一种圈梁结构高性能压电加速度计的制作方法

本发明属于振动传感器领域，尤其是涉及一种圈梁结构高性能压电加速度计。

背景技术：

加速度计是一类基于质量-弹簧-阻尼系统的惯性传感器。当系统发生振动时，质量会在弹簧上施加载荷，因此通过测量弹性体形变，即可获得加速度信息。按照敏感元件，加速度计又分为压电式、压阻式或电容式等，其中以压电加速度计的应用最为广泛。压电加速度计利用有源材料的压电效应，将压电元件与弹性体结合，当惯性质量受到机械作用力时，通过弹性体形变，施加在压电元件上的力也随之变化，从而使其表面产生电荷，通过测量电荷的变化得到机械力的变化规律。压电加速度计不仅在航空航天、汽车工业、石油勘探、地震监测等多个传统领域均有着广泛的应用，且近年来在水下传感领域也在逐渐显露其重要作用。

矢量传感器是一类可以获取声或振动信息的传感器，多用于拾取水下声矢量信号。它的出现为水下声系统的发展提供了新的思路，一如矢量声呐。压电加速度计作为核心敏感器件，其性能直接决定了矢量传感器的品质。目前，矢量传感器多采用商用加速度计进行集成设计，已无法满足水下声系统对其日渐增高的性能需求。对于商用加速度计来说，为考虑通用性，一般的设计为宽频带且大动态范围，但相应的灵敏度较低且自噪声较高；或是针对某些领域的特殊需求进行设计，如甚低频地震计或超高温加速度计等。而矢量传感器以水下声信号为拾取对象，对内置加速度计的要求显然也不同。经远距离传播后的水下声信号，被传感器接收时一般信号强度弱，信噪比低，因而需要内置加速度计提供高信噪比输出，即具有甚低的自噪声和较高的灵敏度。另外，惯性式矢量传感器在水中以中性浮力状态工作，由于水下流的存在，随流摆动时会产生额外的干扰，因而需要内置加速度计对流具有一定的抗性；再次，为使矢量传感器小型化，需要内置加速度计具有较小尺寸以便于集成。而这些特性几乎无法从同一款商用加速度计中获得，急需发明一种专用的高性能压电加速度计以满足矢量传感器的需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种圈梁结构高性能压电加速度计，利用梁的弯曲模态，更有利于提升灵敏度；高对称性不但可以在小尺寸内提升带宽而不损失性能，又提高了抗扭转力能力，更加适用于惯性式矢量传感器，提升了其抗干扰能力。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种圈梁结构高性能压电加速度计，包括圈梁结构、压电元件、上外壳和下外壳，所述的圈梁结构包括一体设置的环形梁、多个弹性梁臂和中心基板，所述的中心基板设置在环形梁的中心处，多个所述的弹性梁臂均匀布置在环形梁内，所述的中心基板为正n边形基板，在中心基板的每个侧面上配合一弹性梁臂，且每个弹性梁的另一端与环形梁内壁固定连接；

在中心基板的上下表面各配合一同形状的中心质量块，在每个弹性梁臂的上下表面均设置压电元件，所述的上外壳和下外壳正对设置，所述的上外壳和下外壳围合成容纳圈梁结构的空腔，上外壳和下外壳夹紧所述的环形梁设置。

进一步的，所述圈梁结构包括三个弹性梁臂为三臂圈梁，对应的中心基板为正三角形基板，中心质量块为正三角形块。

进一步的，所述圈梁结构包括四个弹性梁臂为十字圈梁，对应的中心基板为正方形基板，中心质量块为正方形块。

进一步的，所述环形梁与上外壳和下外壳连接，形成介于固定和简支之间的边界。

进一步的，所述环形梁与上外壳和下外壳连接，形成简支边界。

进一步的，所述环形梁与上外壳和下外壳连接，形成介于固定和简支之间的边界。

进一步的，所述压电元件为压电单晶体、压电陶瓷、弛豫铁电单晶或压电复合材料。

进一步的，各个压电元件以串联或并联的方式电连接。

进一步的，所述弹性梁臂的截面为矩形，且弹性梁臂的宽度小于其跨度。

本发明的另一目的是提供一种矢量传感器，包括至少一个如上所述的加速度计。

相对于现有技术，本发明所述的一种圈梁结构高性能压电加速度计具有以下优势：

本发明所述的一种圈梁结构高性能压电加速度计，

1、圈梁结构对称性高，对扭转力抗性强，可令压电元件仅在一个方向上产生弯曲，而在与之正交的另一方向上不易产生形变；

2、采用弛豫铁电单晶作为压电元件，相比于压电陶瓷，弛豫铁电单晶具有更低的介电损耗和更高的压电常数，可从根本上降低加速度计的电子热噪声并提高电荷灵敏度，提高圈梁结构加速度计的整体性能，降低自噪声，提高灵敏度。

