CN1075891C - 单体加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
一种单体加速度传感器包括：一固定部；两个可动质量部和一个端部固定于所述可动质量部的谐振子；一个围绕这两个可动质量部的柔性框架；以及两个将该框架连接于第二可动质量部和连接于固定部的连接件。框架在谐振子和固定部之间提供一个机械滤波器，且固定部不受谐振子振动的影响。谐振子的品质因数Q值不降低且由此传感器提供的测量更精确。在一个差分输出加速度计中，传感器的位置由另一个传感器的位置导出，相同传感器绕平行于谐振子的一条轴线转动180°，这些传感器的多个固定部固定在一起。
Description
本发明涉及一种单体加速度传感器，由一个固定部、一个可动质量部和一个谐振子组成，谐振子有两端，其中一端与可动质量部连接。
本传感器可用于例如差分输出加速度计，尤其是本发明提供一种低成本的微型加速度计，可用于例如航空器和直升机导航，可用于导引导弹，并可用于地面车辆的主动悬浮(active suspension)。
构成本发明所述传感器响应元件的谐振子优选形式是一个可弯曲或可扭曲的压电材料振动叶片。当作为惯性质量的可动质量部受到加速度作用时，其叶片的振动频率高度敏感于纵向施加于其上的伸张或压缩力。叶片的伸张或压缩被转变为电信号，由该振动片所承载并与例如一个振荡电路连接的多个电极采集。在振荡电路的输出端产生一个信号，其频率变化表示加速度变化。
与传统的具有模拟输出(例如：电压)的加速度传感器相比，具有频率输出的加速度计性能更好，因为频率易于以数字形式进行处理。
另一个重要特点是本传感器的单体特征，能使微型传感器通过化学加工工艺以相当低的成本制作，并能提高产品性能，因为多个元件的组装过程通常会构成对非单体传感器的主要制约。
最常用来制造单体传感器的材料是石英和硅，它们以其非常稳定的机械特性而备受青睐。
如同一申请人的法国专利申请2685964所述，图1所示的加速度计CA′的本体是单一体，由压电晶体，例如石英经化学加工制成。加速度计CA′本体通常为平行六面体，包括一个固定于基座ba上的固定质量部1、一个可动质量部2、两个振动叶片31和32及两个柔性铰链441及442。加速度计CA′的本体绕中央纵轴Z′Z对称。
所述叶片31是一个具有小矩形截面的梁形件，它的弯曲振动由两个极性相反的金属电极341及342压电激励。这些电极由光刻工艺印制到叶片的纵向外侧面，并终止于固定质量部1的相应面F1上，其两个导电片331和332由两根导线391及392连接至振荡器电路51的两个初始端。在固定部1的反面F2和叶片32上同样设置电极和导电片，连接至第二振荡电路52。
两个振荡电路51及52的输出端连接到一个包括频率减法器电路6和频率计7的差分频率测量装置，频率计7测出的频率值(f1-f2)表示被测的加速度。
参照已有技术加速度计CA′的机械设计，其两个铰链441及442在垂直于本体中剖面pm的敏感方向DS上是可弯曲的。如果加速计在此敏感方向DS上承受一个加速度，叶片31及32就会伸展和压缩，即：它们经受了与加速度成比例方向相反的轴向力。因而引起两个叶片产生相反符号的频率变化，如果两个叶片相同，其频率变化的幅度也相同。另一方面，不真实的输入信号幅度，例如由温度，在两个叶片上产生共模效果，其频率变化符号相同。差分输出(f1-f2)的优点是衰减了敏感方向DS上加速度之外的输入信号幅度。
铰链441及442特别的阶梯形状，使得可以对本体CA′进行单步骤化学加工，距平行于平板pm的传感器本体两表面F1及F2的加工深度相同。
已有技术的传感器CA′的机械设计有缺陷，尤其是有关两个叶片31及32的振动。首先，机械载荷，如两个叶片31及32“装入”固定质量部1处且由它们振动产生的弯曲力矩和剪切力，造成向附加于其上的基座ba的振动机械能耗散，因而降低了两叶片31及32各自的振动品质因数Q值。其次，两个叶片“装入”可动质量部2之处及其振动产生的机械载荷，使所述可动质量部产生与两叶片31及32振动频率相同的小幅度振动位移。这导致了两个叶片振动之间的机械耦合，从而干扰了它们的振动。这两个缺陷影响了被测差频(f1-f2)的精确度并影响了由其得出的加速度数值。
图2所示为专利申请WO 89/10568中公开的第二种单体传感器，该传感器本体由化学加工的硅片制成，包括一个固定部21，一个惯性质量部22和三个以热-机方式激励的可弯曲振动谐振子(弦)23，24及25，例如采用在每个谐振子上利用离子注入而获得的加热器元件(未示明)。这第二种已有技术传感器的敏感方向垂直于硅片表面。传感器的输出信号是三个谐振子23,24及25的频率值的线性组合函数，与垂直于敏感方向的加速度无关。
第二种已有技术的传感器的主要缺点是三个谐振子振动之间的机械耦合，这影响了传感器的精确度。
