一种可用于冲击波检测的高灵敏度挠曲电传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种可用于冲击波检测的高灵敏度挠曲电 传感器。
【背景技术】
[0002] 力电耦合现象广泛存在于各种人工和天然材料中。传统的压电式传感器利用某些 电介质材料受力后具有压电效应的现象制成。压电效应是指某些电介质在收到一定方向上 外力作用而发生弯曲或伸缩变形时，由于内部电荷发生极化而在其表面上产生电荷聚集的 现象。压电传感器就是通过测量表面电荷量，利用力电耦合关系实现其它非电量的测量，被 广泛应用在力学、声学、医学、宇航和国防等方面。
[0003] 虽然压电材料具有优越的力电转换效应，但是在晶体学中，压电效应仅存在于在 具有非中心对称结构的晶体，这样极大的限制了材料的选取和利用。天然存在的压电材料 压电效应非常微弱，压电率太低，很难用于实际检测。目前广泛使用的压电材料主要由石英 晶体、压电高分子和压电陶瓷等材料。在实际工业应用中，所采用的压电材料大多为镐钛酸 铅类的压电陶瓷，然而镐钛酸铅含有重金属铅，容易对环境和人类健康造成伤害。
[0004] 与压电效应不同，挠曲电效应是指由非均匀应变场或应变梯度产生电极化现象， 即使对于中心对称晶体，挠曲电效应同样可以使材料产生电极化。由于对晶体结构对称性 相对宽松的要求，挠曲电效应普遍存在于所有的电介质中，包括非压电材料和各向同性材 料。
[0005] 当冲击波通过挠曲电介电材料时，发生高应变率变形，产生依赖于时间的应变梯 度，而应变梯度会产生离子的极化位移;对于冲击压缩波来说，原子的加速度正比于应变梯 度，不同质量的离子的加速度产生额外的极化位移，从而产生挠曲电动态效应，产生极化电 荷，挠曲电动态效应通常定义为：
[0007] 其中μ<! = -XcM/p是动态挠曲电系数。Μ是由晶格动力学计算出的系数。ε是材料的 弹性应变，X是梯度的方向，Ρ是由挠曲电效应导致的应变梯度产生的极化，Ρ是密度，c是弹 性常数。在国际单位制下，挠曲电系数的单位是C/m。
[0008] 挠曲电式材料选择范围更广，环境和人类友好型材料可用来制备挠曲电式传感 器、驱动器等功能器件。另外一个显著的特点是挠曲电效应与尺寸相关，有研究表明应变梯 度是随着结构尺寸的减小而增大，小尺寸高灵敏度的挠曲电式微型器件在实际中是可行 的，并且测量更加精确。
【发明内容】
[0009] 为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可用于冲击波检 测的高灵敏度挠曲电传感器，通过冲击波压缩作用挠曲电介电材料产生的应变梯度与基于 挠曲电效应产生电荷之间的线性关系，来测量冲击波压力的大小，能够准确、简单的实现压 力的测量。
[0010]为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
[0011] -种可用于冲击波检测的高灵敏度挠曲电传感器，包括分别设置在挠曲电介电材 料3左右表面的左金属电极2和右金属电极4;所述左金属电极2与右金属电极4分别连接有 两条输出测量电荷的引线5,两条引线5的另一端与外接金属电极8连接;所述挠曲电介电材 料3、左金属电极2、右金属电极4和引线5密封在环氧树脂7内；外壳7与金属筛1粘接在一起， 把环氧树脂7固结在内；所述金属筛1具有冲击波施加压力的压力通道。
[0012] 所述左金属电极2和右金属电极4为蒸镀金属电极。
[0013] 所述引线5与左金属电极2和右金属电极片4及外接金属电极8通过引线键合的方 式连接。
[0014] 所述挠曲电电介质3为碳酸锶钡块体。
[0015] 所述外接金属电极8为两根铜棒。
[0016] 当高速冲击波通过挠曲电介电材料3时，发生高应变率变形，产生依赖于时间的应 变梯度，而应变梯度会产生离子的极化位移;对于冲击压缩波来说，原子的加速度正比于应 变梯度，不同质量的离子的加速度产生额外的极化位移，从而产生挠曲电动态效应，产生极 化电荷，其表达式为：
[0018] U = kQ
[0019]其中yd = -xcM/p是动态挠曲电系数，Μ是由晶格动力学计算出的系数，P是密度，c 是弹性常数;μ是静态挠曲电系数，ε是材料的弹性应变，X是梯度的方向，Ρ是由挠曲电效应 导致的应变梯度产生的极化，Q是左金属电极2和右金属电极片4金属电极的输出电荷，k为 电荷放大系数，U为电压值的输出量，Η为材料试件下表面边长。以上公式能够看出，只要测 量输出电荷值，通过冲击波压缩作用挠曲电介电材料产生的应变梯度与基于挠曲电效应产 生电荷之间的线性关系，能够准确、简单的实现冲击波压力的测量。
[0020] 和现有技术相比较，本发明具有以下优点：
