CN109490577A - 一种挠性静电支撑加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种挠性静电支撑加速度计，包括敏感表芯部件、底座、壳体、温度测试模块和密封环部件。敏感表芯部件由上、下定极板和石英摆片组成；石英摆片上的金膜作为电容动极板和与上、下定极板金膜形成一对施力电容和一对差分检测电容。上、下定极板和石英摆片同轴镜像安装，钎焊在一起，石英摆片固装在其间。电容位移检测电路、反馈控制电路以及静电力反馈执行电路完成差分电容的检测与加速度计的反馈控制，最终将检验质量拉回平衡位置。表体内部抽真空，降低气体分子布朗运动带来的热噪声。这种低膨胀系数材料+差动电容检测+静电施力设计使加速度计结构简单、稳定性高、噪声小，在高精度测量需求的任务中具有广泛应用。适用于微震测量、资源探测、地球物理领域，尤其适用于重力梯度仪水平张量测量或者低量程航天卫星变轨等惯性系统。

Description

一种挠性静电支撑加速度计

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种在小量程范围内长期保持高稳定性、低噪声输出的石英挠性静电支撑加速度计，适用于微震测量、资源探测、地球物理领域，尤其适用于重力梯度仪水平张量测量或者低量程航天卫星变轨等惯性系统。

背景技术

加速度计是一种测量加速度的仪器，在微震测量、资源探测、地球物理等领域具有十分重要的意义。目前高精度加速度计按反馈方式大体可以分为两类：一类是电磁力反馈加速度计，一类是静电力反馈加速度计。

目前在重力梯度仪水平张量测量或者低量程航天卫星变轨系统等领域，普遍采用的是石英挠性加速度计，这是一种差动电容式电磁力反馈的传感器，具体结构在美国专利(专利号4250757)有详细描述，是目前国内惯性导航测量及制导系统普遍使用的结构最简单的高精度加速度计。

现有石英挠性加速度计在长期稳定性和噪声指标上的主要局限性为：

⑴.石英加速度计核心敏感元件是摆部件，由一个石英摆片和两个分别缠绕力矩器线圈的线圈骨架构成。两个线圈骨架通过粘接剂固定到石英摆片上下表面，石英摆片的检测质量上下表面镀覆金膜形成电容动极板，与上下导磁环表面形成一对电容。石英摆片和骨架材料热膨胀系数相差1～2个数量级。导致温度变化时，石英摆片和线圈产生扭曲，引起电容差值或力矩电流变化，从而引起影响加速度计输出的温度稳定性；

⑵.永磁体磁场随时间的变化限制了加速度计输出的长期稳定性；

⑶.加速度变化引起力矩电流变化，会对永磁体产生充磁或退磁，引起加速度计输出的非线性；

⑷.加速度计内部大量采用漆包线和粘接装配工艺，漆包线和黏合剂挥发出的各种气体无法保持表体内部长期真空维持，无法降低和保持加速度计输出噪声。

而基于MEMS的电磁加速度计代表有英国帝国理工大学Pike等人研发的加速度计，它体积小，噪声分辨率达到0.4ng/√Hz，但是研发成本高，工艺复杂。

高精度静电力反馈加速度计的代表为欧洲航天局研制的用于空间重力梯度测量的GOCE加速度计，采用的是静电悬浮的方式，拥有6自由度的输出，配合高精度机械加工装配方式独有的大检验质量。其主要局限性为：

⑴.量程只有几个μg，整个仪器不适用于陆基环境。

⑵.已公开的加速度计中噪声均高于1ng/√Hz。基于MEMS的石英静电加速度计受到工艺影响，检验质量不能做得很大，无法进一步降低噪声。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种低量程、长期高稳定性、低噪声挠性静电支撑加速度计。以差分电容检测、静电力反馈的方式，利用石英挠性加速度计加工及装配工艺，最终实现高精度、高稳定性的加速度测量，同时使加速度计的体积和质量都得到有效地减小。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种挠性静电支撑加速度计，其特征在于：包括敏感表芯部件、底座、壳体和密封环部件，敏感表芯部件由石英摆片、上定极板和下定极板组成，上、下定极板同轴镜像安装，在两定极板之间夹持石英摆片，敏感表芯部件的下定极板通过底座与外侧的壳体连接；密封环部件包括密封环和绝缘子，密封环安装在壳体的上端，多个绝缘子安装在密封环上，通过引线将敏感表芯部件的信号传输到加速度计外部。

