一种流速传感器及制备方法、流速检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种流速传感器及制备方法、流速检测装置及方法，属于流速传感器领域，流速传感器包括基底板、压电传感单元、压电驱动单元和多个相互耦合的自弯曲悬臂梁；基底板上开设一通孔；每一自弯曲悬臂梁均包括固定端和耦合端；多个自弯曲悬臂梁的固定端均匀分布于通孔周围，并分别与通孔边缘固定连接；每一自弯曲悬臂梁均沿着通孔边缘到通孔中心上方的方向从固定端到耦合端向上倾斜弯曲；自弯曲悬臂梁的耦合端分别与蛇形线的一端连接，所有蛇形线的另一端耦合连接；自弯曲悬臂梁的固定端设置有压电传感单元和压电驱动单元。通过蛇形线实现自弯曲悬臂梁的耦合，自弯曲悬臂梁能够快速同期共振，能够有效抑制环境随机噪音。能够有效抑制环境随机噪音。能够有效抑制环境随机噪音。

【技术实现步骤摘要】
一种流速传感器及制备方法、流速检测装置及方法


[0001]本专利技术涉及流速传感器领域，特别是涉及一种流速传感器及制备方法、流速检测装置及方法。

技术介绍

[0002]针对海洋资源开发对水下目标探测、避障导航等方面的需求，研究高灵敏度、抗噪音的流场感知新方法，对实现水下复杂环境下的目标识别与状态感知具有重要意义。然而，现有大多采用的是基于MEMS(Micro Electro Mechanical System，MEMS，微机电系统)技术的被动式流速传感器，其在环境噪音下采集流速数据时，难以突破环境噪音水平的限制。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种流速传感器及制备方法、流速检测装置及方法，检测过程中不受环境噪声的限制，有效抑制环境噪音对测量结果的影响。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]一方面，本专利技术提出了一种流速传感器，所述流速传感器包括基底板以及位于所述基底板上的压电传感单元、压电驱动单元和多个相互耦合的自弯曲悬臂梁；
[0006]所述基底板上开设一通孔；每一所述自弯曲悬臂梁均包括固定端和耦合端；多个所述自弯曲悬臂梁的固定端均匀分布于所述通孔周围，并分别与所述通孔边缘固定连接；每一所述自弯曲悬臂梁均沿着通孔边缘到通孔中心上方的方向从固定端到耦合端向上倾斜弯曲；
[0007]每一所述自弯曲悬臂梁的耦合端分别与一蛇形线的一端连接，所有所述蛇形线的另一端耦合连接，耦合连接点位于所述通孔中心的正上方；
[0008]每一所述自弯曲悬臂梁的所述固定端上均设置有对应的所述压电传感单元和所述压电驱动单元；所述压电驱动单元用于驱动所述自弯曲悬臂梁发生振动，所述压电传感单元用于采集所述自弯曲悬臂梁的振动信号，并将振动信号转换为电荷信号。
[0009]可选地，每一所述压电传感单元和所述压电驱动单元均分别与对应的信号引线连接，同一所述自弯曲悬臂梁上的所述压电传感单元和所述压电驱动单元还同时与一接地引线连接。
[0010]可选地，所述通孔为八边形通孔。
[0011]可选地，所述自弯曲悬臂梁设置有四个，四个所述自弯曲悬臂梁的所述固定端分别与所述八边形通孔中四条边对应固定连接。
[0012]可选地，所述压电传感单元和所述压电驱动单元均采用条状压电单元，并列粘贴于所述自弯曲悬臂梁的所述固定端表面。
[0013]可选地，所述基底板采用柔性薄膜基底板。
[0014]另一方面，本专利技术还提出了一种流速检测装置，所述流速检测装置包括如上所述的流速传感器以及外部反馈电路；
[0015]所述外部反馈电路通过信号引线分别与所述流速传感器中各个压电传感单元和压电驱动单元连接；
