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CN107036739A - 一种利用压电原理测量压力的压力传感器及其工作方法 - Google Patents

一种利用压电原理测量压力的压力传感器及其工作方法 Download PDF

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CN107036739A
CN107036739A CN201710406043.3A CN201710406043A CN107036739A CN 107036739 A CN107036739 A CN 107036739A CN 201710406043 A CN201710406043 A CN 201710406043A CN 107036739 A CN107036739 A CN 107036739A
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CN
China
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conductor layer
cantilever beam
pressure
fixedly connected
cavity
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Pending
Application number
CN201710406043.3A
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English (en)
Inventor
聂萌
夏云汉
杨恒山
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Southeast University
Original Assignee
Southeast University
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor

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Abstract

本发明公开了一种利用压电原理测量压力的压力传感器及其工作方法，结构简单，且利用压电原理，实现将压力量转化为电学量进行测量，易于实现。本发明的压力传感器包括衬底，可动薄膜、下导体层、中导体层、悬臂梁和上导体层，其中，衬底的上部设有空腔，可动薄膜固定连接在衬底的顶面，且可动薄膜覆盖在空腔上；悬臂梁固定连接在衬底的顶面，且悬臂梁位于空腔上方，下导体层固定连接在可动薄膜上，中导体层固定连接在悬臂梁的底面，下导体层和中导体层相对，上导体层固定连接在悬臂梁的顶面。