而且，所述的石英摆片正反面各有三个凸台，与上、下定极板表面形成电容间隙；在三个凸台的上下表面镀覆有金膜，外侧圆周面金属化；上、下定极板紧挨石英摆片一侧端面与三个凸台对应位置镀覆金膜，并在各自圆周面金属化。

而且，所述的石英摆片上表面镀覆内、外金膜，下表面镀覆内、外金膜通过石英摆片安装环内侧镀覆金膜将焊点引到石英摆片上表面；上、下定极板上与金膜对应的位置分别镀覆金膜。

而且，所述的石英摆片上的金膜分别与上、下定极板上金膜形成一对施力电容和一对检测电容，施力电容和检测电容的公共端分别通过定极板金膜、凸台金膜和凸台金属化导通在一起，分别连接静电偏置电压和检测电容地。

而且，分别在敏感表芯部件圆周面金属化部分连接处，通过钎焊将石英摆片、上定极板和下定极板固连在一起；施力电容和检测电容的动极板在石英摆片上的引出点分别通过引线钎焊到上极板侧面金膜；上定极板的上表面金属化，与密封环部件上的绝缘子焊接引线。

而且，所述的上、下定极板和石英摆片为同一种材料，均为低膨胀系数材料。

而且，所述的密封环部件的密封环的轴心制出密封孔，在真空室内，通过锡焊将密封孔密闭，表体内部形成真空。

而且，结构中包括温度测试模块，该温度测试模块设置于壳体内部，温度测试模块通过引线与绝缘子连接，用于测试所述表体内部温度的变化，补偿加速度计输出随温度的漂移。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明中的石英摆片与常规石英挠性加速度计摆片外径尺寸和加工工艺相同，可利用现有加工工艺。

2、本发明结构中的上下定极板与石英摆片材料相同、热膨胀系数相同，能减小加速度计输出随温度的变化，提高加速度计输出随温度的稳定性。

3、本发明的表体内部采用钎焊连接零部件，不采用黏合剂及其它易挥发气体的物质，保持了表体内部低气压长期稳定。

4、本发明所设计挠性静电支撑加速度计，其结构设计合理，易于实施装配。加速度计输出长期高稳定性、低噪声。

5、本发明采用的低膨胀系数材料+差动电容检测+静电施力设计使加速度计结构简单、稳定性高、噪声小，在高精度测量需求的任务中具有广泛应用。适用于微震测量、资源探测、地球物理领域，尤其适用于重力梯度仪水平张量测量或者低量程航天卫星变轨等惯性系统。

附图说明

图1是本发明的工作原理图；

图2是本发明的二维剖视图；

图3是本发明的敏感表芯部件三维视图；

图4是本发明的石英摆片三维视图；

图5是本发明的上定极板三维视图；

图6是本发明的下定极板三维视图；

图7是本发明的密封环部件三维视图；

图中：

1.敏感表芯部件；2.底座；3.壳体；4.密封环部件；5.钎焊；6.激光焊接；7.温度测试模块；8.锡焊；10.石英摆片；11～17.金膜，其中11、16、17为凸台，上下面镀覆金膜，外侧圆周面金属化；12.检测电容动极板C-；13.检测电容动极板C+；14.施力电容动极板+；15.施力电容动极板-；20.上定极板；21～27.金膜，其中21、26、27的圆周面及远离石英摆片的端面金属化；30.下定极板；31、36、37.金膜，圆周面金属化；41.密封环；42.绝缘子；43.密封孔；50.引线。

其中：11、21、31共同连接静电偏置电压Vb；16、26、36共同连接检测电容地GND。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

