专利名称：脉动压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于压电式压力传感器技术领域，涉及一种脉动压力传感器。
背景技术：
采用压电原理进行压力检测的传感器有美国专利US6271621B1，它给出了一种用PbTiO3/氯丁橡胶复合物制成电缆及叠片两种结构的压电压力传感器；中国实用新型专利94Z40074，给出采用压电薄膜组成探测源，并安装在绝缘材料制成的两个中空半椭球体空腔内，用于检测发动机的油压；美国专利5852245给出一种用压电陶瓷PZT制作的高温压力传感器，用于检测内燃机燃烧腔的压力。航空航天工业部第628研究所馆藏资料NZ890978，给出用PVDF压电薄膜粘贴在圆柱体表面，测量置于低速开口风洞中圆柱体表面的动态压力。上述传感器均从压电换能器中直接输出敏感信号，未加前置放大，输出阻抗高，信号干扰大。
另一类带放大器的压电压力传感器有美国专利6159166，给出一种采用压电换能器内置放大器的脉搏压力传感器，该传感器结构复杂，放大器的频率响应范围窄0.1Hz～250Hz，仅适合用于检测脉博等低频的动态压力。中国安全科学学报(1998年5期)报道了一种新型的带放大器的压杆式压力传感器，它采用压电陶瓷作为敏感元件，采用带声吸收杆式的结构，内置电压放大器，用于爆炸过程中的压力检测。该传感器属专用测试设备，用途单一。
综上所述，提出一种可有效去除干扰信号，灵敏度高结构简单的动态压力传感器成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种脉动压力传感器，该传感器具有灵敏度高和抗干扰能力强的特点。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的一种脉动压力传感器，包括一金属外壳，该金属外壳为桶状，在金属外壳的顶部设置一电路盖板，电路盖板和金属外壳组成一屏蔽腔，在屏蔽腔内设置敏感元件和放大器，敏感元件由压电片粘贴在金属外壳底部构成，压电片的信号极与放大器输入端连接。
放大器焊贴在电路盖板内表面，作为压电片地极的金属外壳通过电路盖板与放大器的地端连通。在金属外壳内侧设置一铜环，铜环与金属外壳之间设置绝缘体，铜环的一端与电路盖板的信号线压接并接至放大器的输入端，铜环的另一端与压电片的信号极引出的信号线连接。所述绝缘体包括绝缘垫圈和塑料环，绝缘垫圈设置在铜环的底部，塑料环设置在铜环的外侧壁。
由压电陶瓷、压电聚合物或压电复合材料制备的压电片的厚度为10-1000um。
放大器为一高输入低输出阻抗的电荷放大器或场效应放大器。
金属壳可采用铜、铝等软性金属或金属合金材料。
铜环可采用锌铂铜合金材料或其他易于焊接的合金金属材料。
放大器的输出管脚和接地管脚通过电路盖板的过孔引出，放大器的输出端可接有隔直电容。
本发明脉动压力传感器具有以下优点
一、灵敏度高。传感器敏感元件的压电片内表面不受力，在外力作用下可自由振动，继而产生较大的形变和电荷。内置的放大器将电荷放大，并输出较高的电压信号。
二、抗干扰能力强。整个传感器封装在一个屏蔽腔内，可消除外界干扰。另外，传感器内置的放大器为高输入阻抗放大器，有效地抑制了负载及导线分布电容的影响。
三、传感器的结构简单，内置的放大器为集成放大器，制作成本低。
图1为本发明脉动压力传感器结构示意图；图2为本发明敏感元件结构示意图；图3为本发明动态压力传感器工作电路图；图4为本发明塑料环柱结构示意图；图5为本发明铜环柱结构示意图；图6为本发明盖板电路布线图；其中，图6-a为电路盖板的外表面；图6-b为电路盖板的内表面；图7为本发明绝缘垫圈结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明作详细描述。
如图1所示，动态压力传感器包括金属外壳1、压电片4，塑料环2，铜环3，绝缘垫圈5，放大器7和电路盖板6。外壳1为金属材质的圆桶结构。压电片4的直径小于金属外壳的直径，并同心地粘贴在外壳1的底部。压电片和金属外壳共同构成敏感元件。在外壳的底部还放置了圆环形的绝缘垫圈5。在绝缘垫圈之上紧靠外壳内壁同心地放置了圆管形的塑料环2。在塑料环柱外、绝缘垫圈之上又同心地放置了圆管形的铜环3，在铜环之上放置电路盖板6。铜环柱的底部压接了压电片的信号线9。在盖板的内表面粘贴了前置放大器7。最后把外壳压边，形成封闭结构。
