高性能的应变传感器——硅基谐振式应变传感器

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高性能的应变传感器——硅基谐振式应变传感器

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工欲善其事,必先利其器。在全球化的今天,专利已不仅仅是创新的一种保护手段,它已成为商业战场中的利器。麦姆斯咨询倾情打造MEMS、传感器以及物联网领域的专利运营平台,整合全产业链知识产权资源,积极推动知识产权保护与有效利用。应变传感器又称应变计(strain gauge)是一种常用的传感器,它利用了弹性材料(金属、合金、半导体或者金属陶瓷)的压阻特性来检测被测结构的正应变与剪切应变,它广泛应用 于结构健康监测中,覆盖的应用领域包括土木工程、机械、航天、医疗以及可穿戴系统等。相比于传统的应变片,硅基谐振式应变传感器具有灵敏度高、温漂小、准数字化输出、抗干扰能力强等特点,是一类高性能的应变传感器。硅基谐振式应变传感器一般采用双端固支音叉结构(Double Ended Tuning Fork,DETF) 的谐振式传感器。通过将两根双端固支梁并联,并使两根梁的振动反相,形成音叉结构,来 获得较高的品质因数(Q值)。目前,硅基谐振式应变传感器的主要问题在于,硅微机械结构受空气阻尼的影响较大,在常压下难以获得较高的Q值,必须采用真空封装,而目前较成熟的微机械真空封装技术一般需要超过 400度的高温工艺或者需要使用低渗透率的封装材料并结合吸气剂,这两类工艺与硅基谐振式应变传感结构的兼容性较差。日本横河电机株式会社研制的高精度谐振式压力传感器中采用了一种H型谐振式应变敏感结构。该结构采用均质的H型梁,通过电磁驱动使H型梁的4个臂振动,通过电磁检测振动频率随应力的变化。由于该结构为均质硅结构,没有金属引线,可以采用高温的硅外延工艺实现真空封装。但是,该结构必须采用电磁驱动、电磁检测,当用作应变传感器时,电磁铁的封装难度大。【推荐发明专利】《耦合谐振的谐振式应变传感器》【发明内容】鉴于以上现有技术的缺点,本发明提供了一种耦合谐振的谐振式应变传感器,以实现一种可采用高温工艺真空封装、高Q值、高分辨率、高灵敏度、长期稳定性好的压阻检测谐振式应变传感器。

本发明的工字型谐振式应变传感器结构的立体示意图本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器的结构包括:两根敏感梁,各敏感梁的两端被固定支撑;检测梁,连接于上述两根敏感梁之间。其中,敏感梁工作于对应力敏感的横振动模态,检测梁工作于整体压阻效应显著的纵振动模态,敏感梁横振动模态与检测梁纵振动模态的共振频率近似相等,敏感梁与检测梁形成耦合谐振,外加驱动使整个结构以耦合谐振频率振动,敏感梁中的应力会改变敏感梁的共振频率,整个结构的耦合谐振频率随之改变,利用检测梁的压阻效应测量耦合谐振频率就可以测得应力值,进而计算得到应变。本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器,可以采用均质的硅材料制成,结构上不需要制作金属引线,与高温真空封装工艺兼容,谐振结构的驱动可以采用静电驱动、电热驱动和电磁驱动等多种方式,采用压阻检测。因此,本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器具有可采用高温工艺真空封装、高Q值、高分辨率、高灵敏度、长期稳定性好等优点,在应力检测领域具有广泛的应用前景。【相关专利】《基于量程拓展的谐振式应变结构、应变传感器及制备方法》

 

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