端盖8和感测件14紧固连接。

优选地，还包括感测体4和球形外壳12；

感测体4与感测件14紧固连接；

感测体4和球形外壳12共同围成球形；

壳体7、前端盖8、后端盖10设置在感测体4和球形外壳12的内部。

优选地，还包括传导件6，传导件6采用隧道磁阻材料；

传导件6设置在占位圆柱11和感测件14之间并与敏感体5间隙连接。

优选地，还包括感测体4和球形外壳12；

感测体4与感测件14紧固连接；

感测体4和球形外壳12共同围成球形；

壳体7、前端盖8、后端盖10设置在感测体4和球形外壳12的内部。

优选地，还包括感应线圈3。

优选地，还包括导磁后盖9、永磁体13、碟簧15；

导磁后盖9设置在谐振元件1与后端盖10之间；

导磁后盖9分别与谐振元件1与后端盖10接触连接；

永磁体13设置在谐振元件1和占位圆柱11之间并设置在导瓷后盖9上；

碟簧15设置在前端盖8和感测件14之间；

碟簧15的两端分别与前端盖8和感测件14紧固连接。

根据本发明提供的一种基于智能材料的谐振式传感器，包括谐振元件1、感应线圈3、敏感体5、壳体7、前端盖8、后端盖10、占位圆柱11以及感测件14；

壳体7、前端盖8、后端盖10围成容纳空间16；

谐振元件1、敏感体5、感测件14依次设置在容纳空间16中，感测件14延伸至前端盖8的外侧；

占位圆柱11设置在容纳空间16中并设置在谐振元件1的外侧；

感应线圈3缠绕在敏感体5上；

谐振元件1和敏感体5为同一元件或不同元件。

优选地，还包括感测体4、导磁后盖9和球形外壳12；

导磁后盖9设置在谐振元件1与后端盖10之间；

导磁后盖9分别与谐振元件1与后端盖10接触连接；

感测体4与感测件14紧固连接；

感测体4和球形外壳12共同围成球形；

壳体7、前端盖8、后端盖10设置在感测体4和球形外壳12的内部。

优选地，谐振元件1、敏感体5的材质采用如下任一种组合：

-谐振元件1为压电材料，敏感体5为压电材料；

-谐振元件1为压电材料，敏感体5为磁致伸缩材料；

-谐振元件1为磁致伸缩材料，敏感体5为压电材料；

-谐振元件1为磁致伸缩材料，敏感体5为磁致伸缩材料。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、将被测量的物理量直接转化为敏感体的输出，降低了加工难度和成本。

2、能够实现多种物理量的测量。

3、提高了传感器的灵敏度、结构紧凑度和传感精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例的结构示意图；

图3为实施例的结构示意图；

图4为实施例的结构示意图

图5为实施例的结构示意图；

图6为实施例的结构示意图；

图7为实施例的结构示意图

图8为实施例的结构示意图；

图9为实施例的结构示意图；

图10为实施例的结构示意图

图11为实施例的结构示意图；

图12为实施例的结构示意图；

图13为实施例的结构示意图

图14为实施例的结构示意图；

图15为实施例的结构示意图；

图16为实施例的结构示意图

图17为实施例的结构示意图；

图18为实施例的结构示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种基于智能材料的谐振式传感器，谐振元件1在固有频率同频的激励下输出力和位移并作用于敏感体5，敏感体5输出第一检测信号；感测件14感受到外界物理量的变化使谐振元件1的固有频率发生变化时，谐振元件1输出的力和位移发生变化，促使敏感体5输出第二检测信号，通过获得敏感体5输出的不同的检测信号从而实现介质物理量的检测。包括谐振元件1、激励线圈2、敏感体5、壳体7、前端盖8、后端盖10、占位圆柱11以及感测件14；壳体7、前端盖8、后端盖10围成容纳空间16；谐振元件1、敏感体5、感测件14依次设置在容纳空间16中，感测件14延伸至前端盖8的外侧；占位圆柱11设置在容纳空间16中并包围在谐振元件1的外侧；激励线圈2设置在谐振元件1上，谐振元件1和敏感体5为同一元件或不同元件。当激励线圈2输入ie时，谐振元件1输出力和位移作用于敏感体5，敏感体5输出第一检测信号；当感测件14接触被测物体时驱使谐振元件1输出不同的力和位移作用于敏感体5，此时敏感体5输出第二检测信号。

