阅读说明：本技术 一种压电传感器 (Piezoelectric sensor ) 是由 马春林 程菊 冯小勤 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及传感器技术领域,具体的说是一种压电传感器,包括基板、设置于基板上的下部电极、设置于下部电极上的压电薄膜及设置于压电薄膜上的上部电极；所述基板包括硅基底板、柔性弧形基底及柔性顶板,所述硅基底板之间设置有辅助槽口,所述辅助槽口两侧边之间设置有向上拱起的柔性弧形基底,所述柔性弧形基底及柔性顶板所用的材料为聚二甲基硅氧烷；本发明通过改变压电传感器的结构以优化对应的谐振频率和有效质量分布状态,进而提高压电传感器的灵敏度。(The invention relates to the technical field of sensors, in particular to a piezoelectric sensor, which comprises a substrate, a lower electrode arranged on the substrate, a piezoelectric film arranged on the lower electrode and an upper electrode arranged on the piezoelectric film, wherein the piezoelectric film is arranged on the upper electrode; the substrate comprises silicon substrate plates, flexible arc-shaped substrates and flexible top plates, wherein auxiliary notches are formed among the silicon substrate plates, the flexible arc-shaped substrates which are arched upwards are arranged between two side edges of each auxiliary notch, and the flexible arc-shaped substrates and the flexible top plates are made of polydimethylsiloxane; the invention optimizes the corresponding resonance frequency and effective mass distribution state by changing the structure of the piezoelectric sensor, thereby improving the sensitivity of the piezoelectric sensor.)

一种压电传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体的说是一种压电传感器。

背景技术

传感器作为一种将机械能与电能相互转换的换能器，现在已经广泛用于手机、电脑、照相机等消费性电子产品以及工业界、生命健康监测等领域中。传统的传感器主要包括电容式和压电式两种，电容式传感器采用双层膜结构，利用导体间的电容充放电原理，改变导体间的电压，从而实现机械能到电能的转换。虽然电容式传感器具有极为宽广的频率响应范围，能够快速的瞬时响应等优点，但是电容式传感器脆弱，怕潮怕摔，需要直流电压，在实际应用中依然存在较大问题。压电式微质量传感器主要通过测量附着在传感器表面的物质的质量引起的结构谐振频率变化来检测物质成分，具有结构简单、响应快，成本低和精度高的特点，在微生物检测如细菌和病毒、微小颗粒、气/液体成分和浓度等方面具有广泛的应用。

目前压电传感器多被制作为均匀厚度的悬臂梁或者隔板结构，如申请号为2014800377487的中国专利公开了一种压电传感器，虽然压电传感器在稳定性、防水防潮性、结构制备上相对电容式传感器都具有较大优势，但是会在压电性能方面有所下降，导致降低了压电传感器的灵敏度，影响传感器的性能。

为此本公司设计了一种压电传感器，通过改变压电传感器的结构以优化对应的谐振频率和有效质量分布状态，进而提高压电传感器的灵敏度。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，解决现有压电传感器的灵敏度低影响传感器的性能的问题，本发明提出的一种压电传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压电传感器，包括基板、设置于基板上的下部电极、设置于下部电极上的压电薄膜及设置于压电薄膜上的上部电极；所述基板包括硅基底板、柔性弧形基底及柔性顶板，所述硅基底板之间设置有辅助槽口，所述辅助槽口两侧边之间设置有向上拱起的柔性弧形基底，所述柔性弧形基底及柔性顶板所用的材料为聚二甲基硅氧烷；所述柔性弧形基底上设置有柔性顶板，所述柔性顶板中部下侧面与柔性弧形基底上侧面粘合，所述柔性顶板两端下侧面延伸至柔性顶板上表面并与其粘合，所述柔性顶板上表面与下部电极下表面粘合；使用时，当传感器感应音频信号时，声压作用于上部电极上表面，从而引起上部电极、压电薄膜、下部电极、柔性顶板及柔性弧形基底的应变形变，由于压电薄膜的压电作用，在压电薄膜表面产生电荷，通过下部电极和上部电极将电信号输出；压电薄膜下方采用向上拱起的柔性弧形基底，相比现有的平底基底，柔性弧形基底能够有更好的挠曲变形，压电薄膜的应变程度得到加强，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度。

