CN111650400A - 一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计 - Google Patents

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Abstract

一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计，包括金属基和两个双端固支石英音叉，金属基包括质量块、挠性铰链和固定金属基座，质量块通过挠性铰链和固定金属基座连接，挠性铰链位于质量块和固定金属基座的中部；两个双端固支石英音叉结构相同，贴装于金属基和固定金属基座的侧面，以差动方式布置；本发明能够降低封装应力和热应力对石英音叉的影响，提高精密弹性部件的加工精度和加速度计精度，具有灵敏度高、尺寸小等优点。

Description

一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计
技术领域
本发明属于微机械电子(MEMS)数字式加速度计技术领域，具体涉及一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计。
背景技术
以双端固支石英音叉为敏感元件的谐振加速度计具有精度高、易激励、灵敏度高、数字化输出等优点，一般采用两根结构相同的双端固支石英音叉以差动方式布置，能够消除热应力对加速度计输出的影响。此类加速度计能够满足航空航天惯性导航与制导、武器装备、智能制造等领域的应用需求，未来的发展前景十分广阔。
这类谐振加速度计按照结构特征可以分为一体式和集成式。一体式加速度计将弹簧-质量系统和双端固支石英音叉设计为一个整体结构，均为石英材料，采用石英微加工工艺进行一体化制造，这种结构存在加工难度大、成本高、灵敏度偏低等问题。集成式加速度计将弹簧-质量系统和石英音叉分开制造，采用微装配工艺集成，弹簧-质量系统一般采用金属基，具有可靠性高、成本低、灵敏度高等优点，但是采用传统机械加工工艺无法保证复杂金属基结构的加工精度，存在加工残余应力、微小精密结构的加工变形等问题；并且集成式传感器一般尺寸较大，难以满足航空航天等领域微型化的要求。由于弹簧-质量系统和石英音叉需要微装配工艺集成，会导致一部分封装应力传递至石英音叉，造成加速度计基本精度降低等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计，能够降低封装应力和热应力对石英音叉的影响，提高精密弹性部件的加工精度和加速度计精度，具有灵敏度高、尺寸小等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计，包括金属基1和第一双端固支石英音叉2-a、第二双端固支石英音叉2-b，金属基1包括质量块3、挠性铰链4和固定金属基座5，质量块3通过挠性铰链4和固定金属基座5连接，挠性铰链4位于质量块3和固定金属基座5的中部；第一双端固支石英音叉2-a和第二双端固支石英音叉2-b的结构相同，贴装于金属基1和固定金属基座5的侧面，以差动方式布置。
所述的金属基1由无应力或者低应力工艺加工而成。
所述的挠性铰链4在敏感方向SA上具有弹性特性。
所述的质量块3在两侧设有第一凸台6-a、第二凸台6-b，第一凸台6-a、第二凸台6-b用于固定第一双端固支石英音叉2-a、第二双端固支石英音叉2-b的第一固定基座11-a。
所述的固定金属基座5在两侧开有第一石英音叉叉齿活动槽7-a、第二石英音叉叉齿活动槽7-b，固定金属基座5在两侧设有第一封装应力隔离机构8-a、第二封装应力隔离机构8-b，第一封装应力隔离机构8-a包括第一隔离台9-a，第一隔离台9-a四周设有第一隔离柱状开孔10-a、第二隔离柱状开孔10-b、第三隔离柱状开孔10-c、第四隔离柱状开孔10-d；第二封装应力隔离机构8-b包括第二隔离台9-b，第二隔离台9-b四周设有第五隔离柱状开孔10-e、第六隔离柱状开孔10-f、第七隔离柱状开孔10-g、第八隔离柱状开孔10-h；第一双端固支石英音叉2-a、第二双端固支石英音叉2-b的第二固定基座11-b分别固定在第一隔离台9-a、第二隔离台9-b。
所述的第一双端固支石英音叉2-a和第二双端固支石英音叉2-b采用石英微加工工艺得到，每个双端固支石英音叉的第一叉齿12-a和第二叉齿12-b四周布置有电极，在激振电路的作用下会处于稳定谐振状态。
本发明的有益效果为：
金属基1采用慢走丝线切割、激光切割等无应力或者低应力工艺加工而成，精密弹性部件的加工精度高，加工残余应力小；采用双端固支石英音叉作为加速度计的敏感元件，无需模数转换电路，加速度计具有精度高、可靠性好等优点；两根双端固支石英音叉采用差动方式布置在金属基1的侧面，大大减小了加速度计的尺寸，而且能够降低热应力对加速度计输出的影响；固定金属基座5加工有封装应力隔离机构，能够降低封装应力对石英音叉的影响，提高加速度计的基本精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明金属基的左侧结构示意图。
图3为本发明金属基的右侧结构示意图。
图4为本发明双端固支石英音叉的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构与工作原理进行详细说明。
参照图1，一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计，包括金属基1和第一双端固支石英音叉2-a、第二双端固支石英音叉2-b，金属基1包括质量块3、挠性铰链4和固定金属基座5，质量块3通过挠性铰链4和固定金属基座5连接，挠性铰链4位于质量块3和固定金属基座5的中部；第一双端固支石英音叉2-a和第二双端固支石英音叉2-b的结构相同，贴装于金属基1和固定金属基座5的侧面，以差动方式布置；这种差动布置方式不仅大大减小了加速度计的尺寸，还能够提高加速度计的灵敏度,降低热应力对加速度计输出的影响。
所述的金属基1采用慢走丝线切割、激光切割等无应力或者低应力工艺加工而成，这种加工方式残余加工应力小、加工简单，解决了挠性铰链4难以加工的问题。
所述的挠性铰链4在敏感方向SA上具有弹性特性。
参照图2、图3和图4，所述的质量块3在两侧设有第一凸台6-a、第二凸台6-b，第一凸台6-a、第二凸台6-b用于固定第一双端固支石英音叉2-a、第二双端固支石英音叉2-b的第一固定基座11-a。
所述的固定金属基座5在两侧开有第一石英音叉叉齿活动槽7-a、第二石英音叉叉齿活动槽7-b，为第一双端固支石英音叉2-a、第二双端固支石英音叉2-b提供了振动的空间；固定金属基座5在两侧设有第一封装应力隔离机构8-a、第二封装应力隔离机构8-b，第一封装应力隔离机构8-a包括第一隔离台9-a，第一隔离台9-a四周设有第一隔离柱状开孔10-a、第二隔离柱状开孔10-b、第三隔离柱状开孔10-c、第四隔离柱状开孔10-d；第二封装应力隔离机构8-b包括第二隔离台9-b，第二隔离台9-b四周设有第五隔离柱状开孔10-e、第六隔离柱状开孔10-f、第七隔离柱状开孔10-g、第八隔离柱状开孔10-h；第一双端固支石英音叉2-a、第二双端固支石英音叉2-b的第二固定基座11-b分别固定在第一隔离台9-a、第二隔离台9-b；封装应力隔离机构可以避免封装应力传递到双端固支石英音叉上，消除不必要的加速度计输出误差。
参照图4，所述的第一双端固支石英音叉2-a和第二双端固支石英音叉2-b采用石英微加工工艺得到，每个双端固支石英音叉的第一叉齿12-a和第二叉齿12-b四周布置有电极，在激振电路的作用下会处于稳定谐振状态。
本发明的工作原理是：
双端固支石英音叉的第一叉齿12-a、第二叉齿12-b四周覆盖有电极，在相应的激振电路作用下处于谐振振动状态。当加速度沿敏感方向SA方向作用于加速度计时，由于挠性铰链4具有弹性特性，质量块3在惯性作用下产生SA方向的位移；贴装于金属基1左右侧面的第一双端固支石英音叉2-a、第二双端固支石英音叉2-b因此也受到相应的轴向力，引起石英音叉固有频率的变化。
由于两根双端固支石英音叉结构相同且呈差动方式布置，当加速度作用时，一根石英音叉受拉，固有谐振频率增大，相反地，另一根石英音叉受压，固有谐振频率减小，且两根石英音叉的频率变化是一致的。将两根石英音叉的振动频率差作为加速度计的输出，这种差动布置方式可以增大加速度计的灵敏度并降低热应力对输出的影响。封装加速度计的过程中，封装应力会通过金属基1传递至石英叉齿上，引起不必要的轴向力变化，影响加速度计精度。而封装应力隔离机构可以避免封装应力传递到石英音叉，提高了传感器的可靠性和基本精度。