敏感元件如图2所示，压电片4粘贴在桶状金属壳1底部，金属壳应选取软性金属如铜、铝等金属或金属合金制作。以便在压力作用下产生较大形变。压电片表面设有信号电极，其上接有细软的引线9，表面处于自由状态，以充分实现自由弯曲振动，引线接至铜环柱，并接至放大器的输入端，压力作用到金属壳底部，壳底带动压电片变形，产生形变，继而产生电荷，再经放大器放大，并转换成电压信号输出。本实施方案中金属壳为锌铂铜，厚度0.2mm～0.4mm，压电片用压电陶瓷制做，厚50μm～0.2mm。
敏感元件压电片的直径应小于金属壳直径，并留有绝缘垫圈的装配位置。金属壳作为元件的接地极与放大器的接地脚7b连通，形成一屏蔽回路，可有效的提取微小信号，去除其他干扰。
图1中的放大器应使用高输入低输出阻抗的集成放大器，本实施方案选用LMV1012系列放大器芯片。传感器的工作电路如图3所示。其中场效应管的输入阻抗大于100MΩ，输出阻抗小于200Ω，频率范围10Hz～100kHz，电源电压2～5V，电阻R为可调电阻，调节范围2kΩ～15kΩ。
塑料环和铜环如图4和5所示，塑料环外套于铜环，以隔离外壳与铜环，铜环高于塑料环，因此传感器腔体由铜环支撑。电路盖板上的布线图如图6所示，斜线部份布有导电层。放大器的输出管脚7a通过盖板的过孔8a引出，接地管脚7b通过过孔8b引出。外壳上边缘卷压盖板外缘导电层，使放大器的地端与外壳连通，放大器的输出端接有隔直电容，以剔除直流信号。调节电阻R可调节输出灵敏度。
综上所述，本发明公开了一种脉动压力传感器。上面描述的应用场景和实施例，并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
权利要求
1.一种脉动压力传感器，包括一金属外壳，该金属外壳为桶状，在金属外壳的顶部设置电路盖板，金属外壳通过压边与电路盖板的地线压接，使金属外壳和电路盖板构成一屏蔽腔，其特征在于在屏蔽腔内设置敏感元件和放大器，敏感元件由压电片粘贴在金属外壳底部构成，压电片的信号电极与放大器输入端连接。
2.如权利要求1所述的脉动压力传感器，其特征在于电路盖板外表面、内表面布有电路，放大器焊贴在电路盖板的内表面上，作为压电片地极的金属外壳通过电路盖板与放大器的地端连通。
3.如权利要求2所述的脉动压力传感器，其特征在于在金属外壳内壁设置一铜环，该铜环与金属外壳之间设置绝缘体，铜环的一端与电路盖板连接，铜环另一端与压电片的信号电极引出的信号线连接。
4.如权利要求1、2或3所述的脉动压力传感器，其特征在于由压电陶瓷、压电聚合物或压电复合材料制备的压电片的厚度为10-1000um。
5.如权利要求1、2或3所述的脉动压力传感器，其特征在于放大器为一高输入低输出阻抗的电荷放大器或场效应放大器。
6.如权利要求3所述的脉动压力传感器，其特征在于所述绝缘体包括绝缘垫圈和塑料环，绝缘垫圈设置在铜环的底部，塑料环设置在铜环的外侧壁。
7.如权利要求1所述的脉动压力传感器，其特征在于金属壳采用铜、铝等软性金属或锌、铂、铜的金属合金材料。
8.如权利要求1所述的脉动压力传感器，其特征在于放大器的输出管脚和接地管脚通过电路盖板的过孔引出。
9.如权利要求3或6所述的脉动压力传感器，其特征在于铜环采用锌铂铜合金材料或其他易于焊接的合金金属材料。
全文摘要
本发明提供一种脉动压力传感器，属于压电式压力传感器领域。该脉动压力传感器包括一金属外壳，该金属外壳为桶状，在金属外壳的顶部设置一电路盖板，金属外壳通过压边与电路盖板的地线压接，使电路盖板和金属外壳组成一屏蔽腔，在屏蔽腔内设置敏感元件和放大器，敏感元件由压电片粘贴在金属外壳底部构成，压电片的信号极与放大器输入端连接。当脉动压力作用于金属壳底部，可带动压电片产生形变，从而产生电荷，再经放大并转换成电压输出。本发明具有灵敏度高、抗干扰能力强、体积小、重量轻、成本低等特点。广泛用于检测心音、脉搏、振动、冲击、加速度等领域。
文档编号H01L41/087GK1945248SQ20061011416
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月31日 优先权日2006年10月31日
发明者王丽坤, 杜宏亮, 魏兵, 秦雷 申请人:北京信息工程学院