图3表示英国专利申请2162314公开的由化学加工硅片获得的第三种单体传感器。该第三种传感器包括一具有柔性薄部15的支持框架11和一个谐振子，谐振子的形式为两根反相振弦12组成的双端调谐叉和连接在支持框架上的两个根部13和14。根部14连接到支持框架的固定部16，另一根部13连接到支持框架构成惯性质量的U形可动部17。固定部16与可动部17由构成铰链的柔性薄部15连接在一起。
第三种已有技术的传感器的第一个缺点是对于可动部17的小质量来说，两根振弦12的振动机械能吸收不足。
第三种已有技术的传感器的第二个缺点是惯性质量17的连接部15的位置，在温度快速变化的情况下有损于传感器的热-机性能。在此情况下，固定部16的温度θ1和惯性质量17的温度θ2之间出现差值，因为这两部分是由谐振子12和连接部15连接起来的，而这两部分的截面小，可以看作为热滤波器。谐振子12的平均温度大致相当于连接部15的平均值，约等于(θ1+θ2)/2。连接部15的位置，平行于振弦12，在垂直方向上与谐振子根部14大体上共线，因而U形惯性质量部17的平行分支使谐振子总长度增加。于是，由于谐振子与支持框架11的热膨胀不平衡，引起了谐振子伸张或压缩的机械应力，产生频率变化，被不正确地当作加速度。
图4表示已有技术的谐振子，用于一种恒温控制的振荡器，其特征为低能耗与快速加热，如法国专利申请2688954所述。与前文所述已有技术的传感器不同，这种谐振子被设计为传递一种信号，具有尽可能稳定的频率，因此必须对加速度相对地不敏感。于是，这种谐振子的函数与已有发明的传感器的那些函数不同。
从结构观点来看，图4所示的谐振子包括一个中心部R1和一个以小径向间距围绕中心部形成一个环的外围部R2，通过一个其内形成开口的中间部R4与外围部R2相连。外围部R2由中间部R4的固体部构成的单连接桥R3连接到中心部R1，连接桥宽度仅占中间部R4很小的部分。
中心部R1构成谐振子的主动振动部，外围部R2由附加固定装置R5，例如位于外围部R2上关于主动中心部R1与单连接桥R3相对区域的夹持件，将其固定在一个壳内。
具有单连接桥的这种实施例疏导被导引的热通量，并由连接桥R3水平位上的温度传感器R7和加热器元件R6实现对谐振子温度的良好控制。主动中心部R1在厚度方向剪切作用下的振动频率为10MHz数量级。振动机械能由中心部两个主面的至少其中之一的凸出形状吸收于中心部之内。
本发明的主要目的在于改进前述已有技术传感器的不足，提供一种在前序部分所述的单体传感器，尤其是差分加速度计，它的几何结构可避免从谐振子到传感器固定部的振动机械能耗散。其谐振子的品质因数Q值不会降低，与另一个类似的谐振子的机械耦合被消除，从而改善了加速度计的精确度。
相应地，根据本发明的传感器的特征在于它包括一个紧固于所述谐振子另一端的第二可动质量部，一个围绕所述两个可动质量部的柔性框架，一个将该框架连接到第二可动质量部的第一连接件和一个将该框架连接到固定部的第二连接件。
从而，框架的变形能力和框架内的两个可动质量部的位置提供了在谐振子和传感器固定部之间的机械滤波器，这个固定部实际上不受来自谐振子的振动作用。因此谐振子的品质因数Q值没有实际的降低，从而相应地提高了传感器提供的测量精度。
根据一个较好的实施例，柔性框架是矩形的，包括两个与谐振子大致平行的边框和另两个与谐振子大致垂直的边框，它们分别由第一和第二连接件相应地连接到第二可动质量部和固定部，第一连接件的宽度小于第二可动质量部的宽度，第二连接件的宽度小于其他边框的长度，这些宽度为其他边框纵向的宽度，这些连接件至少其中之一的截面尺寸与框架边框截面尺寸具有同样数量级。
为了获得机械滤波器的最大效率，两个可动质量部、谐振子、柔性框架和两个连接件最好有一个与框架平面垂直的共同对称平面，两个连接件分别位于框架和对称平面的截面处。
根据本发明的其他特点，传感器的单体包括两个共面的叶片，每个叶片的端部分别紧固于两个可动质量部，谐振子的每一侧配置一个。这些叶片的长度大体上小于谐振子长度，以增加传感器的机械耐用性。这些叶片位于谐振子长度方向的中部以防止温度迅速变化引起有害的机械应力。
为了用一道化学工序加工均厚板材制成传感器单体，这些叶片与上述板材的一个面齐平，即，至少与可动质量部有一个共同的平面；谐振子与上述板材的另一个面齐平，即，另一面至少与可动质量部共面；并且谐振子与这些叶片在可动质量部的厚度方向上具有共同的宽度。
固定部可以置于框架内以进一步减小传感器的体积。
本发明也涉及一种包括两个本发明加速度传感器的差分输出加速度计。第二传感器的位置由第一传感器绕一条轴线旋转180°导出，该轴线平行于通过第一传感器的谐振子端部的轴线，两个谐振子的固定部紧固于一个共同的基体上。
根据第一个较好实施例，这些传感器关于一个平面互相对称，这个平面与每一个传感器的可动质量部的共同平面平行。
根据第二个较好实施例，传感器的固定部、框架和可动质量部有多个共同平面，这些传感器最好绕一条平行于上述共面的轴线互相对称。
