專利名稱：一種厚膜三軸向傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及用于車輛、測(cè)量?jī)x器、機(jī)器人及航空航天等方面的傳感器領(lǐng)域，尤其是涉及汽車氣囊安全系統(tǒng)和底盤控制的厚膜三軸向加速度傳感器。
本實(shí)用新型的背景技術(shù)是近年來(lái)在汽車工業(yè)上對(duì)三軸向加速度傳感器的需求越來(lái)越高，以半導(dǎo)體微機(jī)械加工技術(shù)制作的壓阻式三軸向加速度傳感器應(yīng)運(yùn)而生。該類產(chǎn)品具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在敏感橋路設(shè)計(jì)上可以采用結(jié)構(gòu)上消除各軸向間耦合干擾的方案，操作上也便于批量生產(chǎn)。然而，由于半導(dǎo)體材料所固有的缺點(diǎn)，傳感器的零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移均較大，并且不宜使用在80℃以上，如若克服以上缺點(diǎn)，則傳感器制造的成本將會(huì)大幅度上升。此外，要想獲得高靈敏度的三軸向加速度傳感器，就必然要將彈性形變膜的厚度設(shè)計(jì)的非常薄[如10μm以下]，這使操作過(guò)程的控制十分困難。
本實(shí)用新型的目的是提供一種在對(duì)傳感器的體積和重量的限制不嚴(yán)格的使用場(chǎng)合下，可以采用傳統(tǒng)的厚膜操作、以機(jī)械性能優(yōu)良的陶瓷材料替代半導(dǎo)體硅材料去制作對(duì)三軸向的加速度失量或力失量敏感的傳感器。厚膜力敏電阻的溫度特性可實(shí)現(xiàn)消除三軸向之間機(jī)械耦合的敏感橋路設(shè)計(jì)，對(duì)調(diào)整傳感器和頻率響應(yīng)也十分靈活。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種厚膜三軸向傳感器，包括其敏感元件和與其電連接的X、Y、Z軸向橋路，其特征在于所述的敏感元件被置于陶瓷圓膜片2上，其中X軸向橋路的的敏感元件與Y軸向橋路的敏感元件相互垂直設(shè)置，Z軸向橋路的敏感元件與X軸向或Y軸向的敏感元件呈45度設(shè)置，且X軸向、Y軸向、Z軸向橋路中的敏感元件為等間距設(shè)置所述的與其電連接的X、Y、Z軸向橋路連接是對(duì)應(yīng)于X、Y軸向橋路的電阻R2、R3和R1、R4組成全橋，橋壓加在R1、R2和R4、R3的連接點(diǎn)上，R2、R3和R1、R4的連接點(diǎn)引出輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)于Z軸向橋路的電阻R1、R3和R2、R4組成全橋，橋壓加在R1、R2和R3、R4的連接點(diǎn)上，R1、R3和R2、R4引出輸出信號(hào)陶瓷圓膜片外邊緣的固支結(jié)構(gòu)1，由上下兩個(gè)環(huán)狀瓷件組成，陶瓷圓膜片2置于上下兩個(gè)環(huán)狀瓷件之中，小瓷環(huán)3為空心圓柱置于陶瓷圓膜片2的中心部位，在空心圓柱的小瓷環(huán)3下面旋有質(zhì)量塊4，形成橫截面為E型的陶瓷圓膜片。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案和已有技術(shù)相比所具有的有益效果是可以用低成本實(shí)現(xiàn)以陶瓷材料替代半導(dǎo)體材料、以厚膜操作替代多方面要求很高的半導(dǎo)體微機(jī)械加工操作，從而獲得溫度性能優(yōu)于半導(dǎo)體的可用于三軸向加速度傳感器的厚膜力敏器件。在改變敏感元件設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)整操作十分靈活、費(fèi)用低廉。厚膜力敏電阻的溫度特性和橋路設(shè)計(jì)可消除三軸向之間的機(jī)械耦合，對(duì)調(diào)整傳感器輸出和頻率響應(yīng)也十分靈活。
附圖圖面說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型一體化的陶瓷彈性元件圖。
圖2是圖1所示元件圖中由幾部分陶瓷件組合而成的E型膜片圖。
圖3是圖2所示E型膜片的有效工作部分上的分布與定位示意圖。
圖4是對(duì)應(yīng)X、Y、Z軸向橋路的組橋方式圖。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明圖1為一體化的陶瓷彈性元件，因其截面如同字母E，所以通常將此類形狀的彈性膜片稱為E型膜片。決定傳感器量程的是圖中所標(biāo)注膜片工作部分的厚度h、外環(huán)的內(nèi)徑D和中心圓柱的直徑d。