实施例一：

谐振元件1为磁致伸缩材料的谐振元件，敏感体5为压电材料的谐振元件，如图1所示，给激励线圈2通激励电流ie，谐振元件1在激励线圈2的作用下产生高频振动，振动频率为其固有频率，振动力作用在压电材料5上使其产生感应电压v；当感测件14接触到外界介质，感测件14受到外界介质的作用，驱使谐振元件1的固有频率变化，此时，敏感体5的感应电压v发生变化，通过获得的不同的感应电压v从而实现介质物理量的检测。

实施例二：

实施例二为实施例一的变化例，如图2所示，包括谐振元件1、激励线圈2、敏感体5、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11、永磁体13、感测件14以及碟簧15，其中，导磁后盖9设置在谐振元件1与后端盖10之间，并与谐振元件1与后端盖10接触连接，永磁体13设置在谐振元件1和占位圆柱11之间并设置在导瓷后盖9上，碟簧15设置在前端盖8和感测件14之间，碟簧15的两端分别与前端盖8和感测件14紧固连接；永磁体13以及碟簧15分别为谐振元件1提供偏置磁场和预应力，增大其输出位移，当外界物质粘附导致感测件14质量变化、粘附的物质组分不同时，感测件14驱使谐振元件1的振动频率变化，从而作用于敏感体5，使敏感体5输出的感应电压v发生变化，从而可以检测质量、物质组分等物理量。

实施例三：

实施例三为实施例二的变化例，如图3所示，包括谐振元件1、激励线圈2、感测体4、压电材料5、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11、球形外壳12、永磁体13、感测件14以及碟簧15，其中，感测体4与感测件14紧固连接；感测体接触检测介质并将外界作用力通过感测件14作用于谐振元件1；感测体4和球形外壳12共同围成球形；壳体7、前端盖8、后端盖10设置在感测体4和球形外壳12的内部。永磁体13、碟簧15分别为谐振元件1提供偏置磁场和预应力，增大谐振元件1的输出位移，外壳7为球形，便于埋入混凝土等建筑结构中进行测量，可以检测感测体4受到的外力等物理量，从而通过敏感体5输出感应电压v的变化实现对外力的检测。

实施例四：

谐振元件1采用压电材料的谐振元件；如图4所示，包括谐振元件1、感应线圈3、敏感体5、壳体7、前端盖8、后端盖10、占位圆柱11以及感测件14，谐振元件5采用压电材料的谐振元件，敏感体5采由磁致伸缩材料的敏感体，谐振元件1在激励电压ve的作用下产生高频振动，振动频率为其固有频率，振动作用在谐振元件1上，由于逆磁致伸缩效应，谐振元件1产生交变磁场，在感应线圈3上产生感应电压v；当感测件14感受到外界物理量的作用，谐振元件的固有频率变化，使得感应线圈3的感应电压v发生变化，从而实现物理量的检测。

实施例五：

在实施例四的一个变化例中，如图5所示，包括谐振元件1、感应线圈3、敏感体5、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11以及感测件14，其中，当外界物质粘附导致感测件14质量变化、粘附的物质组分不同时，可以检测质量、物质组分等物理量。谐振元件1在激励电压ve的作用下产生高频振动，振动频率为其固有频率，振动作用在谐振元件1上，由于逆磁致伸缩效应，谐振元件1产生交变磁场，在感应线圈3上产生感应电压v；当外界物质粘附导致感测件14质量变化、粘附的物质组分不同时，谐振元件的固有频率变化，使得感应线圈3的感应电压v发生变化，从而实现外界物质质量、组分的检测。