在阅读过配有相应附图的若干实施例的详细叙述之后，本发明的其他优点和特点将更为清晰，这些附图是：
图1,2和3是三个已经叙述过的已有技术传感器的透视图；
图4是一个已经叙述过的已有技术谐振子的俯视图；
图5是构成本发明第一实施例的加速度传感器的透视图；
图6A和6B是图5中的加速度传感器的前视图和透视图，图中显示了经过放大的传感器的谐振子分别受到弯曲振动和扭曲振动时传感器的形变；
图7A,7B和7C是图5中传感器谐振子和可动部的透视图，显示了加速度相应三个空间分量之中每一分量产生的机械载荷；
图8A,8B和8C是着重于传感器机械强度的本发明其他实施例的加速度传感器的透视图；
图8D是着重于本发明小型化的一个另外实施例的加速度传感器的透视图；
图8E是具有振动导入装置的，着重于可弯曲振动谐振子，构成本发明另外一个实施例的加速度传感器的透视图；
图9是本发明的一个差分加速度计的透视图，由两个与图8E中的传感器基本相同、具有辅助测频装置的传感器构成；
图10是构成本发明的一个不同实施例的差分加速度计，由在同一板材上加工两个传感器制得。
参见图5，本发明的一个加速度传感器TA主要包括一个固定部1，一个构成惯性质量的第一可动质量部2，一个构成敏感元件的谐振子3，一个第二可动质量部4，一个可变形框架5和两个连接件6,7。
图5所示的实施例中，传感器TA形成一个由均厚E、宽L、高H1+H7+H5的单板材料例如硅或石英加工而成的单体。传感器TA的一般形状是平行六面体，沿中央的纵轴Z′Z标明的高度方向垂直伸展。轴Z′Z位于与单板平面平行的中平面PM和与单板平面垂直的平面PS内。平面PS是传感器的对称平面。
固定部1形成一个平行六面体块，位于传感器本体纵向的一端，调整至由基部BA固定于发动机(图中未显示)结构上。固定部1固定于基部BA，例如以胶接方式。
可动部2,4一般均为U形，其平行臂与传感器中央纵轴Z′Z平行，它们的U形内空间垂直于Z′Z轴，互相对置，可动部2比可动部4距离固定部1更近。在所示的实施例中，至少可动部2,4的宽度L2和L4是相等的。
在所示的实施例中，谐振子3是一个平行于Z′Z轴长度为H3的平行六面体形叶片，其矩形横截面的厚度为E3，宽度为L3，分别相应地小于其相同方向上的传感器TA的厚度E和宽度L。谐振子3的端部紧固于相应的可动部2,4，位于可动部内空间的相对平面上。谐振子3面向本体外侧的面与传感器TA的部件1,2,4的对应大表面共面，亦即板材的相应表面。
谐振子3有多个电极(未画出)，使其按其谐振频率振动并与一个振荡器和一个测频电路连接。谐振子3最好能弯曲或扭曲振动，因为这样振动的频率在构成惯性质量的可动质量部2受到加速度作用时，对纵向施加于谐振子的伸张力或压缩力高度灵敏。
谐振子3可有图5所示实施例的平行六面体叶片以外的构成形式。例如：谐振子3可为在现有技术文献美国专利4,594,898(KIRMAN等)和美国专利4,215,570(EER NISSE)中叙述的具有两或三个叶片的双调音叉形。
关于使谐振子3振动的电极，根据构成传感器单体材料的性质可以有多种构成形式，例如：在使用压电材料如石英的情况下，采用同一申请人的2,685,964号法国专利中所述的具有两或三个导电带的电极构造是有利的。其他传递振动的方式，例如利用静电作用的方式也可同样好地得到应用。
关于谐振子3和将振动传递给其的电级，必须理解，本发明申请的范围包括这些变异以及更一般的其它类似结构。
图5所示的实施例中，柔性框架5有一个矩形的前轮廓，由平行六面体形边框51,52,53,54构成它的四边。边框51,52的长度方向H5平行于Z′Z轴，它们的矩形截面具有相同厚度L51和相同宽度E，分别与传感器TA的宽度L和厚度E方向相同。边框53,54的长度L在传感器TA的宽度L方向上，与之相同。边框53位于传感器纵向与设置固定部1相对的一端。边框54位于固定部1与第一可动部2的芯部之间。边框53,54的矩形截面由平行于Z′Z轴的厚度H53,H54和与传感器厚度E同方向的相同宽度E限定。
柔性框架5围绕着可动质量部2,4，并由连接件6与可动部4连接，由连接件7与固定部1连接。
在图5所示实施例中，连接件6是平行六面体块，其三维尺寸H6,L6及E分别与传感器的Z′Z轴、宽度L和厚度E方向相同。连接件6与框架5的边框53和第二可动部4连接。
连接件7是平行六面体，其三维尺寸H7,L7及E分别与传感器的Z′Z轴、宽度L和厚度E方向相同。连接件7与框架5的边框54和第一固定部1连接。
平面PM和PS是连接件6和7的对称平面。
传感器TA的单体还包括两个相同并共面的平行六面体形叶片81和82，位于谐振子3的两侧，每个叶片81和82的端部各自与可动部2和4连接。叶片81,82的长度H8平行于Z′Z轴，大体上小于谐振子的长度H3，这使叶片具有很高的弯曲强度，可提高传感器T的机械强度。叶片的长度H8一般在H3/10与H3/2之间。
