基于LiTaO3的长量程高性能压电压力传感器

《IEEE Sensors Journal》：LiTaO3-Based Piezoelectric Pressure Sensor With Long Range and High Performance

　　

摘要：

压电式压力传感器凭借其快速的动态响应特性，被广泛应用于瞬态冲击检测、机械状态监测和工业力测量领域。然而，传统压电式传感器在测量范围、灵敏度和封装尺寸之间存在固有的矛盾。结构体积和等效质量的改变会改变自然谐振频率，从而恶化动态响应特性。这些相互矛盾的约束条件使得多个核心性能参数无法同时优化，因此限制了高性能压电式传感器在工程中的应用。本文研制了一种氧化锂单晶压电式压力传感器，其有效承载面积为319 mm2，测量范围为0–2000 N（0–6 MPa）。通过准静态阶梯压力校准测试和动态压力冲击测试，对其静态和动态感知性能进行了表征。该传感器展现出优异的满量程线性度，决定系数R2 = 0.99991，电荷灵敏度为13.13 pC/N（4188.47 pC/MPa）。其响应时间极快，仅为3 μs，且输出电荷能够准确跟踪阶梯式压力变化。此外，在5分钟电荷保持测试后，电荷漂移仅为2.29%，显示出卓越的电荷保持稳定性。经过循环压力加载疲劳测试和高低温环境测试后，该传感器仍保持稳定的输出信号和完整的电气功能，性能无任何退化。所提出的传感器具有卓越的总体性能，在高精度大范围压力测量应用中展现出良好的前景。

一、引言

随着科技创新的加速推进，尤其是在智能制造、航空航天、环境监测、生物医学和新能源[1]、[2]、[3]、[4]、[5]等领域，对精确可靠的压力测量有着迫切的需求。目前，常用的压力传感器包括压电式[6]、[7]、[8]、压阻式[9]、[10]、电容式[11]、[12]、电磁式[13]以及其他类型的压力传感器[14]、[15]。虽然压阻式和电容式传感器表现出优异的灵敏度参数，但其实际应用中面临着巨大的限制，这源于其固有缺陷，包括易发生疲劳退化、动态响应特性不佳以及持续依赖外部电源等问题。这些技术缺陷严重制约了它们在需要强健性能和长期稳定性的先进测量场景中的可行性[16]。压电式压力传感器作为自供电设备，利用压电效应进行机电能量转换，展现出独特的优势，包括结构简单、频率带宽宽、灵敏度增强和响应迅速等特性。这些内在优点使压电式压力传感器成为动态压力测量应用的首选方案。此外，其卓越的工作可靠性和自主发电能力推动了其在需要持续压力监测的工业自动化系统中的广泛部署。自供电特性和强大的环境适应性的结合使这些传感器在要求持续测量稳定性和抗干扰能力的恶劣工业环境中尤为 advantageous。