3、具有更高横向压电常数的[011]切型弛豫铁电单晶，其横向压电性能存在明显的各向异性，且需要其匹配结构具有更纯净的弯曲方向；圈梁结构的高对称性可以最大限度的抗扭转力，使横向弯曲模态更加纯净，从而匹配[011]切型的矩形晶片，提高实际应用中的稳定性和抗干扰能力，更适用于矢量传感器。

4、上、下外壳上设有出线孔和若干螺纹孔，出线孔用于内部导线的引出，不需使用插件，减小了加速度计体积，便于集成到矢量传感器内部，方便多维化扩展。

5、结构设计灵活强，易于根据指标要求调整参数。

6、由该压电加速度计组成的矢量传感器，灵敏度高，抗干扰能力强。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种三臂圈梁高性能压电加速度计的结构爆炸图；

图2为三臂圈梁的俯视图；

图3为一种十字圈梁的结构示意图；

图4为固定边界示意图；

图5为简支边界示意图；

图6为介于简支和固定边界之间的示意图；

图7为本发明中所有压电元件并联连接的示意图；

图8本发明中所有压电元件串联连接的示意图；

图9为压电元件为压电陶瓷和压电元件是弛豫铁电单晶的压电加速度计的电荷灵敏度对比曲线图；

图10为本发明的一种圈梁结构高性能压电加速度计的等效噪声加速度谱密度曲线。

附图标记说明：

1-三臂环形梁，2-压电元件，3-中心质量块，4-固定上外壳，5-固定下外壳，6-环形梁，7-弹性梁臂，8-中心基板，9-定位孔，10-螺栓，11-简支上外壳，12-简支下外壳，13-过渡上外壳，14-过渡下外壳，15-上侧压电元件，16-下侧压电元件，17-出线孔，18-螺纹孔，19-十字环形梁。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-2所示，一种圈梁结构高性能压电加速度计，其中圈梁结构为三臂圈梁1，该加速度计包括三臂圈梁1、压电元件2、中心质量块3和上外壳和下外壳，三圈臂梁1包括环形梁6和三个弹性梁臂7，中心基板8为正三角形，在中心基板8的中心设有定位孔9，在中心基板8的上下表面都设置中心质量块3，三个弹性梁臂7成120°均匀分布在环形梁6和中心基板8之间，压电元件2可以为压电单晶体、压电陶瓷、弛豫铁电单晶、压电复合材料等；其中，压电单晶体又包含如石英、铌酸锂、罗谢尔盐等；压电陶瓷又包含钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷、偏铌酸铅压电陶瓷等；弛豫铁电单晶包含铌镁酸铅-钛酸铅、铌锌酸铅-钛酸铅和铌镁酸铅-铌铟酸铅-钛酸铅等。

在实施时，首先利用螺栓10穿过定位孔9，将两个中心质量块3分别固定到中心基板8的上下两侧，形成惯性质量；采用环氧树脂胶粘剂作为黏合剂，将上下各3片压电元件2粘接在弹性梁臂7上，形成压电复合弹性梁；再将上外壳和下外壳分别粘接到环形梁6上面；最后将导线引出，装配完成完整的三臂圈梁结构加速度计；外壳与环形梁6之间的连接可采用焊接、粘接或螺栓紧固的方式实现；匹配的中心质量块3固定在中心基板位置，也可采用粘接或焊接的手段。