平行于Z′Z轴的叶片81,82的位置最好基本上位于谐振子3长度方向H3的中间，以使U形可动部2和4平行于Z′Z轴的臂部大致等长。叶片该位置可使谐振子免受传感器TA温度不均匀时的有害机械应力，即传感器基部BA受到温度急剧变化影响的情况。在这种情况下，可动部2,4的温升不同，谐振子的平均温度大致等于叶片81,82的平均温度，其值大致等于两个可动部温度的平均值。
如果这两个叶片不是基本位于谐振子3长度H3方向的中间位置，叶片和可动部沿谐振子Z′Z轴方向的热膨胀将不平衡。这会引起谐振子的伸张或压缩机械应力与相应的频率变化，从而被错误地当作加速度。根据本发明，叶片大致位于谐振子长度H3的中间位置，避免了上述缺点。
在图5的实施例中，叶片81,82朝向传感器本体外的平面与可动部2,4的一个共同平面共面，并且更一般地与板材的一个面共面，谐振子3朝向本体外的侧面与板材的另一面共面。叶片81,82的厚度E8与板材厚度E方向一致，与谐振子厚度E3相同。此外，叶片和谐振子的厚度E3=E8小于板材厚度E的一半。厚度E3=E8一般在E/20至E/4之间。
谐振子和叶片的形状和尺寸允许用一次化学加工制成传感器TA单体。为此，在化学加工之前，使用具有几何图形的掩模保护板材的两个表面，掩模的几何图形与传感器的表面形状相同。于是，固定部1和可动部2,4、柔性框架5和连接件6,7在两面都受到保护，而谐振子3和叶片81,82只有它们朝向传感器本体外的面受到保护。然后对板材的两面同时进行化学加工至蚀刻深度(E-E3)。因为E3小于E的一半，所以蚀刻深度(E-E3)大于E/2，从而足够多的材料被从板材的两面除去，例如从柔性框架5的边框54与可动部2之间除去，达到蚀刻位置。
接下来参照图6A及6B叙述本传感器的操作，它表示可动件4、柔性框架5和连接件6,7的特殊配置的优点；参照图7A,7B和7C它说明传感器经受加速度三个空间分量叶片81,82、谐振子3和可动部2的机械动作。
图6A是图5传感器TA在其谐振子3受到平行于板材表面的弯曲振动时的表面视图。谐振子3、柔性框架5和连接件6,7的形变对应于振动幅度，并且被放大以便于理解该图。
这些振动现象的解释如下：
当谐振子3按其谐振频率经受弯曲振动时，在它的结合端施加一个交变的剪切力R并在各可动部2,4施加一个交变弯曲力矩C，因而可动部产生一个交变位移，它的主分量δ是平行于板材平面并垂直于Z′Z轴的平移。为了使图便于理解，可动部的位移δ画得大于谐振子的振幅Δ。实际上，δ比Δ小得多，因为可动部的质量比谐振子的质量大得多。可动部2,4的这种小交变位移δ通过连接件6的中介引起柔性框架5小幅度受迫振动。由于可动件在框架内，框架的受迫振动原则上是可变平行四边形式，即，框架的四个边框51,52,53,54基本上承受的是弯曲载荷，而不是可动部在框架外的情况下的伸张或压缩载荷。这四个边框是易变形的，固定部1仅受到通过连接件7传递的框架5的交变变形引起的非常小的交变载荷。固定部受到的交变载荷基本上是力r和扭矩c，它们各自的幅度远远小于谐振子3施加于可动部2,4上的剪切力R和弯曲力矩C的幅度。例如，载荷r和c可达到载荷R和C的百分之一。
相应地，框架5的柔性和框架内可动部2,4的位置构成谐振子3和传感器固定部1之间的机械滤波器，所述的固定部基本不受谐振子振动的影响。因此，谐振子的品质因数Q实际上没有衰减，传感器提供的测量精度因而得到提高。
再参见图6A，耦合件6,7易于经受平行于板材平面、交变且基本上是弯曲的形变。这是因为连接件6和7横切轴Z′Z的矩形截面(L6×E)和(L7×E)和框架的四个边框51,52,53,54的矩形截面(L51×E)、(H53×E)和(H54×E)是同样尺寸。结果是，连接件6,7具有可弯曲的变形能力，明显小于框架的变形，不过，对谐振子振动的机械滤波作用有小的影响。
读者可能记得图6中表示的交变位移和变形幅度构成本传感器中主要的振动现象。实际上，它们与较小幅度的其他振动共存，例如可动部2,4围绕中央纵轴Z′Z的交变转动。可动部的这种交变转动由谐振子3的弯曲振动产生，因为发生这些振动的中平面不通过可动部2,4的惯性主轴Z′Z轴。可动部的交变转动使柔性框架5产生绕Z′Z轴交变扭曲，框架的扭曲变形传递给固定部1仅仅是一个非常小的围绕Z′Z轴的扭矩。它对谐振子振动的机械滤波作用的影响可以忽略。这个扭矩的情况在下面扭矩振动谐振子的部分再作详细解释。
更一般地说，由于框架5的柔性，有效滤除了可动件2,4产生的、作用于连接件6的大部分交变机械载荷。尽管如此，为了更有效地进行机械滤波，可动件2,4、谐振子3、框架5和连接件6、7最好具有共同的对称平面PS，垂直于板材表面并通过Z′Z轴，如图5所示。在一个没有这样对称性的变型中，无论是出于有意的选择还是制造缺陷，通过固定部1传递的机械载荷比对称型结构要大，但是一般大体上低于由谐振子3产生并施加到各可动部2,4的较低的交变载荷R和C。上述特征表明有效的机械滤波较能容许制造缺陷，并且本发明的传感器更适于降低生产成本。
