CN110907681A - 石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，包括2个音叉谐振器、压电双晶片、底座和门振荡电路，所述2个音叉谐振器沿压电双晶片长度方向对称设置在压电双晶片的上下表面，所述压电双晶片固定在底座上，所述音叉谐振器为双端固定音叉，包含两个音叉振梁，每个音叉振梁的四个面上交替设置正负电极，且在音叉振梁长度的0.224倍和0.776倍的位置处使该面设置的电极反向，所述2个音叉谐振器的正负电极与门振荡电路连接。本发明的输出为数字频率信号，不需要复杂的检测电路，不需要进行A/D转换。

Description

石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器

技术领域

本发明属于电压传感器技术领域，具体为一种石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器。

背景技术

目前常用的电压测量装置包括电阻分压器、电容分压器、电磁式电压互感器以及霍尔式电压传感器等。其中，电阻分压器可用于交直流电压的测量，但由于焦耳热效应，会导致电压测量的不准确性并产生额外的功耗；电容分压器和电磁式电压互感器常用于交流电压的测量，但在遭受过电压时易损坏，危及设备及***的正常运行；霍尔式电压传感器应用霍尔效应的磁平衡原理，把原边高电压成比例转化为副边低电压，广泛应用于电压的隔离测量，但其原边需要匹配一个内置或外置电阻，而该电阻随着测量的电压量程增大，需要的阻值和功率也相应增大，甚至需要加散热片，使得霍尔式电压传感器的适用范围受限。

目前，一些新型的电压传感器也得到了发展。例如基于电光晶体的Pockels效应、Kerr效应等原理的光学电压传感器因体积小、抗电磁干扰能力强等优点受到了广泛关注；使用压电材料和光纤复合的光学电压传感器将逆压电效应引起的晶体形变转化为对光信号的调制，通过检测被调制的光信号，实现对外加电压的测量。但上述光学电压传感器均需要工作光源，且光源强度、光谱的稳定性还会影响传感器的性能。此外，还有频率输出的电压传感器，例如日本的Yuuki Wada等人借鉴谐振陀螺传感器利用静电力调控谐振频率的原理，通过外加电压作用下静电力引起MEMS硅谐振器横向位移产生的频移来测量电压，在0-420V范围内谐振频率变化可达2.5kHz(参考文献：Wada Y,Nobunaga N,Kumagai S,etal.MEMS Resonator-Based Insulated Voltage Sensor Withstanding Higher Voltage[J].Electrical Engineering in Japan,2018,203(1):239-244.)。但这种传感器的输出频率与被测电压之间为非线性关系，在实际应用中容易受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器。

实现本发明目的的技术方案为：一种石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，包括2个音叉谐振器、压电双晶片、底座和门振荡电路，所述2个音叉谐振器沿压电双晶片长度方向对称设置在压电双晶片的上下表面，所述压电双晶片固定在底座上，所述音叉谐振器为双端固定音叉，包含两个音叉振梁，每个音叉振梁的四个面上交替设置正负电极，且在音叉振梁长度的0.224倍和0.776倍的位置处使该面设置的电极反向，所述2个音叉谐振器的正负电极与门振荡电路连接。

优选地，所述音叉谐振器包括石英音叉，所述石英音叉两端各设有一个支撑端部，所述支撑端部上设置音叉焊盘。

优选地，所述2个音叉谐振器的正负电极通过音叉焊盘与门振荡电路连接。

优选地，所述压电双晶片包括两个长条形压电片和一个支撑片，所述支撑片设置在两个长条形压电片之间，且两个长条形压电片表面均镀有金属电极。

优选地，所述两个长条形压电片均沿厚度方向极化，且粘接到支撑片上时，两个压电片的极化方向相反。

优选地，所述音叉谐振器选用氮化铝、硅或石英材料设计音叉结构以及音叉激振焊盘。

优选地，音叉谐振器与压电双晶片之间使用垫片隔开。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明的输出为数字频率信号，不需要复杂的检测电路，不需要进行A/D转换；