实施例六：

实施例四的另一个变化例，如图6所示，包括谐振元件1、感应线圈3、感测体4、敏感体5、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11、球形外壳12以及感测件14，谐振元件1在激励电压ve的作用下产生高频振动，振动频率为其固有频率，振动作用在谐振元件1上，由于逆磁致伸缩效应，谐振元件1产生交变磁场，在感应线圈3上产生感应电压v；其中，球形外壳12为球形，便于埋入混凝土等建筑结构中进行测量，当感测件14通过感测体4感测到外力的作用，致使感应线圈3上产生的感应电压v发生变化，从而实现混凝土等建筑结构中受力等物理量的测量。

实施例七：

如图7所示，包括谐振元件1、激励线圈2、敏感体5、传导件6、壳体7、前端盖8、后端盖10、占位圆柱11以及感测件14，传导件6设置在占位圆柱11和感测件14之间并与敏感体5间隙连接。谐振元件1采用压电材料的谐振元件，敏感体5采用磁致伸缩材料的敏感体，传导件6采用隧道磁阻材料的传导件，谐振元件1在激励电压ve的作用下产生高频振动，振动频率为其固有频率，振动作用在敏感体5上，由于逆磁致伸缩效应，敏感体5产生交变磁场，通过传导件6检测此磁场，产生感应电压v；当感测件14感受到外界物理量的作用，谐振元件1的固有频率变化，使得传导件6的感应电压v变化，从而实现外界物质物理量的检测；隧道磁阻材料具有很高的磁场灵敏度，从而提高了传感器检测的灵敏度。

实施例八：

实施例八为实施例七的变化例，如图8所示，包括，谐振元件1、激励线圈2、敏感体5、传导件6、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11以及感测件14，谐振元件1采用压电材料的谐振元件，敏感体5采用磁致伸缩材料的敏感体，传导件6采用隧道磁阻材料的传导件，谐振元件1在激励电压ve的作用下产生高频振动，振动频率为其固有频率，振动作用在敏感体5上，由于逆磁致伸缩效应，敏感体5产生交变磁场，通过传导件6检测此磁场，产生感应电压v；当外界物质粘附导致感测件14质量变化、粘附的物质组分不同时，传导件6检测磁场产生不同的感应电压v，可以检测质量、物质组分等物理量。

实施例九：

实施例九为实施例七的另一个变化例，如图9所示，包括谐振元件1、激励线圈2、感测体4、敏感体5、传导件6、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11、球形外壳12以及感测件14，谐振元件1采用压电材料的谐振元件，敏感体5采用磁致伸缩材料的敏感体，传导件6采用隧道磁阻材料的传导件，谐振元件1在激励电压ve的作用下产生高频振动，振动频率为其固有频率，振动作用在敏感体5上，由于逆磁致伸缩效应，敏感体5产生交变磁场，通过传导件6检测此磁场，产生感应电压v；球形外壳12为球形，便于埋入混凝土等建筑结构中进行测量，当外力作用于感测体4，感测体4与感测件14紧固连接，感测件14致使谐振元件1固有频率发生变化，使敏感体5产生交变磁场发生变化，传导件6的感应电压v发生变化，从而检测到受到的外力等物理量。

实施例十：

如图10所示，包括谐振元件1、激励线圈2、感应线圈3、敏感体5、壳体7、前端盖8、后端盖10、占位圆柱11以及感测件14，具体地，谐振元件1、敏感体5为一体连接且均采用磁致伸缩材料。给激励线圈2通激励电流ie，敏感体5在激励线圈2的作用下产生高频振动，振动频率为其固有频率，由于逆磁致伸缩效应，敏感体5产生交变磁场，在感应线圈3上产生感应电压v，当感测件14感受到外界物理量的作用，谐振元件1的固有频率变化，使得敏感体5的感应电压v变化，从而实现物理量的检测；此实施例的优点为谐振元件和敏感体为同一元件，提高了传感器的结构紧凑度。在一个优选例中，如图11所示，包括谐振元件1、激励线圈2、感应线圈3、敏感体5、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11、永磁体13、感测件14、碟簧15，永磁体13以及碟簧15分别为谐振元件1提供偏置磁场和预应力，增大其输出位移。当感测件14感测外界粘附物质的质量变化、粘附的物质组分不同时，可以检测质量、物质组分等物理量。在另一个变化例中，如图12所示，包括谐振元件1、激励线圈2、感应线圈3、感测体4、敏感体5、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11、球形外壳12、永磁体13、感测件14以及碟簧15，其中，永磁体13、碟簧15分别为谐振元件1提供偏置磁场和预应力，增大其输出位移，球形外壳12为球形，便于埋入混凝土等建筑结构中进行测量。可以检测感测件14受到的外力等物理量。