其中，外壳与环形梁6接触的位置，可形成不同的边界约束条件，如：上外壳和下外壳的壁厚与环形梁6的环宽相同，即固定上外壳4和固定下外壳5，则形成固定边界，如图4所示；外壳根部的壁厚极薄，且外壳的直径与环形梁6的外径相同，即简支上外壳11和简支下外壳12，则形成了简支边界条件，如图5所示；外壳的外径与环形梁6的外径相同，且外壳的壁厚小于环形梁6的宽度，即过渡上外壳13和过渡下外壳14，则形成了介于固定和简支之间的边界约束条件，如图6所示。利用不同的外壳结构，可以建立不同的边界条件，从而进行性能的调整。

在本发明中，以三臂圈梁结构高性能压电加速度计为例，可以采用2种不同的接线方式对6片压电元件2进行组合；为了方便对接线的描述，将压电元件2分成两组，分别为上侧压电元件15和下侧压电元件16；

图7所示的是一种并联模式：每一条弹性梁臂7的上侧压电元件15和下侧压电元件16极化方向相同放置，在弹性梁臂7受到激励产生弯曲的时候，在上侧压电元件15变长，其上表面产生正电荷，下表面产生负电荷；而下侧压电元件16缩短，其上表面产生负电荷，下表面产生正电荷；将上侧压电元件15的上表面和下侧压电元件16的下表面用导线连接；每一条弹性梁臂7的上侧压电元件15和下侧压电元件16均如此连接，再将每一条弹性臂梁7的导线连接，作为加速度计的正极；每一条弹性梁臂7的上侧压电元件15下表面和下侧压电元件16上表面通过金属弹性臂梁7连接导通，作为加速度计的负极。

图8所示的是串联模式：每一条弹性梁臂7的上侧压电元件15和下侧压电元件16极化方向相反放置，分别将每一条弹性臂梁上的上侧压电元件15和下侧压电元件16用导线连接导通，上侧压电元件15的输出作为加速度计的正极，下侧压电元件16的输出作为加速度计的负极。

加速度计的导线均通过外壳的出线孔17引出。本例设计的上外壳和下外壳均各有2个螺纹孔18，其作用是固定按照加速度计到其他支撑结构，便于将其集成到矢量传感器内部。

本发明加速度计中的圈梁结构除了是三臂圈梁1结构形式外，还可以是具有更多臂数的圈梁结构，如十字圈梁19，图3中展示了十字圈梁19结构加速度计。与三臂圈梁结构的加速度计不同的是，它具有4条相互正交的弹性梁臂7，且中心基板8形状为正方形，相应可匹配的质量更大。可望在更小的体积内获得更高的灵敏度。

为了验证本申请圈梁结构的压电加速度计的性能，利用同样结构和尺寸的圈梁结构，分别制作了以压电陶瓷pzt-5h和弛豫铁电单晶(xpb(in1/2nb1/2)o3-ypb(mg1/3nb2/3)o3-(1-x-y)pbtio3)作为压电元件2的加速度计，图9给出了两者实测的电荷灵敏度曲线；从图9中可见，以pzt-5h作为压电元件的加速度计，其电荷灵敏度约为24.2pc/g，以弛豫铁电单晶作为压电元件的加速度计，其电荷灵敏度约为51.3pc/g，采用圈梁结构配合压电陶瓷或弛豫铁电单晶的压电加速剂的电荷的灵敏度都比较高，并且弛豫铁电单晶作为压电元件与圈梁结构组合，电荷灵敏度较压电陶瓷作为压电元件与圈梁结构的组合提高了27.1pc/g，弛豫铁电单晶作为压电元件整体性能更优。

图10给出了弛豫铁电单晶作为压电元件2的加速度计实测的等效噪声加速度谱密度曲线，其等效自噪声仅为具有优良的低噪声特性。

一种矢量传感器，包括至少一个上述的圈梁结构高性能压电加速度计。

本发明的圈梁结构加速度计，具有高灵敏度、低自噪声，对弱信号的拾取能力强等优点；且体积小，易于集成在矢量传感器内部，且方便多维化扩展；同时结构设计灵活强，易于根据指标要求调整参数；另外该结构对称性高，对扭转力抗性强，可令压电元件仅在一个方向上产生弯曲，而在与之正交的另一方向上不易产生形变，因而很好的匹配了弛豫铁电单晶在32和31两个正交方向上的各向异性压电性，最大限度的发挥了弛豫铁电单晶的优势，提升了加速度计性能，使之更适用于矢量传感器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。