(2)本发明使用压电双晶片作为一次敏感单元，由于压电材料具有非常高的电阻率，因此电压传感器的输入阻抗非常高，对待测电压几乎没有影响；

(3)本发明对两个谐振器的谐振频率值进行差分处理，能使传感器的灵敏度倍增，并有效降低温度漂移对传感器测量精度的影响；

(4)本发明中音叉谐振器的谐振频率为几十千赫兹甚至上百千赫兹，远高于环境噪声，即使采用滤波器降噪，仍能保持宽带宽和快速响应，因此这种通过频率测量实现电压测量的方法，具有先天对噪声不灵敏的优点，抗干扰能力强，适合在恶劣电磁环境下使用。

附图说明

图1是实施例的结构示意图。

图2是本发明中传感器敏感元件结构示意图。

图3是本发明中音叉谐振器结构示意图。

图4是本发明中压电双晶片结构示意图。

图5是本发明中音叉谐振器与门振荡电路的连接示意图。

图6是本发明传感器原理样件的灵敏度曲线示意图。

图7是本发明传感器原理样件的分辨率示意图。

其中，音叉谐振器单元1，音叉11，音叉焊盘12，音叉焊盘13，固定端部14；压电双晶片2，压电片21，支撑片22，垫片3，固定底座4，门振荡电路5。

具体实施方式

一种石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，包括2个音叉谐振器1、压电双晶片2、固定底座4和门振荡电路5。两个音叉谐振器1分别沿长度方向居中对称的设置在压电双晶片2的上下表面上；所述压电双晶片2通过支撑片的两个支撑端部固定到固定底座4上；待测电压直接施加在压电双晶片2的上下表面上。两个音叉谐振器1上的正负电极与门振荡电路5相连。

为了减少谐振过程中的能量损耗，石英音叉11为双端固定音叉，包含两个音叉振梁，每个音叉振梁具有四个面，在音叉振梁的每个面上分别涂布有电极，其中两个为正电极，另两个为负电极。四个面的正负电极以“正-负-正-负”方式交替设计；为了使音叉的两个振梁工作在反相弯曲振动模态，需要在音叉振梁应力为零处即音叉振梁长度的0.224倍和0.776倍的位置处使涂布的电极反向，即由“正-负-正-负”的交替间隔方式变为“负-正-负-正”的交替间隔方式或由“负-正-负-正”的交替间隔方式变为“正-负-正-负”的交替间隔方式。当正负电极被接入振荡电路时，以0.224倍和0.776倍音叉振梁长度位置为分界点，振梁内部的电极化方向发生反转，致使由于逆压电效应在振梁内部产生的应力分布方向也发生反转，从而诱发出两根振梁振动方向相反、振形对称的弯曲振动模态。音叉的两个振梁工作在弯曲振动模态时，振梁的振动方向相反且相位相差180°，梁上的弯矩和剪切应力相反，两根振梁的端部结合部位的应力和弯矩完全抵消，耦合到两个固定端的能量耗散极少，极大的降低了器件制备时谐振器双端粘接固定的影响，有效提高了传感器的Q值。

进一步的实施例中，所述音叉谐振器1为石英音叉11，石英音叉11两端各设有一个支撑端部14，两个支撑端部14上均设置一个音叉焊盘12和一个音叉焊盘13；两个音叉谐振器1上的正负电极通过音叉焊盘与门振荡电路5相连。

进一步的实施例中，为了便于激励石英音叉11振梁振动和检测振梁表面电极中的电信号，石英音叉11的两根振梁上的正电极全都引出的音叉焊盘12上，负电极全都引出到焊盘13上。。

进一步的实施例中，所述压电双晶片2包括两个长条形压电片21和一个支撑片22，所述支撑片22设置在两个长条形压电片21之间，且两个长条形压电片21上均镀有金属电极。

进一步的实施例中，为了使待测电压施加到压电双晶片2的上下表面上时，压电双晶片2能产生弯曲变形，组成压电双晶片2的两个长条形压电片21均沿厚度方向极化，且粘接到支撑片22上时，两个压电片21的极化方向相反。