图5所示传感器的实施例同样可以很好地采用一个接受平面PS内的，即横切板材表面的弯曲振动的谐振子3。
在这种情况下，谐振子施加于可动件2,4上的交变机械载荷平行于平面PS，且所述可动件受小的交变位移作用，位移的主分量为垂直于板材表面的平移。通过连接件6的中介作用，可动件的这些小交变位移使柔性框架5产生小幅度交变形变，框架的边框51,52主要的弯曲变形平行于平面PS，边框53,54主要扭曲变形围绕它们各自的中央纵轴。边框51,52,53,54可以弯曲和扭曲变形，固定部1只受到通过连接件7传递的框架5交变形变产生的非常小的交变机械载荷的作用，固定部1所受交变机械载荷的幅度远远小于谐振子施加于可动部2,4的载荷。于是，与谐振子经受平行于板材表面的弯曲变形相类似，固定部1仅受到谐振子振动的轻微影响，从而谐振子3的品质因数Q实际上没有降低。
图6B是图5中的传感器TA的透视图，其中的谐振子3经受关于它的平行于Z′Z轴的中央纵轴的弯曲振动。如图6A，谐振子3、柔性框架5和连接件6,7的相对于振动幅度的形变被加以放大以便于理解。
当谐振子3受到谐振频率的扭曲振动时，在它的嵌入端将一个交变扭矩T分别施加于各可动部2,4，于是它们便经受交变位移，且其主分量ω为绕Z′Z轴的转动，该轴是所述可动件的惯性主轴。为了便于图解，可动部的转动量ω被表示为大致与谐振子扭曲振动幅度Ω相等。实际上，ω比Ω小得多，因为可动件的转动惯性比谐振子的扭曲惯性大得多。通过连接件6作用，可动件绕Z′Z轴的小转动量ω使柔性框架5产生小幅度受迫振动，绕Z′Z轴产生扭曲。
框架的这种扭曲变形主要包括，对于各边框51,52,53,54，绕中央纵轴Z′Z的扭曲变形和垂直于板材表面的弯曲变形。上述四个边框可以扭曲和弯曲，固定件1仅受到通过连接件7由框架5交变形变引起的非常小的载荷。固定件受到的交变载荷主要是扭矩t，它的幅度比谐振子3施加到各可动部2,4的扭矩T小得多。因此，固定部1仅受到谐振子振动的轻微影响，它的品质因数Q实际上没有衰减。
仍参见图6B，连接个6,7主要受围绕Z′Z轴的交变扭曲变形。这些耦合件的扭曲变形，尽管明显小于柔性框架的扭曲变形，仍对谐振子振动的机械滤波效果产生小的影响。
以对谐振子弯曲振动的同样方式，对于可动件2,4、谐振子3、柔性框架5和连接件6及7，最好有同样的对称平面PS，如图5所示，以使扭曲振动的机械滤波尽可能高效。
由于柔性框架5的作用，对于固定部1在谐振子3的谐振频率(几十千赫)处的弯曲振动和扭曲振动能量耗散减少得一样多。然而，传感器在工作频带(从D.C至几百千赫)的机械强度没有减弱。
图7A,7B,7C是图5中传感器TA的局部透视图，限于谐振子3、叶片81,82和可动部2,4，试图显示传感器经受加速度三个空间分量中每一分量时，可动部2施加给谐振子的主要机械载荷。考虑可动部2施加的机械载荷，未示出的部分，即：固定部1、柔性框架5和两个连接件6,7没有实际影响，因此，可动部4可被认为直接作用于例如一个基座上。
参照图7A，垂直施于板材表面的加速度Γ1对谐振子3施加一个纵向张力P1，并对每个叶片81,82施加一个纵向压缩力Q1、一个横向弯曲力N1和一个横向弯曲扭矩V1。由可动部2作用于谐振子和叶片的其他机械载荷(未示出)对于传感器的操作是不重要的，这些其他的力在此被忽略以简化现象的叙述。
力P1的表达式由解一个方程组得到，该方程组代表可动件2的平衡和叶片体81,82的机械动作，由此获得一个成比例于加速度Γ1的力，且约为：
P1=[HG/(E-E3)]MΓ1
此处，
HG是垂直于Z′Z轴的两平面之间的距离，第一平面位于叶片81,82的中线，第二平面通过可动部2的重心G；
M是可动部2的质量。
比值[HG/(E-E3)]，即力P1表达式中的系数MΓ1可以高达若干单位，例如5。
还应注意到力P1的表达式是代数式，表示事实上当加速度Γ1改变方向时，力P1改变方向，变成一个纵向压缩力加到谐振子3上。
作用于谐振子上的伸张或压缩力P1使谐振频率F分别提高或降低一个变量(ΔF)1：
(ΔF)1=kP1=k[HG/(E-E3)]MΓ1
此处k是系数，依赖于谐振子振动的性质，例如弯曲或扭曲，谐振子的几何形状和材料特性，例如石英或硅。
频率F的变化比例于垂直施加于板材表面的加速度Γ1。例如：设计测量上限为100g的传感器和经受50,000Hz弯曲振动的谐振子，可能产生20Hz/g的频率变化。参见图5，该传感器单体的尺寸为：
H1+H7+H5=6mm；L=4mm；E=0.4mm
参见图7B，平行于Z′Z轴的加速度Γ2主要施加到谐振子3上一个纵向伸张力P2，约等于(1/2)MΓ2，同时向叶片81,82各自施加一个纵向力Q2，约等于(1/4)Γ2。当加速度Γ2改变方向时，这些力也改变方向。
以对加速度Γ1前面情况的同样方式，作用于谐振子的伸张或压缩力P2分别引起其谐振频率F提高或降低一个变量(ΔF)2：
(ΔF)2=kP2=k(1/2)MΓ2