优选的，所述压电薄膜多个膜状压电体叠层而成的叠层体，所述膜状压电体为偏氟乙烯-四氟乙烯系共聚物压电体；现有的压电薄膜多为聚偏氟乙烯材料制成，其实际测定的电信号的电压，存在频率越小测定电压越低、频率越大测定电压越高的倾向，因此本发明使用偏氟乙烯-四氟乙烯系共聚物来制成压电薄膜，其相对于聚偏氟乙烯材料具有从超低频至高频区域中拥有较大的输出电信号，因此能够使得压电薄膜的输出电信号的频率依赖性变小，提高压电传感器的灵敏度；另外，其相对于聚偏氟乙烯材料还具有较为理想的柔软性和冲击强度，弯曲模量较低，因此能更好的与柔性弧形基底配合来加强应变程度，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度。

优选的，所述上部电极上端沿其边缘设置有上凸的凸台；我们知道，振动波的传播直接受该处区域内的截止频率影响，当设置凸台后，上部电极上端边缘的厚度要大于其中间的厚度，根据质量负荷效应计算，上部电极边缘处的截止频率要低于上部电极中部处的截止频率，因此当施加的频率位于上部电极边缘处的截止频率及上部电极中部处的截止频率之间时，上部电极中部成为传播区域，而上部电极边缘处成为截止区域，因此形成了封闭谐振，使得能量损耗更少，提升压电传感器的灵敏度。

优选的，所述柔性顶板上间隔设置有多个第一镂空槽，所述第一镂空槽通过依次贯穿、下部电极、压电薄膜及上部电极的第一释放孔与外部空间连通；由于第一镂空槽的存在，使得压电薄膜的挠曲变形增大，压电薄膜的应变程度得到加强，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度。

优选的，所述上部电极上端间隔设置有多个第一沉槽，所述第一沉槽均沿前后方向布置，所述第一沉槽位于相邻所述第一镂空槽之间；第一沉槽的设置能够使得压电薄膜的挠曲变形增大，提升压电传感器的灵敏度；同时，第一沉槽的设置还能够为第二镂空槽的蚀刻提供便利，提高生产效率；另外，第一沉槽的设置还在一定程度上降低了上部电极的整体重量，降低成本。

优选的，位于所述第一沉槽下方的下部电极上对应设置有第二镂空槽，所述第二镂空槽通过第二释放孔与第一沉槽连通；第二镂空槽的设置，一方面，能够使得压电薄膜的挠曲变形增大，压电薄膜的应变程度得到加强，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度，另一方面，通过使第二镂空槽及第一镂空槽的容量不同，能够得到互不相同的频率特性，可以实现良好的滤波特性，能够防止上述互不相同的频率之间的期望频带以外的其他频带的压力变动，进而对期望频带的压力变动具有较好的灵敏度。

本发明的有益效果如下：

1.本发明所述的一种压电传感器，通过在压电薄膜下方采用向上拱起的柔性弧形基底，相比现有的平底基底，柔性弧形基底能够有更好的挠曲变形，压电薄膜的应变程度得到加强，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏。

2.本发明所述的一种压电传感器，通过采用偏氟乙烯-四氟乙烯系共聚物来制成压电薄膜，能够使得压电薄膜的输出电信号的频率依赖性变小，提高压电传感器的灵敏度；另外，其相对于聚偏氟乙烯材料还具有较为理想的柔软性和冲击强度，弯曲模量较低，因此能更好的与柔性弧形基底配合来加强应变程度，从而输出更强的电信号，进一步提升压电传感器的灵敏度。