[0021] 1)本发明米用烧曲电动态效应测量冲击波压力，与传统的压式传感器不同，烧曲 电式传感器材料的选取范围更宽。
[0022] 2)相对于压电式压力传感器，具有高灵敏度，并具有尺寸效应，随块体尺寸的减小 灵敏度增加。
[0023] 3)由于挠曲电效应主要是由于应变梯度产生的，在小变形情况下，应变的测量较 为困难，大应变梯度依然存在，可极为容易的检测到电信号，甚至可直接输出电信号分析， 为结构的现场检测提供了可能。
【附图说明】
[0024] 附图为本发明传感器结构示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明。
[0026] 如附图所示，本发明一种可用于冲击波检测的高灵敏度挠曲电传感器，包括分别 设置在挠曲电介电材料3左右表面的左金属电极2和右金属电极3,所述左金属电极2与挠曲 电介电材料3的左表面相接触;所述右金属电极4与挠曲电介电材料3的右表面相接触;所述 左金属电极2与右金属电极4分别连接有两条输出测量电荷的引线5,两条引线5的另一端与 外接金属电极8连接，环氧树脂7把烧曲电介电材料3、金属电极2、4和引线5密封在内；金属 筛1具有冲击波施加压力的压力通道;所述外壳7与金属筛1粘接在一起，把环氧树脂7固结 在内。
[0027] 所述左金属电极2和右金属电极4为蒸镀金属电极。
[0028] 所述引线5与左金属电极2和右金属电极片4及外接金属电极8通过引线键合的方 式连接。
[0029] 所述挠曲电电介质3为碳酸锶钡块体。
[0030] 所述外接金属电极8为两根铜棒。
[0031 ]当高速冲击波通过挠曲电介电材料3时，发生高应变率变形，产生依赖于时间的应 变梯度，而应变梯度会产生离子的极化位移;对于冲击压缩波来说，原子的加速度正比于应 变梯度，不同质量的离子的加速度产生额外的极化位移，从而产生挠曲电动态效应，产生极 化电荷，其表达式为：
[0033] U = kQ
[0034] 其中yd = -xcM/p是动态挠曲电系数，Μ是由晶格动力学计算出的系数，P是密度，c 是弹性常数;μ是静态挠曲电系数，ε是材料的弹性应变，X是梯度的方向，Ρ是由挠曲电效应 导致的应变梯度产生的极化，Q是左金属电极2和右金属电极片4金属电极的输出电荷，k为 电荷放大系数，U为电压值的输出量，Η为材料试件下表面边长。以上公式能够看出，只要测 量输出电荷值，通过冲击波压缩作用挠曲电介电材料产生的应变梯度与基于挠曲电效应产 生电荷之间的线性关系，能够准确、简单的实现冲击波压力的测量。
【主权项】
1. 一种可用于冲击波检测的高灵敏度挠曲电传感器，其特征在于:包括分别设置在挠 曲电介电材料(3)左右表面的左金属电极(2)和右金属电极(4);所述左金属电极(2)与右金 属电极(4)分别连接有两条输出测量电荷的引线(5)，两条引线(5)的另一端与外接金属电 极(8)连接;所述挠曲电介电材料(3)、左金属电极(2)、右金属电极(4)和引线（5)密封在环 氧树脂(7)内；外壳(6)与金属筛（1)粘接在一起，把环氧树脂(7)固结在内；所述金属筛（1) 具有冲击波施加压力的压力通道。2. 根据权利要求1所述的一种可用于冲击波检测的高灵敏度挠曲电传感器，其特征在 于:所述左金属电极(2)和右金属电极(4)为蒸镀金属电极。3. 根据权利要求1所述的一种可用于冲击波检测的高灵敏度挠曲电传感器，其特征在 于:所述引线（5)与左金属电极(2)和右金属电极片(4)及外接金属电极(8)通过引线键合的 方式连接。4. 根据权利要求1所述的一种可用于冲击波检测的高灵敏度挠曲电传感器，其特征在 于:所述挠曲电介电材料(3)为碳酸锶钡块体。5. 根据权利要求1所述的一种可用于冲击波检测的高灵敏度挠曲电传感器，其特征在 于:所述外接金属电极(8)为两根铜棒。
【专利摘要】一种可用于冲击波检测的高灵敏度挠曲电传感器，包括分别设置在挠曲电介电材料左右表面的左金属电极和右金属电极；左金属电极与右金属电极分别连接有两条输出测量电荷的引线，两条引线的另一端与两外接金属电极连接，环氧树脂把挠曲电介电材料、金属电极和引线密封在内；金属筛具有冲击波施加压力的压力通道；外壳与金属筛粘接在一起，把环氧树脂固结在内；本发明通过在冲击波压缩作用下挠曲电介电材料产生的应变梯度与基于挠曲电动态效应产生电荷之间的线性关系，来测量冲击波压力的大小。
【IPC分类】G01L1/16, G01L5/00
【公开号】CN105571756
【申请号】CN201510929110
【发明人】胡涛涛, 申胜平, 梁旭, 卢建锋, 贾坤, 刘群峰
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2015年12月12日