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应变界的翘楚:硅基谐振式传感器灵敏度非常高

简介:

应变传感器又称应变计(strain gauge)是一种常用的传感器,它利用了弹性材料(金属、合金、半导体或者金属陶瓷)的压阻特性来检测被测结构的正应变与剪切应变,它广泛应用 于结构健康监测中,覆盖的应用领域包括土木工程、机械、航天、医疗以及可穿戴系统等。

相比于传统的应变片,硅基谐振式应变传感器具有灵敏度高、温漂小、准数字化输出、抗干扰能力强等特点,是一类高性能的应变传感器。

硅基谐振式应变传感器一般采用双端固支音叉结构(Double Ended Tuning Fork,DETF)的谐振式传感器。通过将两根双端固支梁并联,并使两根梁的振动反相,形成音叉结构,来获得较高的品质因数(Q值)。

目前,硅基谐振式应变传感器的主要问题在于,硅微机械结构受空气阻尼的影响较大,在常压下难以获得较高的Q值,必须采用真空封装,而目前较成熟的微机械真空封装技术一般需要超过400度的高温工艺或者需要使用低渗透率的封装材料并结合吸气剂,这两类工艺与硅基谐振式应变传感结构的兼容性较差。

日本横河电机株式会社研制的高精度谐振式压力传感器中采用了一种H型谐振式应变敏感结构。该结构采用均质的H型梁,通过电磁驱动使H型梁的4个臂振动,通过电磁检测振动频率随应力的变化。由于该结构为均质硅结构,没有金属引线,可以采用高温的硅外延工艺实现真空封装。但是,该结构必须采用电磁驱动、电磁检测,当用作应变传感器时,电磁铁的封装难度大。

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