一种微型声发射谐振式电容传感器及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种微型声发射谐振式电容传感器，包括基板，所述基板上平面固定有z方向响应传感单元、y方向响应传感单元和x方向响应传感单元。其中z方向响应传感单元包含可移动上极板和下极板；y方向响应传感单元包含可移动极板和两块固定侧极板；x方向响应传感单元包含可移动极板和两块固定侧极板。在传感器的频率响应范围内，当声波频率与传感器固有频率相近或相等时，可移动电极板能在特定方向发生位移，得到变化的电信号，实现传感器对材料裂纹的三维动态位移检测。本发明专利技术实现了多功能传感单元一体化，结构简单，成本低，稳定性好。

A micro acoustic emission resonant capacitance sensor and its application

【技术实现步骤摘要】
一种微型声发射谐振式电容传感器及其使用方法
本专利技术属于传感器
，具体涉及一种微型声发射谐振式电容传感器及其使用方法。
技术介绍
目前，无损检测在结构健康检测上越来越重要。声发射(AcousticEmission，AE)技术作为一种动态无损检测手段，可以实现对材料产生的缺陷进行动态监测以及损伤位置的预测。利用声发射(AE)技术检测缺陷源的位置并获得较高的精度，在很大程度上取决于传感器的性能和特性。传统的声发射传感器基于压电转换原理并且由压电陶瓷(通常为PZT)、耐磨板和保护壳等部分组成。在没有任何背衬材料的谐振式传感器中，压电材料的几何形状影响至关重要，并且很难抑制传感器元件内的波反射，因此传统的声发射传感器的检测精度较差。此外，压电AE传感器体积较大，制造压电AE传感器时消耗材料较多，导致成本较高，从而压电AE传感器价格昂贵。此外，传统的声发射传感器的灵敏度低、用于无损检测的传感器数量多、尺寸大、响应慢。机械微电子系统(MicroelectroMechanicalSystem,MEMS)声发射传感器主要用于检测疲劳裂纹的起始位置和扩展方向。随着MEMS技术的发展，微型化的声发射传感器将取代尺寸较大的传统声发射传感器成为未来发展的趋势，MEMS声发射传感器具有体积小、精度高、价格低廉、性能稳定等特点。目前，声发射传感器已成功应用于监测多种不同的结构，如公路桥梁、管道、复合材料等，但是上述的声发射传感器多数是单轴传感器，仅对安装有传感器的结构表面法线方向位移(z方向位移)响应，不能实现对材料裂纹的3维(3-D)动态位移检测。在关于3-DMEMS声发射传感器的研究中，国外仅有个别小组在进行3-DMEMS传感的研究且尚未形成相关产品。目前公开的一种声发射传感器(US2017/0370768A1),包括了两组平面外传感单元和两组平面内传感单元，需要两组平面外传感单元检测声波信号在z方向的大小，结构复杂，制造成本高；两组平面内传感单元的弹簧元件弹性较差，分离出声波在z方向上的频率程度低(在无阻尼状态下，以检测声波方向在x方向为例，检测到z方向声波的频率为101kHz，检测到x方向声波的频率为165kHz，偏差为64kHz)，不能准确检测声波的大小和方向，灵敏度差；传感器结构为五层结构，结构复杂，制造困难。于此相比，本专利技术的一种微型声发射谐振式电容传感器包含三组传感单元，结构简单；采用U形弹簧结构支撑极板，分离出声波在z方向上的频率程度明显(在无阻尼状态下，以检测声波方向在x方向为例，检测到z方向声波的频率为312.59kHz，检测到x方向声波的频率为470.61kHz，偏差为158.02kHz)，灵敏度高；传感器的结构为三层结构(采用一体化制造，不需要用于引脚和结构层连接的氮化硅层和用于制造锚的氧化硅层)，结构简单、成本低廉、响应灵敏度高。目前尚无相关的文献报道，亦未搜索到相关专利文件。