圖2為由幾部分陶瓷件組合而成的E型膜片，1為外邊緣的固支結(jié)構(gòu)，由上下兩個(gè)環(huán)狀瓷件實(shí)現(xiàn)；2為一陶瓷圓膜片；3為中心部位的小瓷環(huán)；4為質(zhì)量塊，可根據(jù)傳感器量程和對(duì)頻響的要求，選擇重金屬或陶瓷材料，它應(yīng)與小瓷環(huán)旋合在一起。陶瓷圓膜片的彈性變膜厚度設(shè)計(jì)為10μm以下。
圖3是以厚膜操作制作厚膜力敏應(yīng)變電橋在E型膜片有效工作部分上的分布與定位示意圖。在一周邊固之、橫截面為E型的圓膜片上，印刷厚膜電阻，選用釕系電阻漿料和導(dǎo)體漿料，按照與半導(dǎo)體壓阻式三軸向加速度傳感器相類似的組橋方式印刷并組成三組分別對(duì)X.Y.Z三軸向加速度或力矢量具有敏感能力的惠斯登電橋。
X、Y、Z軸向橋路連接是對(duì)應(yīng)于X、Y軸向橋路的電阻R2、R3和R1、R4組成全橋，橋壓加在R1、R2和R4、R3的連接點(diǎn)上，R2、R3和R1、R4的連接點(diǎn)引出輸出信號(hào)。對(duì)應(yīng)于Z軸向橋路的電阻R1、R3和R2、R4組成全橋，橋壓加在R1R2和R3R4的連接點(diǎn)引出輸出信號(hào)。即對(duì)應(yīng)于X、Y軸向橋路的電阻R1連接電阻R2、R3、R4，對(duì)應(yīng)于Z軸向橋路的電阻R1連接電阻R3再連接電阻R4和R2。
厚膜力敏電阻的溫度特性和橋路設(shè)計(jì)可消除三軸向之間機(jī)械耦合，對(duì)調(diào)整傳感器和頻率響應(yīng)也十分靈活。
圖4是組橋方式對(duì)應(yīng)X、Y軸向橋路應(yīng)為圖4a；對(duì)應(yīng)Z軸向橋路應(yīng)為圖4b。
電橋中X、Y軸向施加的力(拉力或壓力)為左右方向的力，Z軸向施加的力(拉力或壓力)為上下方向的力，只要在質(zhì)量塊上施加不同的力即可在電橋上的輸出體現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)F=ma公式可知，F(xiàn)力與質(zhì)量塊m成正比，所施加的質(zhì)量塊m不同，則求出不同的加速度a。
權(quán)利要求1.一種厚膜三軸向傳感器，包括其敏感元件和與其電連接的X、Y、Z軸向橋路，其特征在于所述的敏感元件被置于陶瓷圓膜片(2)上，其中X軸向橋路的的敏感元件與Y軸向橋路的敏感元件相互垂直設(shè)置，Z軸向橋路的敏感元件與X軸向或Y軸向的敏感元件呈45度設(shè)置，且X軸向、Y軸向、Z軸向橋路中的敏感元件為等間距設(shè)置；所述的與其電連接的X、Y、Z軸向橋路連接是對(duì)應(yīng)于X、Y軸向橋路的電阻R2、R3和R1、R4組成全橋，橋壓加在R1、R2和R4、R3的連接點(diǎn)上，R2、R3和R1、R4的連接點(diǎn)引出輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)于Z軸向橋路的電阻R1、R3和R2、R4組成全橋，橋壓加在R1、R2和R3、R4的連接點(diǎn)上，R1、R3和R2、R4引出輸出信號(hào)；陶瓷圓膜片外邊緣的固支結(jié)構(gòu)[1]，由上下兩個(gè)環(huán)狀瓷件組成，陶瓷圓膜片[2]置于上下兩個(gè)環(huán)狀瓷件之中，小瓷環(huán)[3]為空心圓柱置于陶瓷圓膜片[2]的中心部位，在空心圓柱的小瓷環(huán)[3]下面旋有質(zhì)量塊[4]，形成橫截面為E型的陶瓷圓膜片。
專利摘要一種厚膜三軸向傳感器,包括其敏感元件和與其電連接的X、Y、Z軸向橋路,敏感元件部分包括外邊緣的固支結(jié)構(gòu)、陶瓷圓膜片、小瓷環(huán)和質(zhì)量塊。在改變敏感元件設(shè)計(jì)時(shí),敏感元件和X、Y、Z軸向橋路組合成的E型膜片。厚膜力敏電阻的溫度特性和橋路設(shè)計(jì)可消除三軸向之間的機(jī)械耦合,對(duì)調(diào)整傳感器輸出和頻率響應(yīng)十分靈活。
文檔編號(hào)G01D5/12GK2420615SQ0021999
公開日2001年2月21日 申請(qǐng)日期2000年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月13日
發(fā)明者戈瑜, 倪禮賓, 馬軍, 王英先, 申飛, 虞承端, 吳仲誠(chéng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所