一種三軸聲表面波加速度傳感器制造技術

本發明專利技術涉及一種三軸聲表面波加速度傳感器，包括：第一單軸加速度傳感器(1)、第二單軸加速度傳感器(2)、第三單軸加速度傳感器(3)、參考傳感器(4)和傳感器管座(5)；其中，第一單軸加速度傳感器(1)放置于傳感器管座(5)上，懸臂梁與傳感器管座(5)平面平行；第二單軸加速度傳感器(2)與第三單軸加速度傳感器(3)放置于傳感器管座(5)上，其懸臂梁與傳感器管座(5)平面垂直；第二單軸加速度傳感器(2)的懸臂梁與第三單軸加速度傳感器(3)的懸臂梁相互垂直；參考傳感器(4)放置于傳感器管座(5)上。本發明專利技術具有高靈敏度、制作成本低、抗振動能力好、使用壽命長、環境適應能力強以及良好的穩定性和可靠性等特點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種三軸聲表面波加速度傳感器，尤其是涉及一種高靈敏度的懸臂梁式三軸聲表面波加速度傳感器。
技術介紹
目前，三軸加速度傳感器(三軸加速度計)大多采用壓阻式和電容式加速度傳感器的工作原理，產生的加速度正比于電阻和電容的變化，通過相應的放大和濾波電路進行采集。三軸加速度傳感器具有體積小和重量(克gm)輕的特點，可以測量空間加速度，能夠全面準確反映物體的運動性質，在航空航天、機器人、汽車和醫學等領域得到廣泛的應用。同時，在娛樂和汽車電子的裝置中同樣需要三軸加速度傳感器，特別是聲表面波三軸加速度傳感器。聲表面波加速度傳感器的基本原理是，懸臂梁一端固定在基底上，另一端的質量塊振動。懸臂梁上的聲表面波傳感器通過懸臂梁的振動使得聲的傳播速度發生變化，這個變化量與懸臂梁振動線性相關。而聲表面波三軸加速度傳感器相較于傳統的微機械式三軸加
速度傳感器，具有更好的溫度穩定特性。在現有技術中，三軸加速度傳感器通過將三個結構相同但彼此無關聯的單軸加速度傳感器，放置在一個共同的芯片上，該芯片即可針對三個不同方向的加速度測試。基于聲表面波技術的加速度傳感器相對于其他類型如壓阻式加速度傳感器、電容式加速度傳感器、傳統的微機械式三軸加速度傳感器而言，具有高靈敏度、制作成本低、抗振動能力好、使用壽命長、環境適應性強以及良好的穩定性和與可靠性、高靈敏度且具有低溫漂等特性。
技術實現思路
本專利技術的目的是為解決現有的三軸傳感器在實際使用過程中不能檢測到符合實際應用的最小加速度和當環境溫度變化時造成輸出信號有很大誤差的問題。為實現上述目的，本專利技術提供了一種三軸聲表面波加速度傳感器，該傳感器包括：第一單軸加速度傳感器、第二單軸加速度傳感器、第三單軸加速度傳感器、參考傳感器和傳感器管座；其中，第一單軸加速度傳感器放置于傳感器管座上，其懸臂梁與傳感器管座平面平行；第二單軸加速度傳感器與第三單軸加速度傳感器放置于傳感器管座上，其懸臂梁與傳感器管座平面垂直；第二單軸加速度傳感器的懸臂梁與第三單軸加速度傳感器的懸臂梁相互垂直；參考傳感器放置于傳感器管座上。本專利技術的有益效果是，具有高靈敏度，在實際使用過程中可以檢測到最小加速度；對環境的適應性強，具有良好的穩定性和低溫漂性，當環境溫度變化時引起輸出信號的誤差較小。附圖說明圖1是本專利技術的具體實施方式提供的三軸聲表面波加速度傳感器的總體結構示意圖；圖2是本專利技術的具體實施方式提供的三軸聲表面波加速度傳感器中單軸加速度傳感器的結構示意圖；圖3是本專利技術的具體實施方式提供的三軸聲表面波加速度傳感器中參考傳感器的結構示意圖；圖4是本專利技術的具體實施方式提供的三軸聲表面波加速度傳感器的溫度特性示意圖；圖5是本專利技術的具體實施方式提供的三軸聲表面波加速度傳感器的靈敏度特性示意圖。具體實施方式下面通過附圖和實施例，對本專利技術的技術方案做進一步的詳細描述。圖1為三軸聲表面波加速度傳感器的總體結構示意圖。如圖1所示，