在加速度Γ1和加速度Γ2的幅度相同时，频率变量(ΔF)2一般小于频率变量(ΔF)1。于是，回想到前例(ΔF)1=20Hz/g，有可能得到：
(ΔF)2=2Hz/g。
参见图7C，垂直施加于传感器的平面PS的加速度Γ3实质上分别向各个叶片施加垂直于Z′Z轴的力N3Z和V3Z，而实际上未向谐振子施加任何伸张或压缩力。结果它的频率F实质上没有频移(ΔF)3。
了解了加速度三个分量Γ1、Γ2和Γ3对于谐振子频率F的改变，将本发明的两个传感器结合是有优点的。第二传感器的位置根据第一传感器绕一个轴转动180°的位置导出，该轴平行于Z′Z轴，并且两个传感器的固定部固定于同一基座上。根据本发明的两个传感器的结合构成一个差分输出加速度计，它的敏感方向垂直于两块板材的表面，与已有技术的差分加速度计相比，具有消除两个传感器包含的谐振子振动之间的机械耦合的优点。这样上述振动不再互相干扰，因而提高了差分频率测量精度以及由此得到的加速度的精度。以此方式将本发明的两个传感器结合的这些特点还将在下面进一步说明。
图8A,8B,8C,8D和8E表示本发明传感器的其他实施例。
参见图8A，传感器TAa不同于图5传感器TA之处在于，连接件6A在传感器TAa的宽度La方向的尺寸L6a明显地大于尺寸L6。尺寸L6a在La方向上明显地小于传感器TAa的可动件4a的尺寸L4a。这个实施例的优点是传感器TAa的连接件6A的高刚性增加了传感器单体的机械强度，并具有较高的传感器本体固有频率。与此优点相抵的是，传感器TAa的谐振子3a振动的机械滤波效果不如传感器TA的谐振子3，但无论如何也明显地大于已有技术的加速度计。
图8B表示的传感器TAb不同于图5的传感器TA之处在于，连接件7b在传感器TAb的宽度方向Lb的尺寸L7b实质上小于传感器宽度Lb。这第三个实施例与传感器TA相比的优缺点实质上与图8A中传感器TAa的优缺点相同。
在机械强度作为基本准则的场合，配置一个图8C所示的传感器TAc是有利的，其中两个连接件6C及7C分别与图8A中传感器TAa的连接件6a和图8B中传感器TAb的连接件7b形状相同。因此，传感器TAc的谐振子3C的机械滤波作用几乎全部由传感器TAc的框架5C的边框51C和52C的柔性来实现，仍然比现有技术加速度计的滤波作用更有效。
图8D表示的传感器TAd适用于微型化作为重要准则的场合。传感器TAd不同于图5中传感器TA之处主要是固定部1d位于柔性框架5d内并在传感器TAd的可动部2d和边框54d之间。于是，上述框架5d构成传感器TAd的外轮廓。这种结构减小了传感器的尺寸，同时保持了边框51d和52d的足够长度H5，使之保留所需要的柔性以实现传感器TAd谐振子3d振动的很好的机械滤波作用。
因此，谐振子振动的机械滤波效果很大程度上取决于平行于传感器的中央纵轴Z′Z(即：平行于通过谐振子端部的轴)的两个柔性框架边框的弹性。与其他柔性框架的两个边框及两个连接件相比，这两个边框对于谐振子振动产生的机械应力具有更大的柔韧性。更概括地说，本发明的传感器的正确运作要求至少有两个其纵轴平行于贯穿谐振子两端的轴大致为平行六面体的柔性边框。环形框架，如同图4所示已有技术谐振子的外围部R2，不能使本发明传感器正常工作。
图8E表示具有石英单体的传感器TAe，传感器TAe的谐振子3e振动的传递方式类似于图1中所示第一个已有技术加速度计CA′的振动叶片31和32的方式，因而特别适用于平行于板材表面的弯曲振动。传感器TAe不同于图5中传感器TA之处主要在于它的盘状外形、柔性框架5e的边框53e和54e的部分环状外形和固定部1e的U形。这个固定部包括一个基部10e，其形状为一个基本上沿柔性框架的边框54e伸展的不完全的环，与连接件7e固定，还包括两个盘状扇形的分支11e和12e，分别从基部10e的端部沿框架的边框51e和52e伸展。相应地，柔性框架5e位于固定部1e的U形之内。
盘形分支11e和12e固定于外壳基部BAe例如用胶接方式。
传感器TAe固定部1e的U形与图5中所示传感器TA的固定部1的平行六面体形相比有如下优点：
对于同样的外形整体尺寸，传感器TAe安装于基部BAe的平面被更明确地限定；
如果需要增加传感器的机械强度，可以方便地用两个法兰安装到盘形分支11e和12e的表面并将可动部2e的位移限于一个预定值；
把传感器TAe固定到基部BAe非常便利，由于传感器的质量中心位于正对基部的两表面之间，勿须用装置将传感器系于基部。
考虑传感器TAe的谐振子3的弯曲振动的机械滤波作用，传感器TAe的效果大致与传感器TA的效果相同，由于边框51e和52e足够的弹性。