Claims (6)

1.一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计，包括金属基(1)和第一双端固支石英音叉(2-a)、第二双端固支石英音叉(2-b)，其特征在于：金属基(1)包括质量块(3)、挠性铰链(4)和固定金属基座(5)，质量块(3)通过挠性铰链(4)和固定金属基座(5)连接，挠性铰链(4)位于质量块(3)和固定金属基座(5)的中部；第一双端固支石英音叉(2-a)和第二双端固支石英音叉(2-b)的结构相同，贴装于金属基(1)和固定金属基座(5)的侧面，以差动方式布置。
2.根据权利要求1所述的一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的金属基(1)由无应力或者低应力工艺加工而成。
3.根据权利要求1所述的一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的挠性铰链(4)在敏感方向SA上具有弹性特性。
4.根据权利要求1所述的一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的质量块(3)在两侧设有第一凸台(6-a)、第二凸台(6-b)，第一凸台(6-a)、第二凸台(6-b)用于固定第一双端固支石英音叉(2-a)、第二双端固支石英音叉(2-b)的第一固定基座(11-a)。
5.根据权利要求1所述的一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的固定金属基座(5)在两侧开有第一石英音叉叉齿活动槽(7-a)、第二石英音叉叉齿活动槽(7-b)；固定金属基座(5)在两侧设有第一封装应力隔离机构(8-a)、第二封装应力隔离机构(8-b)，第一封装应力隔离机构(8-a)包括第一隔离台(9-a)，第一隔离台(9-a)四周设有第一隔离柱状开孔(10-a)、第二隔离柱状开孔(10-b)、第三隔离柱状开孔(10-c)、第四隔离柱状开孔(10-d)；第二封装应力隔离机构(8-b)包括第二隔离台(9-b)，第二隔离台(9-b)四周设有第五隔离柱状开孔(10-e)、第六隔离柱状开孔(10-f)、第七隔离柱状开孔(10-g)、第八隔离柱状开孔(10-h)；第一双端固支石英音叉(2-a)、第二双端固支石英音叉(2-b)的第二固定基座(11-b)分别固定在第一隔离台(9-a)、第二隔离台(9-b)。
6.根据权利要求1所述的一种小型化侧面贴装差动型集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的第一双端固支石英音叉(2-a)和第二双端固支石英音叉(2-b)采用石英微加工工艺得到，每个双端固支石英音叉的第一叉齿(12-a)和第二叉齿(12-b)四周布置有电极，在激振电路的作用下会处于稳定谐振状态。
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