进一步的实施例中，音叉谐振器1选用氮化铝、硅或石英材料设计音叉结构以及音叉激振焊盘。

优选地，为了获得更大的灵敏度和承受更高的电压，压电双晶片的材料可以是PZT，PMN-PT等具有高阻抗，高压电常数d₃₁的材料。

进一步的实施例中，音叉谐振器1与压电双晶片2之间使用垫片3隔开。

将两个音叉谐振器1沿长度方向居中对称粘接在压电双晶片2后，通过支撑片22的支撑端部固定在固定底座4上，当给压电双晶片2施加电压时，压电双晶片2由于逆压电效应产生的应力/应变传递到两个音叉谐振器1的纵向上，使两个音叉谐振器1分别受到拉伸和压缩，从而改变两个音叉谐振器1的谐振频率。音叉谐振器1通过音叉焊盘12、13与门振荡电路5相连，输出数字频率信号；使用计数器或频率计可直接读出两个谐振器的频率值，进行差分处理后即可实现对电压的测量。

本发明将压电双晶片在电压作用下发生弯曲变形而产生应力/应变传递到音叉谐振器的纵向上，使两个音叉谐振器的谐振频率分别增大和减小。音叉谐振器通过门振荡电路能够直接输出数字频率信号。使用计数器或频率计直接读出两个谐振器的频率值，经差分处理后，即可实现对电压的测量。

本发明由压电双晶片和两个音叉谐振器复合而成。谐振器使用门振荡电路激励，仅需要超低的功率(3V,150μW)；传感器具有较高的输入阻抗，对被测电压几乎没有影响；传感器输出数字频率信号，抗干扰能力强。

实施例

如图1所示，本实施例中，一种石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器采用“音叉谐振器1-压电双晶片2-音叉谐振器1”的三明治结构连接方式复合在一起，即压电双晶片2设置在两个音叉谐振器1之间。

为了避免音叉谐振器1的振梁与压电双晶片2的表面接触从而导致谐振器无法起振或损坏等情况发生，在音叉谐振器1与压电双晶片2之间使用垫片3隔开。优选的，为了获得更好的应力/应变传递效果，垫片3的材质与音叉谐振器1相同，且垫片3的大小与固定端部14一样。

为了保证两个音叉谐振器1的纵向受力均匀，两个音叉谐振器1相对于压电双晶片2呈中心轴对称分布，如图2所示。

本实施例中音叉谐振器1为采用高Q值的石英材料设计的一体式结构，如图3所示，包括石英音叉11，石英音叉11两端各具有一个支撑端部14，两个支撑端部14上均设置音叉焊盘12和音叉焊盘13。

音叉的两个振梁工作在弯曲振动模态时，振梁的振动方向相反且相位相差180°，梁上的弯矩和剪切应力相反，两根振梁的端部结合部位的应力和弯矩完全抵消，耦合到两个固定端的能量耗散极少，极大的降低了器件制备时谐振器双端粘接固定的影响，有效提高了传感器的Q值。并且音叉的谐振频率在几十千赫兹，远高于环境噪声，即使采用滤波器降噪，仍能保持宽带和快速响应。

为了便于激励石英音叉振梁振动和检测振梁表面电极中的电信号，正负电极分别引出到焊盘12和焊盘13。

有利的，可通过检测支撑端部14同一端的音叉焊盘12和音叉焊盘13是否导通，以及两端正对的两个音叉焊盘12(或音叉焊盘13)之间的电阻值来判断表面电极的制作质量。

如图4所示，压电双晶片2由两个长条形压电片21和一个支撑片22以上下叠层的方式粘合而成，且压电片21的上下表面分别镀有金属电极。

需要强调的是，为了使待测电压施加到压电双晶片2的上下表面上时，压电双晶片2能产生弯曲变形，组成压电双晶片2的两个长条形压电片21均沿厚度方向极化且粘接到支撑片22上时，两个压电片21的极化方向相反，如图4所示。

特别有利的，压电片21的材料可以是PZT，PMN-PT等具有高阻抗，高压电常数d₃₁的材料；支撑片22可以是铜，铝等金属材料，且含有两个固定端方便传感器固定到底座上。