[0016]所述外部反馈电路用于接收各个所述压电传感单元传输的电荷信号，将所述电荷信号转换为电压信号，并根据所述电压信号向所述压电驱动单元反馈控制指令，以使所有自弯曲悬臂梁在各自所述压电驱动单元的驱动下达到同期振动的状态；
[0017]所述外部反馈电路还用于根据所述电荷信号获得流速数据。
[0018]可选地，所述外部反馈电路包括电荷放大器、微分器和电压反馈单元；
[0019]所述电荷放大器分别与所述微分器和各个所述信号引线连接，所述电压反馈单元分别与所述微分器和所有所述压电驱动单元连接；
[0020]所述电荷放大器用于接收各个所述压电传感单元传输的电荷信号，将所述电荷信号转换为电压信号，并将所述电压信号传输给所述微分器；所述微分器用于将所述电压信号微分，并将微分后的电压信号分别传输给所述电压反馈单元；所述电压反馈单元用于根据微分后的电压信号向所述压电驱动单元反馈控制指令，以使所有自弯曲悬臂梁在各自所述压电驱动单元的驱动下达到同期振动的状态。
[0021]另一方面，本专利技术还提出了一种流速检测方法，所述流速检测方法应用于如上所述的流速检测装置，所述流速检测方法包括：
[0022]各个压电传感单元分别获取第一电荷信号，所述第一电荷信号为自弯曲悬臂梁在第一振动状态下产生的应力变化信息转换得到电荷信号，所述第一振动状态为自弯曲悬臂梁在噪音环境下产生的随机微弱位移的状态；
[0023]外部反馈电路将各个所述第一电荷信号转换为第一电压信号；
[0024]各个所述压电驱动单元根据各自的所述第一电压信号驱动对应的所述自弯曲悬臂梁发生振动并进入第二振动状态，所述第二振动状态为所有自弯曲悬臂梁在各自所述压电驱动单元的驱动下达到同期振动的状态；
[0025]各个所述压电传感单元分别获取第二电荷信号，所述第二电荷信号为自弯曲悬臂梁在第二振动状态下产生的应力变化信息转换得到电荷信号；
[0026]所述外部反馈电路根据所述第二电荷信号获得流速数据。
[0027]另一方面，本专利技术还提出了一种流速传感器的制备方法，所述制备方法用于制备如上所述的流速传感器，所述制备方法包括：
[0028]采用溅射法在生长有氧化锌薄膜和三氧化二铝薄膜的硅片上溅射钛铂上电极，得到基底板上方的接地引线和信号引线；其中，溅射的铂用于作为压电驱动单元和压电传感单元的信号引线，溅射的钛用于增强铂与氧化锌薄膜、三氧化二铝薄膜之间的结合力，防止刻蚀锆钛酸铅薄膜时电极脱落；
[0029]采用溶胶凝胶法在所述硅片上制备锆钛酸铅薄膜，并在所述锆钛酸铅薄膜上刻蚀出压电驱动单元和压电传感单元的图形；
[0030]采用溅射法在所述压电驱动单元和所述压电传感单元的图形上溅射钛铂下电极；溅射的铂用于作为压电驱动单元和压电传感单元共用的接地引线，所述接地引线通过锆钛酸铅薄膜上的通孔与第一次溅射得到的接地引线相连，并使所述接地引线与所述信号引线位于基底板的同一侧；
[0031]在所述锆钛酸铅薄膜上旋涂聚酰亚胺薄膜并固化；
[0032]采用溅射法在所述聚酰亚胺薄膜上分别溅射硅和铝并图案化，图案为所述聚酰亚胺薄膜上沿通孔边缘向通孔中心的方向从固定端到耦合端向上倾斜弯曲的悬臂梁及其通过蛇形线耦合连接的耦合端；溅射的硅用于与旋涂的聚酰亚胺薄膜形成双层应力，使悬臂梁自弯曲，溅射的铝用于作为刻蚀聚酰亚胺薄膜时的掩膜；
[0033]利用反应性离子刻蚀法在所述聚酰亚胺薄膜上刻蚀出通孔以及通孔上相互耦合的悬臂梁；
[0034]利用氯化铁去除在所述聚酰亚胺薄膜上溅射铝时形成的铝掩膜；
[0035]使用可光刻聚酰亚胺在所述聚酰亚胺薄膜上固化一层柔性薄膜基底，覆盖除所述通孔外的所有区域；