如图8E所示，将振动传递给谐振子3e的方式是以一对相反极性的金属电极31e和32e，由压电效应激励谐振子的弯曲振动进行的。电极31e和32e被置于谐振子3e朝向传感器本体外的一侧，它们的“三轨”结构在同一申请人的法国专利申请2,685,964中描述过。电极31e和32e之间的电连接和外壳基部内的密封馈线(图中未示出)设置在固定分支11e和12e的水平面上，以焊接方式接到大致成矩形的各自的金属焊盘33e和34e上。如图8E所示，金属焊盘33e和34e由可动部4e、柔性框架5e、连接件6e及7e和基部10e的可视表面承载的金属导电带35e及36e分别连接至相应的电极31e和32e。
电极、导电带和焊盘用传统的光刻工艺对附着于石英板可视表面的金属层同时蚀刻获得的。这个附着金属层可以方便地利用先前作为加工传感器单体时的保护掩膜。
连接至电极31e和32e的壳体基部的密封馈线电连接至振荡电路(图中未示出)的两端，在振荡电路的输出端产生一个具有频率变化的交变信号，反映施加于传感器上的加速度的变化。
如前所示，本发明还涉及一种包括两个本发明的加速度传感器的差分输出加速度计，第二传感器的位置根据第一传感器绕一个轴转动180°的位置导出，该轴平行于一个通过谐振子的两端的轴，两个传感器的固定部固定于同一基部。在图5,8A,8B,8C,8D和8E所示的实施例中，通过谐振子端部的轴平行于传感器的Z′Z轴。因此，在两个根据本发明的加速度传感器的结合中，第二传感器的位置根据第一传感器绕一个平行于Z′Z轴的轴转动180°的位置导出。
参见图9，一个差分加速度计AD包括两个传感器TAe1和传感器TAe2，它们基本与图8E中传感器TAe相同，传感器TAe1的盘形分支11e1和12e1和传感器TAe2的盘形分支11e2和12e2紧固于同一基座BAe。在图9中说明的实施例中，传感器TAe1和传感器TAe2关于一个平行于两个板材表面的平面互相对称。其配置构成一个根据本发明的配置的特殊情况，但不应认为限定本发明。同样，传感器TAe以示例方式选定。本发明应用范围包括与图5,8A,8B,8C和8D中分别所述的传感器TA,TAa,TAb,TAc和TAd之中任一种大体相同的两个传感器的结合，并且更一般地为根据本发明的任何两个传感器的结合。
再参见图9，传感器TAe1的金属焊盘33e1和34e1由两根导线371和381连接至振荡电路911的两个第一端子。传感器TAe2的图中不可见面上的电极、导电带和焊盘的同样配置与第二振荡电路912有关。
两个电路911和922的输出连接至一个差分测频装置，该装置包括：一个频率减法器电路92和一个频率计93，频率计93测出的频率(F1-F2)代表被测加速度。
差分加速度计AD的运行现联系参照图7A,7B,7C的前述说明加以描述。
再参见图9，垂直于两个板材表面施加的加速度Γ1向谐振子3e1和3e2分别施加纵向伸张和压缩力(图中未示出)，如果传感器Tae1和传感器TAe2相同，伸张力和压缩力的大小也相等。这些纵向力导致谐振子3e1的频率F1产生一个增加(ΔF)1，并导致谐振子3e2的频率F2产生同幅度减小。
频率变化(ΔF)1的表达式前面已记为传感器的机械和几何特性的函数。
因而，频差(F1-F2)产生一增量等于：Δ(F1-F2)=2(ΔF)1
平行于传感器TAe1和传感器Tae2的轴线Z1′Z和Z2′Z2施加的加速度Γ2向谐振子3e1和3e2施加同样幅度的纵向伸张力(图中未示出)，在它们的谐振频率内产生相等的增量(ΔF)2。
因而，差频(F1-F2)对于加速度Γ2不产生任何变化。
垂直于前述两个加速度方向施加的加速度Γ3对谐振子3e1和3e2不产生纵向力，于是，频率F1和F2和差频(F1-F2)相对于加速度Γ3没有变化。
所以，差分加速度AD的敏感方向垂直于两个板材的表面。
因为各谐振子3e1和3e2振动的机械滤波作用，差分加速度计AD比前述已有技术加速度计多两个优点，其一是谐振子的品质因数Q值没有降低，其二是消除了它们振动之间的机械耦合。这两个优点提高了加速度计AD的精度。
图10表示一个差分加速度计AD′，包括两个从同一等厚板材制造的实质相同的传感器TA′1和TA′2。它们与图5的传感器构造相似。在图10的实施例中，差分加速度计AD′构成一般为平行六面体的单体。可动部21,41和22,42，框架51和52以及这两个传感器TA′1和TA′2的固定部1′具有与板材的两面相一致的共同平面。传感器TA′1的谐振子31与另一传感器TA′2的叶片812和822由板材的两表面之一加工而成；同样，另一传感器TA′2的谐振子32与第一传感器TA′1的叶片811及821，从板材的另一表面加工而成。中轴Y′Y平行于板材表面，构成加速度计AD′的对称轴。在所示的实施例中，相应传感器TA′1和TA′2的纵轴Z1′Z1和Z2′Z2平行于Y′Y轴，并且传感器TA′1和TA′2关于Y′Y轴对称，构成一个根据本发明结构的特例。在已说明的实施例中，差分加速度计AD′的固定部1′前轮廓呈I形，纵向分支沿Y′Y轴居中，其横向分支之一分别固定传感器TA′1和TA′2。这种I形固定部1′的优点与图8E中传感器TAe的U形固定部1e的优点相似：明确的安装平面，便于用两个法兰支撑，并易于将所述固定部固定到基体上。
