CN111650401B - 一种同平面贴装的金属基集成式谐振加速度计 - Google Patents

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Abstract

一种同平面贴装的金属基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、第一挠性铰链、第二挠性铰链、固定金属基座，质量块通过第一挠性铰链、第二挠性铰链与固定金属基座连接；两个双端固支石英音叉结构相同，贴装于质量块和固定金属基座上，在同一平面内以差动方式布置；金属基采用激光切割慢走丝线切割等低应力或无应力工艺加工而成，并开有定位双端固支石英音叉的定位槽，定位槽在垂直于敏感方向SA的DA方向的中轴线重合；具有差动效果好、微装配工艺易于实施、灵敏度高、加工简单、精密弹性部件的加工精度高、加工残余应力小等优点。

Description

一种同平面贴装的金属基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，具体涉及一种同平面贴装的金属基集成式谐振加速度计。
背景技术
谐振加速度计将加速度信号转换为频率信号，实现了加速度计的数字化输出，具有精度高、可靠性好、抗干扰能力强等优点，在航空航天、军事国防、装备制造等领域有着广泛的应用。这类加速度计由弹簧-质量系统和敏感元件组成，弹簧-质量系统大多采用金属基，敏感元件一般采用双端固支石英音叉；工作原理是敏感元件在相应激振电路的影响下处于谐振状态，加速度通过弹簧-质量系统的作用改变敏感原件的振动频率，通过特定的电路将频率信号转化为电信号，实现加速度的数字化输出。
为了降低热应力对加速度计的影响，这类加速度计大多采用两根双端固支石英音叉以差动方式布置。差动方式是指采用特殊的布置方式，当加速度作用时，一根石英音叉受拉导致谐振频率增加，另一根石英音叉受压导致谐振频率减小，将两根音叉的频率之差作为加速度信号，不仅可以提高灵敏度，还可以降低热应力对加速度计的影响。但是由于差动布置方式的差异，这类传感器的设计大多存在差动效果差、加速度计精度低的问题，并且将弹簧-质量系统和双端固支石英音叉集成的贴合、对石英音叉的压焊金丝导线等微装配工艺实施难度极大。
金属基一般包括具有弹性特性的挠性梁、悬臂梁等精密弹性部件结构，采用传统的机械加工工艺无法保证这种结构的加工精度，且存在较大的加工残余应力，大大降低了加速度计的基本精度。
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同平面贴装的金属基集成式谐振加速度计，具有差动效果好、微装配工艺易于实施、灵敏度高、加工简单、精密弹性部件的加工精度高、加工残余应力小等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种同平面贴装的金属基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、第一挠性铰链4-a、第二挠性铰链4-b和固定金属基座5，质量块3通过第一挠性铰链4-a、第二挠性铰链4-b与固定金属基座5连接；第一双端固支石英音叉2-a、第二双端固支石英音叉2-b结构相同，贴装于质量块3和固定金属基座5上，在同一平面内以差动方式布置；
所述的金属基1采用激光切割慢走丝线切割等低应力或无应力工艺加工而成，并开有定位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的第一定位槽6-a、第二定位槽6-b、第三定位槽6-c，第一双端固支石英音叉2-a的第一定位基座9-a和第二定位基座9-b分别定位于第一定位槽6-a、第三定位槽6-c的一端，第二双端固支石英音叉2-b的第一定位基座9-a和第二定位基座9-b分别定位于第二定位槽6-b、第三定位槽6-c的另一端，第一定位槽6-a、第二定位槽6-b、第三定位槽6-c在垂直于敏感方向SA的DA方向的中轴线重合。
所述的第一挠性铰链4-a和第二挠性铰链4-b结构相同，且在敏感方向SA上具有弹性特性。
所述的固定金属基座5开有第一半圆柱型溢胶槽7-a、第二半圆柱型溢胶槽7-b。
所述的固定金属基座5开有第一音叉叉齿活动槽8-a和第二音叉叉齿活动槽8-b，第一音叉叉齿活动槽8-a、第二音叉叉齿活动槽8-b和第一半圆柱型溢胶槽7-a、第二半圆柱型溢胶槽7-b在固定金属基座5厚度BA方向的深度相同，在DA方向的中轴线重合。
所述的第一音叉叉齿活动槽8-a、第二音叉叉齿活动槽8-b和第一半圆柱型溢胶槽7-a、第二半圆柱型溢胶槽7-b在BA方向的深度大于第一定位槽6-a、第二定位槽6-b的深度。