三軸聲表面波加速度傳感器包括第一單軸加速度傳感器1、第二單軸加速度傳感器2、第三單軸加速度傳感器3、參考傳感器4、傳感器管座5。第一單軸加速度傳感器1、第二單軸加速度傳感器2和第三單軸加速度傳感器3結構相同。其中，第一單軸加速度傳感器1放置于傳感器管座5上，其懸臂梁與傳感器管座5平面平行；第二單軸加速度傳感器2與第三單軸加速度傳感器3放置于傳感器管座5上，其懸臂梁與傳感器管座5平面垂直；第二單軸加速度傳感器2的懸臂梁與第三單軸加速度傳感器3的懸臂梁相互垂直；參考傳感器4放置于傳感器管座5上。優選的，第一單軸加速度傳感器1、第二單軸加速度傳感器2、第三單軸加速度傳感器3中的聲表面波器件工作頻率為300兆茲(MHz)。優選的，參考傳感器4的聲表面波器件工作頻率為301兆茲(MHz)。圖2為三軸聲表面波加速度傳感器中單軸加速度傳感器的結構示意圖。如圖2所示，第一單軸加速度傳感器1或第二單軸加速度傳感器2或第三單軸加速度傳感器3、包括第一聲表面波傳感器11，第一壓電基片12，質量塊13，金屬基座14，吸聲膠151和吸聲膠152。具體的，第一壓電基片12的一端固定在金屬基座14上，另一端自由懸空，質量塊13粘在懸空端。第一聲表面波傳感器11積淀于第一壓電基片12靠近金屬基座14的位置。第一聲表面波傳感器11的左右兩側分別放置吸聲膠151和吸聲膠152。金屬基座14固定在傳感器管座5上。優選的，第一聲表面波傳感器11的第一雙端諧振器積淀于第一壓電基片12上，電極制作材料為鋁。優選的，金屬基座14位置要剛好放在第一聲表面波傳感器11的第一叉指換能器111，和第二叉指換能器112中間，以確保加速度傳感器靈敏度最大。優選的，第一壓電基片12的尺寸為長度13毫米(mm)，寬度2毫米(mm)，厚度0.3毫米(mm)，質量塊13為0.9克(g)，以確保加速度傳感器靈敏度最大。優選的，其中第一壓電基片12和第二壓電基片22采用35°Y切石英壓電材料為基底制作，在20℃～50℃之間穩定性非常好。在此期間傳感器具有較小的溫度漂移。其中第一聲表面波傳感器11包括第一叉指換能器111、第二叉指換能器112、第一短路反射柵113和第二短路反射柵114。具體的，第一叉指換能器111和第二叉指換能器112結構完全相同，每個換能器分別包括39對第一叉指電極對116。第一叉指電極對116包括2個寬度為2.6微米(um)，間距為2.6微米(um)的電極。具體的，每個短路柵反射器包括329條寬度為2.6微米(um)，間距為2.6微米(um)的電極。懸臂梁式三軸聲表面波加速度傳感器工作基本原理如下：第一單軸加速度傳感器1，第二單軸加速度傳感器2，第三單軸加速度傳感器3分別感應Z方向、X方向、Y方向加速度的變化。具體的，以第一單軸加速度傳感器1為例，質量塊13由于受到振動或者旋轉引起的慣性力或者哥氏力作用時，振動引起懸臂梁第一壓電基片12沿施力方向產生一個位移，也就是使得懸臂梁第一壓電基片12發生彎曲變形，從而改變第一聲表面波傳感器11的第一叉指換能器111和第二叉指換能器112距離以及第一壓電基片12表面應力分布，導致聲傳播時延發生變化。變化的時延導致第一聲表面波傳感器11電信號的相位變化，相位變化的頻率與第一壓電基片12的諧振頻率相同，而且相位變化的幅度與第一壓電基片12的振動幅度成正比。通過測量相位變化可以反映外界加速度變化。在這個過程中，參考傳感器4由于被粘貼于傳感器管座5上，第二聲表面波傳感器21的電信號相位不變。然而三軸聲表面波加速度傳感器在此期間可能會受到溫度、濕度等多種變化條件干擾，因此第一單軸加速度傳感器1的輸出信號最終采用第一聲表面波傳感器11與第二聲表面波傳感器21的差值，以消除外界溫濕度變化帶來的影響。同理，第二單軸加速度傳感器2，第三單軸加速度傳感器3的輸出也分別與第二聲表面波傳感器21取差值，得到最終輸出。圖3為三軸聲表面波加速度傳感器中參考傳感器的結構示意圖。如圖
