[发明专利]一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器。

背景技术

传统的压电式传感器利用某些电介质材料具有受力后具有压电效应的现象制成。压电效应是指某些电介质在受到一定方向上外力作用而变形(弯曲或者伸缩变形)时，由于内部电荷发生极化而在其表面上产生电荷聚集的现象。压电传感器就是通过测量表面电荷，利用力电耦合关系实现其它非电量的测量。压电式传感器具有小体积，小质量，耗能小，对于动态测量敏感度高，适合于宽频域的瞬态周期性力测量，广泛应用在力学、声学、医学、宇航和国防等方面。压电式传感器是一种无源传感器，并且压电式传感器通常就是利用压电材料的正压电效应制成。

虽然压电材料具有优越的力电转换效应，但是在晶体学中，压电效应仅存在于具有非中心对称结构的晶体，这样极大的限制了材料的选取和利用。天然存在的压电材料压电效应非常微弱，压电率太低，很难用于实际检测。目前广泛使用的压电材料主要有石英晶体、压电高分子和压电陶瓷等材料。在实际工业应用中，所采用的压电材料大多为镐钛酸铅类的压电陶瓷，然而镐钛酸铅含有重金属铅，容易对环境和人类健康造成伤害。

挠曲电效应和压电效应不同，是由于应变梯度或者是非均匀的应变场引起的局部破坏反演对称，从而导致晶体甚至是中心对称的晶体发生极化的现象。挠曲电效应普遍存在于所有的电介质中，包括非压电材料和各向同性材料。挠曲电效应通常定义为：

Pl=μijkl∂ϵij∂xk---(1)]]>

这里μ_ijkl是四阶挠曲电系数张量，ε_ij是材料的弹性应变，x_k是梯度的方向，P_l是引起的电极化。

在国际单位制下，挠曲电系数的单位是C/m。

此处的挠曲电效应严格意义上讲指的是正挠曲电效应，逆挠曲电效应指极化梯度引起的应变现象，此处的挠曲电式传感器基于正挠曲电效应制成的。

挠曲电式传感器和基于正压电效应制成的传统压电式传感器不同，挠曲电式传感器可以选择对环境和人类友好型材料可用来制备。另外一个显著的特点是挠曲电效应与尺寸相关，应变梯度是随着结构尺寸的减小而增大的，小尺寸高灵敏度的挠曲电传感器在实际中可行。另外在传感器承力结构小变形中，由于应变通常非常小，增加了检测的难点，但是小变形大应变梯度的现象是普遍存在的。

发明内容

为了解决上述现有技术上存在的问题，本发明的目的在于提供一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，通过施加压力与金属弹性元件中机械变形的应变梯度(曲率)之间的线性关系测量薄膜上受到的压力，能够准确、简单的实现压力的测量。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，包括测量微压力引起机械变形的金属弹性元件2，在所述金属弹性元件2的顶部粘贴有多层挠曲电介电薄膜6，所述挠曲电介电薄膜6上下表面分别设置有上金属电极7和下金属电极8，所述上金属电极7和下金属电极8之间通过绝缘层5隔开，所述挠曲电介电薄膜6的上金属电极7和下金属电极8分别连接有输出测量电荷信号的引线4，引线4的一端从外壳1引出，所述挠曲电介电薄膜6连同上金属电极7和下金属电极8以及绝缘层5均置于外壳1内，所述金属弹性元件2和外壳1间设置有绝缘垫片9，所述金属弹性元件2下方具有施加压力的压力通道10。

所述金属弹性元件2也置于外壳1内。

所述引线4与挠曲电介电薄膜6的上金属电极7和下金属电极8分别通过引线键合的方式连接。

所述挠曲电介电薄膜6为钛酸锶钡薄膜。

所述挠曲电介电薄膜6粘贴在金属弹性元件2的顶部中央。

所述金属弹性元件2的顶部全部嵌入挠曲电介电薄膜6。