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术存在的问题和不足，提供一种微型化声发射谐振式电容传感器。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种微型化声发射谐振式电容传感器，包括基板，所述基板上平面固定有z方向响应传感单元、y方向响应传感单元和x方向响应传感单元，三个所述传感单元互相独立，按照竖直方向排列，或竖直交错排列；其中z方向响应传感单元包括上极板、下极板和用于信号输出的第一引脚、第二引脚和第三引脚，所述上极板包括开设有若干蚀刻孔的可移动极板、L形弹簧和用于固定L形弹簧的锚，其中所述可移动极板连接四个所述L形弹簧的一端，四个所述L形弹簧两两成对的另一端相向连接锚，所述锚固定在所述下极板上，所述下极板固定在所述基板上，所述上极板前端连接第一引脚和第三引脚，所述下极板前端连接第二引脚；进一步，所述的可移动极板为圆形，所述圆形半径为50μm～300μm；进一步，所述的上极板和下极板的之间间隙为h，所述间隙h范围为1μm～2μm；进一步，所述的z方向响应的传感单元的第一引脚和第三引脚施加大小相同正电压，所施加电压大于0V且小于等于10V，第二引脚施加负电压，所施加电压小于0V且大于等于-10V；进一步，所述的蚀刻孔面积占可移动极板面积的40％～70％；进一步，所述的可移动极板、L形弹簧、用于固定L形弹簧的锚为一体成型；进一步，所述的可移动极板和下极板为平行板电容器，两极板之间的间隙为空气或者是绝缘层氮化硅。对于z方向响应传感单元而言，当可移动极板与声波频率相近或相同时，可移动极板会沿着z方向移动，从而改变极板间距离，电容值发生变化，通过测量这种电容变化，可以确定声波在z方向的大小；所述y方向响应传感单元包括中间极板、安置在中间极板两侧的两块侧极板和用于信号输出的第一引脚、第二引脚和第三引脚，所述中间极板由y方向可移动极板、用于支撑y方向可移动极板的U形弹簧、用于固定U形弹簧的锚和多个指型凸块Ⅰ组成，其中所述y方向可移动极板两端分别相向连接两个所述U形弹簧，所述U形弹簧两两成对与锚相连接，所述锚固定在所述基板上，所述指型凸块Ⅰ对称设置在y方向可移动极板两侧；两块所述侧极板的一侧设有多个与指型凸块Ⅰ间隙啮合的指型凸块Ⅱ，另一侧设有用于连接和固定在所述基板上的凸块222，所述中间极板前端连接所述第二引脚，所述两块侧极板前端连接所述第一引脚和所述第三引脚；进一步，所述的指型凸块Ⅰ与指型凸块Ⅱ在平行于y方向上的第一间隙G1和第二间隙G2不相等，所述的第一间隙G1和第二间隙G2的大小为1μm～10μm；进一步，所述的y方向可移动极板的指型凸块Ⅰ和两块侧极板的指型凸块Ⅱ与可移动极板和两块侧极板之间在平行于x方向上的第三间隙G3和第四间隙G4相等，所述第三间隙G3和第四间隙G4的大小为1μm～10μm；进一步，所述的y方向响应的传感单元的第一引脚和第三引脚施加大小相同负电压，所施加电压小于0V且大于等于-10V，第二引脚施加正电压，所施加电压大于0V且小于等于10V；进一步，所述的y方向可移动极板、用于支撑y方向可移动极板的弹簧、锚和指型凸块Ⅰ为一体成型；进一步，所述的中间极板与两块侧极板处在同一平面，当声波频率与可移动极板固有频率相近或相等时，可移动极板上的指型凸块Ⅰ沿着y方向移动，从而改变指型极板间第一间隙G1和第二间隙G2的距离，获得变化的电信号，通过计算这些电信号，可以得到声波在y方向的大小；所述x方向响应传感单元包括中间极板、安置在中间极板两侧的两块侧极板和用于信号输出的第一引脚、第二引脚和第三引脚，所述中间极板由x方向上可移动极板、用于支撑x方向可移动极板的U形弹簧、用于固定U形弹簧的锚和多个指型凸块Ⅲ组成，其中所述x方向可移动极板两端分别对称平行连接两个所述U形弹簧，所述U形弹