3.本发明所述的一种压电传感器，通过上部电极上端沿其边缘设置上凸的凸台，上部电极上端边缘的厚度要大于其中间的厚度，根据质量负荷效应计算，上部电极边缘处的截止频率要低于上部电极中部处的截止频率，因此当施加的频率位于上部电极边缘处的截止频率及上部电极中部处的截止频率之间时，上部电极中部成为传播区域，而上部电极边缘处成为截止区域，因此形成了封闭谐振，使得能量损耗更少，提升压电传感器的灵敏度。

4.本发明所述的一种压电传感器，通过第一沉槽、第一镂空槽及第二镂空槽的设置，能够使得压电薄膜的挠曲变形增大，压电薄膜的应变程度得到加强，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度；同时又可以实现良好的滤波特性，能够防止互不相同的频率之间的期望频带以外的其他频带的压力变动，进而对期望频带的压力变动具有较好的灵敏度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的立体图；

图2是本发明的俯视图；

图3是图2中A-A方向的剖视图；

图4是图3中B处的局部放大图；

图中：

硅基底板1、辅助槽口2、柔性弧形基底3、柔性顶板4、下部电极5、压电薄膜6、上部电极7、第一释放孔8、第一沉槽9、第二释放孔10、第一镂空槽11、第二镂空槽12。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图4所示，一种压电传感器,包括基板、设置于基板上的下部电极5、设置于下部电极5上的压电薄膜6及设置于压电薄膜6上的上部电极7；所述基板包括硅基底板1、柔性弧形基底3及柔性顶板4，所述硅基底板1之间设置有辅助槽口2，所述辅助槽口2两侧边之间设置有向上拱起的柔性弧形基底3，所述柔性弧形基底3及柔性顶板4所用的材料为聚二甲基硅氧烷；所述柔性弧形基底3上设置有柔性顶板4，所述柔性顶板4中部下侧面与柔性弧形基底3上侧面粘合，所述柔性顶板4两端下侧面延伸至柔性顶板4上表面并与其粘合，所述柔性顶板4上表面与下部电极5下表面粘合；

使用时，当传感器感应音频信号时，声压作用于上部电极7上表面，从而引起上部电极7、压电薄膜6、下部电极5、柔性顶板4及柔性弧形基底3的应变形变，由于压电薄膜6的压电作用，在压电薄膜6表面产生电荷，通过下部电极5和上部电极7将电信号输出；压电薄膜6下方采用向上拱起的柔性弧形基底3，相比现有的平底基底，柔性弧形基底3能够有更好的挠曲变形，压电薄膜6的应变程度得到加强，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度。

作为本发明的一种实施方式，所述压电薄膜6多个膜状压电体叠层而成的叠层体，所述膜状压电体为偏氟乙烯-四氟乙烯系共聚物压电体；现有的压电薄膜6多为聚偏氟乙烯材料制成，其实际测定的电信号的电压，存在频率越小测定电压越低、频率越大测定电压越高的倾向，因此本发明使用偏氟乙烯-四氟乙烯系共聚物来制成压电薄膜6，其相对于聚偏氟乙烯材料具有从超低频至高频区域中拥有较大的输出电信号，因此能够使得压电薄膜6的输出电信号的频率依赖性变小，提高压电传感器的灵敏度；另外，其相对于聚偏氟乙烯材料还具有较为理想的柔软性和冲击强度，弯曲模量较低，因此能更好的与柔性弧形基底3配合来加强应变程度，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度。

作为本发明的一种实施方式，所述上部电极7上端沿其边缘设置有上凸的凸台(未图示)；我们知道，振动波的传播直接受该处区域内的截止频率影响，当设置凸台后，上部电极7上端边缘的厚度要大于其中间的厚度，根据质量负荷效应计算，上部电极7边缘处的截止频率要低于上部电极7中部处的截止频率，因此当施加的频率位于上部电极7边缘处的截止频率及上部电极7中部处的截止频率之间时，上部电极7中部成为传播区域，而上部电极7边缘处成为截止区域，因此形成了封闭谐振，使得能量损耗更少，提升压电传感器的灵敏度。