图1是本发明挠性静电支撑加速度计的工作原理图；

当石英摆片10敏感到加速度后，检测电容动极板12、13会产生移动，从而产生检测电容差C1-C2，电容位移监测电路将检测电容差转换成电信号，通过反馈控制电路、静电力反馈执行电路变成电压信号+Vf、-Vf，分别加到上下两个施力电容动极板14、15上，上下静电力之差F1-F2使检测电容动极板12、13回复到平衡位置。电压信号Vf的大小和符号反映了加速度计敏感到的加速度。

下面结合附图2～附图7，通过具体实施对本发明挠性静电支撑加速度计作进一步详述。以下实施只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

图2是本发明挠性静电支撑加速度计的二维剖视图。它包括敏感表芯部件1、底座2、壳体3和密封环部件4。

图3是本发明挠性静电支撑加速度计的敏感表芯部件1三维视图。

图4是本发明挠性静电支撑加速度计的石英摆片10三维视图，所示为上表面。

图5是本发明挠性静电支撑加速度计上定极板20三维视图，所示为与石英摆片配合端面。

图6是本发明挠性静电支撑加速度计下定极板30三维视图，所示为与石英摆片配合端面。

图7是本发明挠性静电支撑加速度计的密封环部件4三维视图。

一种挠性静电支撑加速度计，包括敏感表芯部件1、底座2、壳体3、温度测试模块7和密封环部件4。

敏感表芯部件1由石英摆片10、上定极板20和下定极板30组成，石英摆片的电容动极板和与上、下定极板的金膜形成一对施力电容和一对差分检测电容。上、下定极板同轴镜像安装，在两个定极板之间夹持石英摆片10。上、下定极板和石英摆片为同一种材料，均为低膨胀系数材料，优选石英玻璃。

上、下定极板和石英摆片均为圆柱体，石英摆片10正反面各有三个凸台11、16、17，与上、下定极板20、30表面形成电容间隙。在三个凸台11、16、17上下表面镀覆有金膜，外侧圆周面金属化。上、下定极板20、30紧挨石英摆片10一侧端面与三个凸台11、16、17对应位置镀覆金膜，并在各自圆周面金属化，分别为：上定极板的21、26、27和下定极板的31、36、37。

石英摆片10的检测质量上表面镀覆内、外金膜14、13，下表面镀覆内、外金膜15、12通过石英摆片安装环内侧镀覆金膜将焊点引到石英摆片上表面。上定极板20上与金膜14、13对应的位置镀覆金膜21、26，下定极板30上与金膜15、12对应的位置镀覆金膜31、36。

石英摆片10上金膜13、12分别与上、下定极板上金膜26、36形成一对检测电容，26和36通过凸台16的金膜和金属化导通在一起，共同连接检测电容地。石英摆片10上金膜14、15分别与上、下定极板上金膜21、31形成一对施力电容，金膜21和31通过凸台11的金膜和金属化导通在一起，共同连接静电偏置电压Vb。

分别在敏感表芯部件1圆周面金属化部分11与21、31连接处、16与26、36连接处、17与27、37连接处，通过钎焊5将石英摆片10、上定极板20和下定极板30固连在一起。检测电容和施力电容的动极板12～15在石英摆片上的引出点分别通过引线50钎焊到上极板侧面金膜22～25。上定极板20的21～26上表面金属化，用于与密封环部件4上的绝缘子焊接引线。

敏感表芯部件1的下定极板安装在底座2上，壳体安装在底座上且位于敏感表芯部件的外侧。密封环部件包括密封环和绝缘子，密封环安装在壳体的上端且位于敏感表芯部件的上方，密封环的轴心制出密封孔。多个绝缘子42安装在密封环上，绝缘子通过烧结方式与密封环41固连在一起，绝缘子通过引线分别与上定极板的焊点和温度测试模块7连接。温度测试模块设置于壳体内部，用于测试所述表体内部温度的变化，用于补偿加速度计输出随温度的漂移。