当外界被测电压施加到压电双晶片2的上下表面上时，组成压电双晶片2的两个压电片21由于逆压电效应而分别伸长和缩短，导致压电双晶片2产生弯曲变形。压电双晶片2由弯曲产生的应力/应变传递到两个音叉谐振器1上，使两个石英音叉11分别受到拉伸和压缩。在力-频率效应下两个音叉谐振器1的谐振频率发生改变。

有利的，分别将两个谐振器的音叉焊盘12和音叉焊盘13与门振荡电路5相连，如图5所示。图5中视图A为位于压电双晶片下表面的谐振器的音叉激振焊盘与门振荡电路的连接图示。

可采用如图5虚线框内所示的门电路作为门振荡电路5。它使用CMOS反相器作为有源元件。在原理上，门振荡电路5由放大器和反馈网络组成。反馈电阻用于确保反相器工作在其线性区域并且能作为一个放大器工作。当闭环增益等于或者大于1且放大器和反馈网络的总相移为0或者2π(360度)的整数倍时，振荡电路输出数字频率信号，信号的频率取决于石英音叉11的谐振频率。特别有利的，这种门振荡电路仅需要极低的功耗(3V,150μW)来激励谐振器产生谐振。

可选的，门振荡电路还可以是皮尔斯振荡电路，考毕兹振荡电路和克拉普振荡电路等。

进一步的，使用计数器或频率计读取两个谐振器的谐振频率，进行差分处理后即可实现对电压的测量。

需要说明的是，本实施例的传感器与门振荡电路分立设置，实际应用中可以将两者加工成一体式结构

图6是本发明传感器原理样件的电压响应曲线。实验过程中施加电压范围为±700V，两个谐振器的谐振频率分别变化了498Hz和551Hz，对应的电压灵敏度分别为0.356Hz/V和0.394Hz/V。对采集到的两个谐振器的谐振频率值进行差分处理后，传感器差分频率变化值为1049Hz，电压灵敏度得到了倍增，为0.75Hz/V。

图7是本发明传感器原理样件的分辨率；本发明可以分辨以0.1V为一个阶梯变化的直流电压，分辨率达到了测试满量程(±700V)的0.007％。

Claims (7)

1.一种石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，其特征在于，包括2个音叉谐振器(1)、压电双晶片(2)、底座(4)和门振荡电路(5)，所述2个音叉谐振器沿压电双晶片(2)长度方向对称设置在压电双晶片(2)的上下表面，所述压电双晶片(2)固定在底座(4)上，所述音叉谐振器(1)为双端固定音叉，包含两个音叉振梁，每个音叉振梁的四个面上交替设置正负电极，且在音叉振梁长度的0.224倍和0.776倍的位置处使该面设置的电极反向，所述2个音叉谐振器(1)的正负电极与门振荡电路(5)连接。

2.根据权利要求1所述的石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，其特征在于，所述音叉谐振器(1)包括石英音叉(11)，所述石英音叉(11)两端各设有一个支撑端部(14)，所述支撑端部(14)上设置音叉焊盘(12)。

3.根据权利要求2所述的石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，其特征在于，所述2个音叉谐振器(1)的正负电极通过音叉焊盘(12)与门振荡电路(5)连接。

4.根据权利要求1所述的石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，其特征在于，所述压电双晶片(2)包括两个长条形压电片(21)和一个支撑片(22)，所述支撑片(22)设置在两个长条形压电片(21)之间，且两个长条形压电片(21)表面均镀有金属电极。

5.根据权利要求4所述的石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，其特征在于，所述两个长条形压电片(21)均沿厚度方向极化，且粘接到支撑片(22)上时，两个压电片(21)的极化方向相反。

6.根据权利要求1所述的石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，其特征在于，所述音叉谐振器(1)选用氮化铝、硅或石英材料设计音叉结构以及音叉激振焊盘。

7.根据权利要求1所述的石英音叉与压电双晶复合的差分谐振式电压传感器，其特征在于，音叉谐振器(1)与压电双晶片(2)之间使用垫片(3)隔开。

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