3所示，參考傳感器4包括第二聲表面波傳感器21，第二壓電基片22，吸聲膠231和吸聲膠232。具體的，第二聲表面波傳感器21積淀于第二壓電基片22上，第二聲表面波傳感器21的左右兩側分別放置吸聲膠231和吸聲膠232。具體的，第二聲表面本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，包括：第一單軸加速度傳感器(1)、第二單軸加速度傳感器(2)、第三單軸加速度傳感器(3)、參考傳感器(4)和傳感器管座(5)；其中，所述第一單軸加速度傳感器(1)放置于傳感器管座(5)上，其懸臂梁與傳感器管座(5)平面平行；所述第二單軸加速度傳感器(2)與第三單軸加速度傳感器(3)放置于傳感器管座(5)上，其懸臂梁與傳感器管座(5)平面垂直；所述第二單軸加速度傳感器(2)的懸臂梁與第三單軸加速度傳感器(3)的懸臂梁相互垂直；所述參考傳感器(4)放置于傳感器管座(5)上。

【技術特征摘要】
1.一種三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，包括：第一單軸加速度傳感器(1)、第二單軸加速度傳感器(2)、第三單軸加速度傳感器(3)、參考傳感器(4)和傳感器管座(5)；其中，所述第一單軸加速度傳感器(1)放置于傳感器管座(5)上，其懸臂梁與傳感器管座(5)平面平行；所述第二單軸加速度傳感器(2)與第三單軸加速度傳感器(3)放置于傳感器管座(5)上，其懸臂梁與傳感器管座(5)平面垂直；所述第二單軸加速度傳感器(2)的懸臂梁與第三單軸加速度傳感器(3)的懸臂梁相互垂直；所述參考傳感器(4)放置于傳感器管座(5)上。2.根據權利要求1所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，所述第一單軸加速度傳感器(1)、第二單軸加速度傳感器(2)或第三單軸加速度傳感器(3)包括第一聲表面波傳感器(11)、第一壓電基片(12)、質量塊(13)和金屬基座(14)；所述第一壓電基片(12)的一端固定在所述金屬基座(14)上，另一端自由懸空；所述質量塊(13)粘在懸空端；所述第一聲表面波傳感器(11)積淀于所述第一壓電基片(12)靠近金屬基座(14)的位置；所述第一聲表面波傳感器(11)的左右兩側分別放置吸聲膠(151)和吸聲膠(152)。3.根據權利要求2所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，所述第一聲表面波傳感器(11)包括第一叉指換能器(111)、第二叉指換能器(112)、第一短路反射柵(113)和第二短路反射柵(114)。4.根據權利要求3所述的三軸聲表面波加速度傳感器，其特征在于，所述第一叉指換能器(111)和第二叉指換能器(112)結構相同，所述第一叉指換能器(111)和第二叉指換能器(112)分別包括39對第一叉指電極對(116)；或所述第一短路反射柵(113)和所述第二短路反射柵(114)包括329條寬度為1/4λx，間距為1/4λx的電極；或所述第一叉指電極對(116)包括兩個寬度為1/4λx，間距為1/4λx的電極；其中λx為沿聲波傳播方向的聲波波長。5.根據權利要求1所述的三軸...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王文，黃楊青，劉鑫璐，薛蓄峰，
申請(專利權)人：中國科學院聲學研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11