[0036]利用醋酸将制备的器件从所述硅片上剥离，使悬臂梁向通孔上方弯曲一定角度得到自弯曲悬臂梁，并蒸镀一层聚对二氯甲苯作为防水层，制得所述流速传感器。
[0037]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0038]本专利技术提供了一种流速传感器及制备方法、流速检测装置及方法，流速传感器包括基底板以及位于基底板上的压电传感单元、压电驱动单元和多个相互耦合的自弯曲悬臂梁；基底板上开设一通孔；每一自弯曲悬臂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种流速传感器，其特征在于，所述流速传感器包括基底板以及位于所述基底板上的压电传感单元、压电驱动单元和多个相互耦合的自弯曲悬臂梁；所述基底板上开设一通孔；每一所述自弯曲悬臂梁均包括固定端和耦合端；多个所述自弯曲悬臂梁的固定端均匀分布于所述通孔周围，并分别与所述通孔边缘固定连接；每一所述自弯曲悬臂梁均沿着通孔边缘到通孔中心上方的方向从固定端到耦合端向上倾斜弯曲；每一所述自弯曲悬臂梁的耦合端分别与一蛇形线的一端连接，所有所述蛇形线的另一端耦合连接，耦合连接点位于所述通孔中心的正上方；每一所述自弯曲悬臂梁的所述固定端上均设置有对应的所述压电传感单元和所述压电驱动单元；所述压电驱动单元用于驱动所述自弯曲悬臂梁发生振动，所述压电传感单元用于采集所述自弯曲悬臂梁的振动信号，并将振动信号转换为电荷信号。2.根据权利要求1所述的流速传感器，其特征在于，每一所述压电传感单元和所述压电驱动单元均分别与对应的信号引线连接，同一所述自弯曲悬臂梁上的所述压电传感单元和所述压电驱动单元还同时与一接地引线连接。3.根据权利要求1所述的流速传感器，其特征在于，所述通孔为八边形通孔。4.根据权利要求3所述的流速传感器，其特征在于，所述自弯曲悬臂梁设置有四个，四个所述自弯曲悬臂梁的所述固定端分别与所述八边形通孔中四条边对应固定连接。5.根据权利要求1所述的流速传感器，其特征在于，所述压电传感单元和所述压电驱动单元均采用条状压电单元，并列粘贴于所述自弯曲悬臂梁的所述固定端表面。6.根据权利要求1所述的流速传感器，其特征在于，所述基底板采用柔性薄膜基底板。7.一种流速检测装置，其特征在于，所述流速检测装置包括如权利要求1
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6任一项所述的流速传感器以及外部反馈电路；所述外部反馈电路通过信号引线分别与所述流速传感器中各个压电传感单元和压电驱动单元连接；所述外部反馈电路用于接收各个所述压电传感单元传输的电荷信号，将所述电荷信号转换为电压信号，并根据所述电压信号向所述压电驱动单元反馈控制指令，以使所有自弯曲悬臂梁在各自所述压电驱动单元的驱动下达到同期振动的状态；所述外部反馈电路还用于根据所述电荷信号获得流速数据。8.根据权利要求7所述的流速检测装置，其特征在于，所述外部反馈电路包括电荷放大器、微分器和电压反馈单元；所述电荷放大器分别与所述微分器和各个所述信号引线连接，所述电压反馈单元分别与所述微分器和所有所述压电驱动单元连接；所述电荷放大器用于接收各个所述压电传感单元传输的电荷信号，将所述电荷信号转换为电压信号，并将所述电压信号传输给所述微分器；所述微分器用于将所述电压信号微分，并将微分后的电压信号分别传输给所述电压反馈单元；所述电压反馈单元用于根据微分后的电压信号向...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋永刚，曹宏超，盛天宇，何其沛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：