簧两两成对与锚相连接，所述锚固定在所述基板上，所述指型凸块Ⅲ对称设置在x方向可移动极板两侧；两块所述侧极板的一侧设有多个与指型凸块Ⅲ间隙啮合的指型凸块Ⅳ，另一侧设有用于连接和固定在所述基板上的极板，所述中间极板前端连接所述第二引脚，所述两块侧极板前端连接所述第一引脚和所述第三引脚；进一步，所述的x方向可移动极板的指型凸块Ⅲ与两块侧极板的指型凸块Ⅳ在平行于y方向上的第五间隙G5和第六间隙G6相等，所述第五间隙G5和第六间隙G6的大小为1μm～本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型声发射谐振式电容传感器，包括基板(4)，其特征在于，所述基板(4)的上平面固定有z方向响应传感单元(1)、y方向响应传感单元(2)和x方向响应传感单元(3)；其中，所述z方向响应传感单元(1)包括上极板(11)、下极板(12)和用于信号输出的第一引脚(131)、第二引脚(132)和第三引脚(133)，所述上极板(11)包括开设有若干蚀刻孔(112)的可移动极板(111)、L形弹簧(113)和用于固定L形弹簧的锚(114)，其中所述可移动极板(111)连接四个所述L形弹簧(113)的一端，四个所述L形弹簧(113)两两成对的另一端相向连接锚(114)，所述锚(114)固定在所述下极板(12)上，所述下极板(12)固定在所述基板(4)上，所述上极板(11)前端连接所述第一引脚(131)和所述第三引脚(133)，所述下极板(12)前端连接所述第二引脚(132)；所述y方向响应传感单元(2)包括中间极板(21)、安置在中间极板(21)两侧的两块侧极板(22)和用于信号输出的第一引脚(231)、第二引脚(232)和第三引脚(233)，所述中间极板(21)由y方向可移动极板(211)、用于支撑y方向可移动极板(211)的U形弹簧(212)、用于固定U形弹簧的锚(213)和多个指型凸块Ⅰ(214)组成，其中所述y方向可移动极板(211)两端分别相向连接两个所述U形弹簧(212)，所述U形弹簧(212)两两成对与锚(213)相连接，所述锚(213)固定在所述基板(4)上，所述指型凸块Ⅰ(214)对称设置在y方向可移动极板(211)两侧；两块所述侧极板(22)的一侧设有多个与指型凸块Ⅰ(214)间隙啮合的指型凸块Ⅱ(221)，另一侧设有用于连接和固定在所述基板(4)上的凸块(222)，所述指型凸块Ⅰ(214)和所述指型凸块Ⅱ(221)在平行于y方向上的间隙为第一间隙G1和第二间隙G2，所述中间极板(21)前端连接所述第二引脚(232)，所述两块侧极板(22)前端连接所述第一引脚(231)和所述第三引脚(233)；所述x方向响应传感单元(3)包括中间极板(31)、安置在中间极板(31)两侧的两块侧极板(32)和用于信号输出的第一引脚(331)、第二引脚(332)和第三引脚(333)，所述中间极板(31)由x方向可移动极板(311)、用于支撑x方向可移动极板(311)的U形弹簧(312)、用于固定U形弹簧的锚(313)和多个指型凸块Ⅲ(314)组成，其中所述x方向可移动极板(311)两端分别对称平行连接两个所述U形弹簧(312)，所述U形弹簧(312)两两成对与锚(313)相连接，所述锚(313)固定在所述基板(4)上，所述指型凸块Ⅲ(314)对称设置在y方向可移动极板(211)两侧；两块所述侧极板(32)的一侧设有多个与指型凸块Ⅲ(314)间隙啮合的指型凸块Ⅳ(321)，另一侧设有用于连接和固定在所述基板(4)上的极板(322)，所述指型凸块Ⅲ(314)和所述指型凸块Ⅳ(321)在平行于y方向上的间隙为第五间隙G5和第六间隙G6，所述中间极板(31)前端连接所述第二引脚(332)，所述两块侧极板(32)前端连接所述第一引脚(331)和所述第三引脚(333)。...