作为本发明的一种实施方式，所述柔性顶板4上间隔设置有多个第一镂空槽11，所述第一镂空槽11通过依次贯穿、下部电极5、压电薄膜6及上部电极7的第一释放孔8与外部空间连通；由于第一镂空槽11的存在，使得压电薄膜6的挠曲变形增大，压电薄膜6的应变程度得到加强，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度。

作为本发明的一种实施方式，所述上部电极7上端间隔设置有多个第一沉槽9，所述第一沉槽9均沿前后方向布置，所述第一沉槽9位于相邻所述第一镂空槽11之间；第一沉槽9的设置能够使得压电薄膜6的挠曲变形增大，提升压电传感器的灵敏度；同时，第一沉槽9的设置还能够为第二镂空槽12的蚀刻提供便利，提高生产效率；另外，第一沉槽9的设置还在一定程度上降低了上部电极7的整体重量，降低成本。

作为本发明的一种实施方式，位于所述第一沉槽9下方的下部电极5上对应设置有第二镂空槽12，所述第二镂空槽12通过第二释放孔10与第一沉槽9连通；第二镂空槽12的设置，一方面，能够使得压电薄膜6的挠曲变形增大，压电薄膜6的应变程度得到加强，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度，另一方面，通过使第二镂空槽12及第一镂空槽11的容量不同，能够得到互不相同的频率特性，可以实现良好的滤波特性，能够防止上述互不相同的频率之间的期望频带以外的其他频带的压力变动，进而对期望频带的压力变动具有较好的灵敏度。

使用时，当传感器感应音频信号时，声压作用于上部电极7上表面，从而引起上部电极7、压电薄膜6、下部电极5、柔性顶板4及柔性弧形基底3的应变形变，由于压电薄膜6的压电作用，在压电薄膜6表面产生电荷，通过下部电极5和上部电极7将电信号输出；压电薄膜6下方采用向上拱起的柔性弧形基底3，相比现有的平底基底，柔性弧形基底3能够有更好的挠曲变形，压电薄膜6的应变程度得到加强，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度；本发明使用偏氟乙烯-四氟乙烯系共聚物来制成压电薄膜6，其相对于聚偏氟乙烯材料具有从超低频至高频区域中拥有较大的输出电信号，因此能够使得压电薄膜6的输出电信号的频率依赖性变小，提高压电传感器的灵敏度，另外，其相对于聚偏氟乙烯材料还具有较为理想的柔软性和冲击强度，弯曲模量较低，因此能更好的与柔性弧形基底3配合来加强应变程度，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度；我们知道，振动波的传播直接受该处区域内的截止频率影响，当设置凸台后，上部电极7上端边缘的厚度要大于其中间的厚度，根据质量负荷效应计算，上部电极7边缘处的截止频率要低于上部电极7中部处的截止频率，因此当施加的频率位于上部电极7边缘处的截止频率及上部电极7中部处的截止频率之间时，上部电极7中部成为传播区域，而上部电极7边缘处成为截止区域，因此形成了封闭谐振，使得能量损耗更少，提升压电传感器的灵敏度；通过第一沉槽9、第一镂空槽11及第二镂空槽12的设置，能够使得压电薄膜6的挠曲变形增大，压电薄膜6的应变程度得到加强，从而输出更强的电信号，提升压电传感器的灵敏度，同时通过使第二镂空槽12及第一镂空槽11的容量不同，能够得到互不相同的频率特性，可以实现良好的滤波特性，能够防止上述互不相同的频率之间的期望频带以外的其他频带的压力变动，进而对期望频带的压力变动具有较好的灵敏度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。