所述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采用石英微加工工艺加工石英晶体得到，第一石英音叉叉齿10-a、第二石英音叉叉齿10-b四周覆盖有电极，在激振电路驱动下双端固支石英音叉会处于振动状态。
本发明的有益效果为：
本发明采用激光切割慢走丝线切割等低应力或无应力工艺加工金属基，加工难度小、精密弹性部件的加工精度高、加工残余应力小，且便于批量化生产；采用两根双端固支石英音叉以差动方式布置，不仅能够提高加速度计灵敏度，还可以降低热应力的影响，提高加速度计基本精度；两根音叉结构相同，采用同平面的差动布置方式，这种布置方式具有差动效果好的优点，便于贴合、压焊金丝导线等微装配工艺的实施。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明金属基的结构示意图。
图3为本发明双端固支石英音叉的结构示意图。
图4为图2的A-A截面示意图。
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1，一种同平面贴装的金属基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、第一挠性铰链4-a、第二挠性铰链4-b和固定金属基座5，质量块3通过第一挠性铰链4-a、第二挠性铰链4-b与固定金属基座5连接；第一双端固支石英音叉2-a、第二双端固支石英音叉2-b结构相同，贴装于质量块3和固定金属基座5上，在同一平面内以差动方式布置，这种同平面差动布置方式的差动效果好，能够消除热应力对加速度计输出的影响,并且便于贴合、压焊金丝导线等微装配工艺的实施。
参照图2、图3和图4，所述的金属基1采用激光切割慢走丝线切割等低应力或无应力工艺加工而成，并开有定位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的第一定位槽6-a、第二定位槽6-b、第三定位槽6-c，第一双端固支石英音叉2-a的第一定位基座9-a和第二定位基座9-b分别定位于第一定位槽6-a、第三定位槽6-c的一端，第二双端固支石英音叉2-b的第一定位基座9-a和第二定位基座9-b分别定位于第二定位槽6-b、第三定位槽6-c的另一端，第一定位槽6-a、第二定位槽6-b、第三定位槽6-c在垂直于敏感方向SA的DA方向的中轴线重合。
所述的第一挠性铰链4-a和第二挠性铰链4-b结构相同，且在敏感方向SA上具有弹性特性。
参照图2，所述的固定金属基座5开有第一半圆柱型溢胶槽7-a、第二半圆柱型溢胶槽7-b，便于贴合微装配工艺中多余粘合胶溢出。
参照图3，所述的固定金属基座5开有第一音叉叉齿活动槽8-a和第二音叉叉齿活动槽8-b，第一音叉叉齿活动槽8-a、第二音叉叉齿活动槽8-b和第一半圆柱型溢胶槽7-a、第二半圆柱型溢胶槽7-b在固定金属基座5厚度BA方向的深度相同，在DA方向的中轴线重合。
参照图3和图4，所述的第一音叉叉齿活动槽8-a、第二音叉叉齿活动槽8-b和第一半圆柱型溢胶槽7-a、第二半圆柱型溢胶槽7-b在BA方向的深度大于第一定位槽6-a、第二定位槽6-b的深度，可以给第一石英音叉叉齿10-a和第二石英音叉叉齿10-b提供足够的振动空间。
所述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采用石英微加工工艺加工石英晶体得到，第一石英音叉叉齿10-a、第二石英音叉叉齿10-b四周覆盖有电极，在激振电路驱动下双端固支石英音叉会处于振动状态。
本发明的工作原理是：
第一石英音叉叉齿10-a、第二石英音叉叉齿10-b四周布置有电极，由于石英晶体存在逆压电效应，当激振电路作用于第一石英音叉叉齿10-a、第二石英音叉叉齿10-b四周的电极时，双端固支石英音叉的两根叉齿处于反相位振动模式；当有加速度沿着敏感方向SA通过第一挠性铰链4-a和第二挠性铰链4-b作用于质量块3时，第一石英音叉叉齿10-a、第二石英音叉叉齿10-b在敏感方向SA方向产生相应的轴向应力，引起石英音叉固有振动频率发生改变。
第一双端固支石英音叉2-a、第二双端固支石英音叉2-b采用同一平面的差动方式布置，当加速度作用时，一根石英音叉的轴向应力使其受拉，固有振动频率变大，另一根石英音叉的轴向应力使其受压，固有频率变小；将两根石英音叉的振动频率之差作为加速度计的输出，差动布置不仅可以提高加速度计的灵敏度，还可以降低温度对加速度计输出的影响；并且采用同平面差动布置这种对称结构的差动效果会更好，温度变化时，热应力对两根石英音叉振动频率的变化高度一致，频率做差后可以消除温度对加速度计基本精度的影响。