参考图9中的差分加速度计AD，差分加速度计AD′的敏感方向垂直于板材表面，其优点是比已有技术加速度计精度更高。
与加速度计AD相比，将加速度计AD′并入壳体内的过程得以简化，在微型化和低成本为决定性因素时是有益的。
从另一面来看，加速度计AD具有能够选择构成它的两个传感器的优点，目的是进一步提高其测量精度。
Claims (13)
1．一种单体加速度传感器，包括一固定部(1)、一可动质量部(2)和一谐振子(3)，该谐振子(3)的两端之一固定于可动质量部(2)，其特征在于它包括一第二可动质量部(4)，固定于谐振子(3)的另一端，两个叶片(81,82)，各自端部分别固定于两个可动质量部(2,4)，并分别位于谐振子(3)两侧，布置在这两个可动质量部(2,4)周围的柔性矩形框架(5)，包括两个平行于谐振子(3)的第一边框(51,52)，和另外两个垂直于谐振子(3)的第二边框(53,54)，一将该第二框架之一(53)连接于第二可动质量部(4)的第一连接件(6)，和一将该另一第二框架(54)连接于固定部(1)的第二连接件(7)。
2．根据权利要求1所述的传感器，其中第一连接件(6)的宽度(L6,L6a)小于第二可动质量部(4)的宽度(L4,L4a)，第二连接件(7)的宽度(L7,L7b)小于所述第二边框(53,54)的长度，所述宽度(L6,L6a；L4,L4a；L7,L7b)是所述第二边框(53,54)的长度方向的宽度(L,La,Lb)，连接件(6,7)至少其中之一有一个横截面(L6×E；L7×E)与框架的边框横截面(L51×E；H53×E；H54×E)的尺寸具有相同数量级。
3．根据权利要求1或2所述的传感器，其中的两个可动质量部(2,4)、谐振子(3)、柔性框架(5)和连接件(6,7)具有垂直于所述框架的平面(PM)的一个共同的对称平面(PS)，连接件(6,7)位于所述对称平面和框架的相交截面处。
4．根据权利要求1所述的传感器，其中所述两个叶片(81,82)共面。
5．根据权利要求4所述的传感器，其中的叶片(81,82)的长度(H8)小于谐振子(3)的长度(H3)，在谐振子长度(H3)的1/10至1/2之间。
6．根据权利要求4所述的传感器，其中的叶片(81,82)的位置处于谐振子(3)长度(H3)的中间。
7．根据权利要求4所述的传感器，其中的叶片(81,82)与两个可动质量部(2,4)的一个共同平面齐平，谐振子(3)与这两个可动质量部的另一个共同平面齐平，谐振子与叶片在可动质量部的厚度(E)方向上具有共同的宽度(E8=E3)。
8．根据权利要求1所述的传感器，其中的固定部(1d)在框架(5d)之内。
9．根据权利要求1所述的传感器，其中的固定部(1e)具有U形形状，围绕除去与第一连接件(6e)连接的框架边框(53e)之外的框架(5e)，并包括一个环形底边框(10e)，其中部与第二连接件(7e)连接，两个分支(11e,12e)固定于底边框(10e)的相应端，从而将传感器(TAe)固定于一个基部(BAe)。
10．根据权利要求1所述的传感器，包括由谐振子(3e)承载的两个电极(31e,32e)；由固定部(1e)承载的两个焊盘(33e,34e)；由第二可动部(4e)承载的导电带(35e,36e)；第一连接件(6e)；框架(5e)；第二连接件(7e)和固定部(1e)分别将两个电极(31e,32e)连接到两个焊盘(33e,34e)上。
11．一种加速度计，包括第一和第二单体加速度传感器，每个包括一固定部、一可动质量部和一谐振子，该谐振子的两端之一固定于可动质量部，其特征在于它包括一第二可动质量部，固定于谐振子的另一端，两个叶片，各自端部分别固定于两个可动质量部，并分别位于谐振子两侧，布置在这两个可动质量部周围的柔性矩形框架，包括两个平行于谐振子的第一边框，和另外两个垂直于谐振子的第二边框，一将该第二框架之一连接于第二可动质量部的第一连接件，和一将该另一第二框架连接于固定部的第二连接件；第二传感器(TAe2；TA′2)的位置由第一传感器(TAe1；TA′1)的位置绕平行于通过第一传感器的谐振子(3e1；31)端部轴线的轴(Y′Y)转动180°导出，两个传感器的固定部(1e1,1e2；1′)固定在一起。
12．根据权利要求11所述的加速度计，其中的两个传感器(TAe1,TAe2)关于平行于各传感器的可动质量部(2e1,4e1；2e2,4e2)共面表面的平面互相对称。
13．根据权利要求11所述的加速度计，其中传感器(TA′1；TA′2)的可动质量部(21,41,22,42)、框架(51,52)和固定部(1′)有共面表面，所述两个传感器关于平行于上述共面表面的轴(Y′Y)互相对称。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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