【技术特征摘要】
1.一种微型声发射谐振式电容传感器，包括基板(4)，其特征在于，所述基板(4)的上平面固定有z方向响应传感单元(1)、y方向响应传感单元(2)和x方向响应传感单元(3)；其中，所述z方向响应传感单元(1)包括上极板(11)、下极板(12)和用于信号输出的第一引脚(131)、第二引脚(132)和第三引脚(133)，所述上极板(11)包括开设有若干蚀刻孔(112)的可移动极板(111)、L形弹簧(113)和用于固定L形弹簧的锚(114)，其中所述可移动极板(111)连接四个所述L形弹簧(113)的一端，四个所述L形弹簧(113)两两成对的另一端相向连接锚(114)，所述锚(114)固定在所述下极板(12)上，所述下极板(12)固定在所述基板(4)上，所述上极板(11)前端连接所述第一引脚(131)和所述第三引脚(133)，所述下极板(12)前端连接所述第二引脚(132)；所述y方向响应传感单元(2)包括中间极板(21)、安置在中间极板(21)两侧的两块侧极板(22)和用于信号输出的第一引脚(231)、第二引脚(232)和第三引脚(233)，所述中间极板(21)由y方向可移动极板(211)、用于支撑y方向可移动极板(211)的U形弹簧(212)、用于固定U形弹簧的锚(213)和多个指型凸块Ⅰ(214)组成，其中所述y方向可移动极板(211)两端分别相向连接两个所述U形弹簧(212)，所述U形弹簧(212)两两成对与锚(213)相连接，所述锚(213)固定在所述基板(4)上，所述指型凸块Ⅰ(214)对称设置在y方向可移动极板(211)两侧；两块所述侧极板(22)的一侧设有多个与指型凸块Ⅰ(214)间隙啮合的指型凸块Ⅱ(221)，另一侧设有用于连接和固定在所述基板(4)上的凸块(222)，所述指型凸块Ⅰ(214)和所述指型凸块Ⅱ(221)在平行于y方向上的间隙为第一间隙G1和第二间隙G2，所述中间极板(21)前端连接所述第二引脚(232)，所述两块侧极板(22)前端连接所述第一引脚(231)和所述第三引脚(233)；所述x方向响应传感单元(3)包括中间极板(31)、安置在中间极板(31)两侧的两块侧极板(32)和用于信号输出的第一引脚(331)、第二引脚(332)和第三引脚(333)，所述中间极板(31)由x方向可移动极板(311)、用于支撑x方向可移动极板(311)的U形弹簧(312)、用于固定U形弹簧的锚(313)和多个指型凸块Ⅲ(314)组成，其中所述x方向可移动极板(311)两端分别对称平行连接两个所述U形弹簧(312)，所述U形弹簧(312)两两成对与锚(313)相连接，所述锚(313)固定在所述基板(4)上，所述指型凸块Ⅲ(314)对称设置在y方向可移动极板(211)两侧；两块所述侧极板(32)的一侧设有多个与指型凸块Ⅲ(314)间隙啮合的指型凸块Ⅳ(321)，另一侧设有用于连接和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张礼华，夏称阳，刘宏西，刘芳华，李冲，包泓，郭颖，陈妮娜，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32