Description

一种利用压电原理测量压力的压力传感器及其工作方法
技术领域
本发明涉及压力传感器，具体来说，涉及一种利用压电原理测量压力的压力传感器及其工作方法。
背景技术
在利用硅微加工技术实现的产品中，压力传感器是发展最早的一类。传统的压力传感器有压阻式，电容式，谐振式等，根据特点可应用于不同场合。这些传统传感器的电阻存在温漂，微小电容检测难度大等缺点。
发明内容
技术问题：本发明需要解决的技术问题是，提供一种利用压电原理测量压力的压力传感器及其工作方法，结构简单，且利用压电原理，实现将压力量转化为电学量进行测量，易于实现。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是：
一种利用压电原理测量压力的压力传感器，包括衬底，可动薄膜、下导体层、中导体层、悬臂梁和上导体层，其中，衬底的上部设有空腔，可动薄膜固定连接在衬底的顶面，且可动薄膜覆盖在空腔上；悬臂梁固定连接在衬底的顶面，且悬臂梁位于空腔上方，下导体层固定连接在可动薄膜上，中导体层固定连接在悬臂梁的底面，下导体层和中导体层相对，上导体层固定连接在悬臂梁的顶面。
作为优选例，所述的下导体层位于空腔的正上方。
作为优选例，所述的空腔的顶面为可动薄膜。
本发明实施例还提供一种压力传感器的工作方法，包括：当外界压力施加在传感器表面时，可动薄膜发生弯曲，悬臂梁与可动薄膜的间距发生改变；然后在下导体层、中导体层上施加激励电压，产生的静电引力使悬臂梁向下位移；在悬臂梁发生位移形变时，通过中导体层和上导体层测量感应电压；通过所述感应电压获得外界压力值。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明结构简单，只有衬底，薄膜，压电悬臂梁等组成部分利用压电效应的原理，在一些适合进行电压与电流测试的场合用起来及其方便。本传感器提出一种新的传感器结构，利用压电原理测量压力的压力传感器及其工作方法，其结构简单，响应速度快；且利用压电原理，实现将压力量转化为电学量进行测量，易于实现，也避免了传统传感器的电阻存在温漂，微小电容检测难度大等缺点。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图中有：衬底1、空腔101、可动薄膜2、下导体层3、中导体层4、悬臂梁5、上导体层6。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明实施例的利用压电原理测量压力的压力传感器，包括衬底1，可动薄膜2、下导体层3、中导体层4、悬臂梁5和上导体层6。衬底1的上部设有空腔101，可动薄膜2固定连接在衬底1的顶面，且可动薄膜2覆盖在空腔101上；悬臂梁5固定连接在衬底1的顶面，且悬臂梁5位于空腔101上方，下导体层3固定连接在可动薄膜2上，中导体层4固定连接在悬臂梁5的底面，下导体层3和中导体层4相对，上导体层6固定连接在悬臂梁5的顶面。
上述实施例的压力传感器工作时，当外界压力施加在传感器表面时，可动薄膜2发生弯曲，悬臂梁5与可动薄膜2的间距发生改变；然后在下导体层3、中导体层4上施加激励电压，下导体层3和中导体层4之间产生的静电引力，使悬臂梁5向下位移。在悬臂梁5发生位移形变时，通过中导体层4和上导体层6测量感应电压；通过所述感应电压获得外界压力值。
上述工作过程中，在悬臂梁5发生位移形变的时候，悬臂梁5中会产生感应电压Vout。悬臂梁5采用压电材料制成。当悬臂梁5发生位移的时候会有电压产生。通过中间导体层4和上导体层6可以测量得到感应电压Vout。感应电压Vout的大小与悬臂梁5位移形变量有直接关系。悬臂梁5可以位移形变的大小由g。决定，g。受可动薄膜2的形变控制，可动薄膜2受外界压力P控制。也就是说，感应电压Vout与外界压力P之间是一一对应的关系，如表1所示。
表1
感应电压Vout 外界压力P
Vout1 P1
Vout2 P2
… …
这样，只要测出悬臂梁5发生形变时的感应电压Vout值，就可以通过表1测出外界压力P，实现压力测量的目的。
作为优选例，所述的下导体层3位于空腔101的正上方。所述的空腔101的顶面为可动薄膜2。当外界压力施加在空腔101正上方的可动薄膜2上时，可动薄膜2发生形变。当下导体层3位于空腔101的正上方时，其位移量最大，能够更加精准的测量外界压力。
本发明实施例的压力传感器采用衬底上的可动薄膜2作为压力敏感膜。本发明实施例的压力传感器中，悬臂梁5由压电材料构成，其上下各设有一层导体材料。本发明由于悬臂梁为压电材料，所以当悬臂梁发生形变时，其产生感应电压。本发明利用压电原理对压力进行测量。这种测量方式重点是把对于压力的测量转换为对电压的测量，操作方便，适合各种方便测量电压的场合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种利用压电原理测量压力的压力传感器，其特征在于，该压力传感器包括衬底(1)，可动薄膜(2)、下导体层(3)、中导体层(4)、悬臂梁(5)和上导体层(6)，其中，
衬底(1)的上部设有空腔(101)，可动薄膜(2)固定连接在衬底(1)的顶面，且可动薄膜(2)覆盖在空腔(101)上；悬臂梁(5)固定连接在衬底(1)的顶面，且悬臂梁(5)位于空腔(101)上方，下导体层(3)固定连接在可动薄膜(2)上，中导体层(4)固定连接在悬臂梁(5)的底面，下导体层(3)和中导体层(4)相对，上导体层(6)固定连接在悬臂梁(5)的顶面。
2.按照权利要求1所述的利用压电原理测量压力的压力传感器，其特征在于，所述的下导体层(3)位于空腔(101)的正上方。
3.按照权利要求1所述的利用压电原理测量压力的压力传感器，其特征在于，所述的空腔(101)的顶面为可动薄膜(2)。
4.一种权利要求1所述的压力传感器的工作方法，其特征在于，该方法包括：当外界压力施加在传感器表面时，可动薄膜(2)发生弯曲，悬臂梁(5)与可动薄膜(2)的间距发生改变；然后在下导体层(3)、中导体层(4)上施加激励电压，产生的静电引力使悬臂梁(5)向下位移；在悬臂梁(5)发生位移形变时，通过中导体层(4)和上导体层(6)测量感应电压；通过所述感应电压获得外界压力值。
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