实施例十一：

如图13所示，谐振元件1、激励线圈2、敏感体5、传导件6、壳体7、前端盖8、后端盖10、占位圆柱11以及感测件14，谐振元件1和敏感体5均采用磁致伸缩材料，谐振元件1和敏感体5为一体连接，给激励线圈2通激励电流ie，谐振元件1在激励线圈2的作用下产生高频振动，振动频率为其固有频率。由于逆磁致伸缩效应，敏感体5产生交变磁场，通过传导件6检测此磁场，产生感应电压v。当感测件14感受到外界物理量的作用，谐振元件1的固有频率变化，使得传导件6的感应电压v变化，从而实现物理量的检测；此实施例的优点为谐振元件1和敏感体5为同一元件，提高了传感器的结构紧凑度，传导件6采用隧道磁阻材料，具有很高的磁场灵敏度，提高了传感器的灵敏度。在一个变化例中，如图14所示，谐振元件1、激励线圈2、敏感体5、传导件6、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11、永磁体13、感测件14、碟簧15，其中，谐振元件1、敏感体5为同一元件且均为磁致伸缩材料，永磁体13以及碟簧15分别为谐振元件1提供偏置磁场和预应力，增大其输出位移，给激励线圈2通激励电流ie，谐振元件1在激励线圈2的作用下产生高频振动，振动频率为其固有频率。由于逆磁致伸缩效应，敏感体5产生交变磁场，通过传导件6检测此磁场，产生感应电压v。当感测件14感测到外界物质粘附导致的质量变化、粘附的物质组分不同时，可以检测质量、物质组分等物理量。在另一个变化例中，如图15所示，包括谐振元件1、激励线圈2、感测体4、敏感体5、传导件6、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11、球形外壳12、永磁体13、感测件14以及碟簧15，其中，永磁体13、碟簧15分别为谐振元件提供偏置磁场和预应力，增大谐振元件1的输出位移。球形外壳12为球形，便于埋入混凝土等建筑结构中进行测量，可以检测感测件受到的外力等物理量。

实施例十二：

具体地，如图16所示，包括谐振元件1、敏感体5、壳体7、前端盖8、后端盖10、占位圆柱11以及感测件14，其中，谐振元件1和敏感体5都采用压电材料，谐振元件1在激励电压ve的作用下产生高频振动，振动频率为其固有频率，振动作用在敏感体5上使其产生感应电压v，当感测件14感受到外界物理量的变化，例如外力的作用，又例如外界物质粘附导致其质量增加、不同组分的物质粘附时，谐振元件的固有频率变化，使得敏感体5的感应电压v变化，进而检测力、质量、物质组分等物理量。在一个变化例中，如图17所示，包括谐振元件1、敏感体5、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11以及感测件14，其中，当感测件14感测到外界物质粘附导致质量变化、粘附的物质组分不同时，可以检测质量、物质组分等物理量。在另一个变化例中，如图18所示，包括谐振元件1、感测体4、敏感体5、壳体7、前端盖8、导磁后盖9、后端盖10、占位圆柱11、球形外壳12以及感测件14，其中，球形外壳12为球形，便于埋入混凝土等建筑结构中进行测量，能够检测感测件14受到的外力等物理量。

本发明创新地将压电材料、磁致伸缩材料、隧道磁阻材料等应用于谐振元件和敏感体，将被测量的物理量直接转化为敏感体的输出，降低了加工难度和成本，并且能够实现多种物理量的测量；同时，提高了传感器的灵敏度、结构紧凑度和传感精度。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。