Claims (6)

1.一种同平面贴装的金属基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)、第一挠性铰链(4-a)、第二挠性铰链(4-b)和固定金属基座(5)，质量块(3)通过第一挠性铰链(4-a)、第二挠性铰链(4-b)与固定金属基座(5)连接；第一双端固支石英音叉(2-a)、第二双端固支石英音叉(2-b)结构相同，贴装于质量块(3)和固定金属基座(5)上，在同一平面内以差动方式布置；将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)的一端贴装于质量块(3)上，另一端贴装于固定金属基座(5)上；
所述的金属基(1)采用低应力或无应力工艺加工而成，并开有定位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)的第一定位槽(6-a)、第二定位槽(6-b)、第三定位槽(6-c)，第一双端固支石英音叉(2-a)的第一定位基座(9-a)和第二定位基座(9-b)分别定位于第一定位槽(6-a)、第三定位槽(6-c)的一端，第二双端固支石英音叉(2-b)的第一定位基座(9-a)和第二定位基座(9-b)分别定位于第二定位槽(6-b)、第三定位槽(6-c)的另一端，第一定位槽(6-a)、第二定位槽(6-b)、第三定位槽(6-c)在垂直于敏感方向SA的DA方向的中轴线重合。
2.根据权利要求1所述的一种同平面贴装的金属基集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的第一挠性铰链(4-a)和第二挠性铰链(4-b)结构相同，且在敏感方向SA上具有弹性特性。
3.根据权利要求1所述的一种同平面贴装的金属基集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的固定金属基座(5)开有第一半圆柱型溢胶槽(7-a)、第二半圆柱型溢胶槽(7-b)。
4.根据权利要求3所述的一种同平面贴装的金属基集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的固定金属基座(5)开有第一音叉叉齿活动槽(8-a)和第二音叉叉齿活动槽(8-b)，第一音叉叉齿活动槽(8-a)、第二音叉叉齿活动槽(8-b)和第一半圆柱型溢胶槽(7-a)、第二半圆柱型溢胶槽(7-b)在固定金属基座(5)厚度BA方向的深度相同，在DA方向的中轴线重合。
5.根据权利要求4所述的一种同平面贴装的金属基集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的第一音叉叉齿活动槽(8-a)、第二音叉叉齿活动槽(8-b)和第一半圆柱型溢胶槽(7-a)、第二半圆柱型溢胶槽(7-b)在BA方向的深度大于第一定位槽(6-a)、第二定位槽(6-b)的深度。
6.根据权利要求1所述的一种同平面贴装的金属基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)、第二双端固支石英音叉(2-b)采用石英微加工工艺加工石英晶体得到，第一石英音叉叉齿(10-a)、第二石英音叉叉齿(10-b)四周覆盖有电极，在激振电路驱动下双端固支石英音叉会处于振动状态。
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