上述敏感表芯部件、底座、壳体、密封环部件以及温度测试模块的连接方式为：底座2与敏感表芯部件1的下定极板30上31、36、37侧面金属化部分通过钎焊5固连。壳体3与底座2焊接后，将上定极板20的21～26通过引线焊接到绝缘子42上，同时将温度测试模块7焊接到绝缘子42上。之后壳体3与密封环部件4通过激光焊接6形成加速度计。最后，在真空室内，通过锡焊8将密封孔43密闭，表体内部形成真空，不需要通过真空设备持续维持表体内部真空状态。加速度计内部抽真空，降低气体分子布朗运动带来的热噪声。加速度计内部不采用黏合剂及其它易挥发气体的物质，保持内部气压长期稳定。

当检测质量敏感到加速度变化后，检测电容动极板会产生移动，从而产生检测电容差，电容位移监测电路将检测电容差转换成电信号，通过反馈控制电路、静电力反馈执行电路变成电压信号分别加到上下两个施力电容极板上，上下静电力之差使检测质量回复到平衡位置。施力电极电压信号的变化反映了加速度计敏感到的加速度变化。

本发明挠性静电支撑加速度计是通过对上下两个施力电极施加电压，用静电力的方式对检测质量施矩。采用上述发明结构，去除了传统石英挠性加速度计的一些制约，如永磁体磁场强度的长期稳定性的影响，线圈参数的长期稳定性影响，温度变化带来的骨架变形影响等因素。

本新型结构加速度计在国内是首次提出，正在用于微重力宇航加速度计上。该新型结构加速度计较原有传统结构加速度计结构简单，采用该方法后，长期稳定性大约能提高一个数量级，适用于微小加速度测量领域，尤其适用于重力梯度仪水平张量测量或者低量程航天卫星变轨等惯性系统。

Claims (8)

1.一种挠性静电支撑加速度计，其特征在于：包括敏感表芯部件、底座、壳体和密封环部件，敏感表芯部件由石英摆片、上定极板和下定极板组成，上、下定极板同轴镜像安装，在两定极板之间夹持石英摆片，敏感表芯部件的下定极板通过底座与外侧的壳体连接；密封环部件包括密封环和绝缘子，密封环安装在壳体的上端，多个绝缘子安装在密封环上，通过引线将敏感表芯部件的信号传输到加速度计外部。

2.根据权利要求1所述的一种挠性静电支撑加速度计，其特征在于：所述的石英摆片正反面各有三个凸台，与上、下定极板表面形成电容间隙；在三个凸台的上下表面镀覆有金膜，外侧圆周面金属化；上、下定极板紧挨石英摆片一侧端面与三个凸台对应位置镀覆金膜，并在各自圆周面金属化。

3.根据权利要求1所述的一种挠性静电支撑加速度计，其特征在于：所述的石英摆片上表面镀覆内、外金膜，下表面镀覆内、外金膜通过石英摆片安装环内侧镀覆金膜将焊点引到石英摆片上表面；上、下定极板上与金膜对应的位置分别镀覆金膜。

4.根据权利要求1所述的一种挠性静电支撑加速度计，其特征在于：所述的石英摆片上的金膜分别与上、下定极板上金膜形成一对施力电容和一对检测电容，施力电容和检测电容的公共端分别通过定极板金膜、凸台金膜和凸台金属化导通在一起，分别连接静电偏置电压和检测电容地。

5.根据权利要求1所述的一种挠性静电支撑加速度计，其特征在于：分别在敏感表芯部件圆周面金属化部分连接处，通过钎焊将石英摆片、上定极板和下定极板固连在一起；施力电容和检测电容的动极板在石英摆片上的引出点分别通过引线钎焊到上极板侧面金膜；上定极板的上表面金属化，与密封环部件上的绝缘子焊接引线。

6.根据权利要求1所述的一种挠性静电支撑加速度计，其特征在于：所述的上、下定极板和石英摆片为同一种材料，均为低膨胀系数材料。

7.根据权利要求1所述的一种挠性静电支撑加速度计，其特征在于：所述的密封环部件的密封环的轴心制出密封孔，在真空室内，通过锡焊将密封孔密闭，表体内部形成真空。

8.根据权利要求1所述的一种挠性静电支撑加速度计，其特征在于：结构中包括温度测试模块，该温度测试模块设置于壳体内部，温度测试模块通过引线与绝缘子连接，用于测试所述表体内部温度的变化，补偿加速度计输出随温度的漂移。