CN111965388B - 一种低温漂相对平面贴装差动型集成式谐振加速度计 - Google Patents

一种低温漂相对平面贴装差动型集成式谐振加速度计 Download PDF

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Abstract

一种低温漂相对平面贴装差动型集成式谐振加速度计，包括金属基和第一双端固支石英音叉、第二双端固支石英音叉，金属基包括金属基座、第一挠性铰链、第二挠性铰链、质量块和金属外框，质量块通过第一挠性铰链、第二挠性铰链与金属基座相连，金属基座的左右两侧及前侧与金属外框连接；第一双端固支石英音叉和第二双端固支石英音叉的结构相同，贴装于金属基的正面与反面，以差动方式布置；第一挠性铰链和第二挠性铰链在敏感方向SA上具有弹性特性；本发明能够降低封装应力和热应力对加速度计输出的影响，具有灵敏度高、温漂小、精度高、尺寸小等优点。

Description

一种低温漂相对平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，具体涉及一种低温漂相对平面贴装差动型集成式谐振加速度计。
背景技术
微谐振式加速度计不需要模数转换模块，将加速度转换为频率输出，具有可靠性好、精度高、响应快等优点，在航空航天、惯性导航、智能装备制造等领域得到了广泛的应用。微谐振式加速度计一般由弹簧-质量系统和微谐振器组成，加速度通过弹簧-质量系统将加速度作用于微谐振器，引起微谐振器固有频率发生变化，通过外围测试系统测量频率变化值，可以解算出加速度的数值，实现数字化输出。
微谐振器一般采用双端固支石英音叉，弹簧-质量系统采用硅基底或金属基底，由于微谐振器和弹簧-质量系统采用异质材料，当环境温度变化时，热应力会对加速度计的频率输出造成不容忽视的误差。一般采用差动布置方式来降低热应力造成的误差，差动方式指的是采用两个石英音叉以特殊方式布置，当加速度作用时，一个石英音叉受拉，谐振频率变大，另一个石英音叉受压，谐振频率减小，将两个石英音叉的频率输出之差作为加速度计的输出，可以大大减小热应力的影响。但是由于两个石英音叉无法在工艺上保证完全的一致性，因此差动布置方式无法完全消除热应力对加速度计造成的误差。
集成式微谐振加速度计将弹簧-质量系统和微谐振器分开制造，采用微装配工艺集成，具有加工简单、抗干扰能力强等优点，但是微装配工艺的实施受加速度计结构制约，不恰当的结构设计会导致压焊金丝、贴合等微装配工艺实施难度大大增加；并且在微装配和封装过程中会产生封装应力，大大降低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低温漂相对平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加速度计输出的影响，具有灵敏度高、温漂小、精度高、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：
一种低温漂相对平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包括金属基座3、第一挠性铰链4-a、第二挠性铰链4-b、质量块5和金属外框6，质量块5通过第一挠性铰链4-a、第二挠性铰链4-b与金属基座3相连，金属基座3的左右两侧及前侧与金属外框6连接；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的正面与反面，以差动方式布置；
所述的第一挠性铰链4-a和第二挠性铰链4-b在敏感方向SA上具有弹性特性。
所述的金属基1在正面加工有第一凸台7-a、第二凸台7-b；金属基1在反面加工有第三凸台7-c、第四凸台7-d；第一凸台7-a和第二凸台7-b用于固定第一双端固支石英音叉2-a,第三凸台7-c和第四凸台7-d用于固定第二双端固支石英音叉2-b。
所述的第一凸台7-a加工有第一半圆形溢胶槽8-a，第二凸台7-b上加工有第二半圆形溢胶槽8-b，第三凸台7-c上加工有第三半圆形溢胶槽8-c，第四凸台7-d上加工有第四半圆形溢胶槽8-d。
所述的第一凸台7-a两侧及前侧的金属基1开有第一回型溢胶槽9-a，第二凸台7-b两侧及后侧的金属基1开有第二回型溢胶槽9-b，第三凸台7-c两侧及前侧的金属基1开有第三回型溢胶槽9-c，第四凸台7-d两侧及后侧的金属基1开有第四回型溢胶槽9-d。
所述的第一凸台7-a后侧的金属基1开有第一音叉叉齿活动槽10-a，第二凸台7-b前侧的金属基1开有第二音叉叉齿活动槽10-b，第三凸台7-c后侧的金属基1开有第三音叉叉齿活动槽10-c，第四凸台7-d前侧的金属基1开有第四音叉叉齿活动槽10-d，第一音叉叉齿活动槽10-a和第二音叉叉齿活动槽10-b配合，第三音叉叉齿活动槽10-c和第四音叉叉齿活动槽10-d配合。
所述的金属基座3开有应力隔离机构11，应力隔离机构11包括第一应力隔离槽11-a、第二应力隔离槽11-b、第三应力隔离槽11-c、第四应力隔离槽11-d；第一应力隔离槽11-a位于第一回型溢胶槽9-a和第三回型溢胶槽9-c的前侧，第二应力隔离槽11-b和第三应力隔离槽11-c位于第一回型溢胶槽9-a和第三回型溢胶槽9-c的左右两侧；第四应力隔离槽11-d位于第一回型溢胶槽9-a和第三回型溢胶槽9-c的左右两侧及后侧。
所述的金属基座3的两侧开有第一铰链隔离机构12-a和第二铰链隔离机构12-b。
所述的金属外框6外侧右端加工有第一印刷电路转接板固定基座13-a，金属外框6的外侧左端加工有第二印刷电路转接板固定基座13-b。
所述的金属外框6正面的前侧开有第一金丝引线槽14-a，金属外框6反面的前侧开有第二金丝引线槽14-b。
所述的金属外框6反面的后侧加工有第一外框固定座15-a，金属外框6反面的前侧加工有第二外框固定座15-b和第三外框固定座15-c,三个外框固定座呈梯形布置方式，能将加速度计稳定地固定在封装外壳内。
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加工，包括两端的第一固定基座16-a和第二固定基座16-b，第一固定基座16-a和第二固定基座16-b之间连接有第一叉齿17-a和第二叉齿17-b，第一叉齿17-a和第二叉齿17-b四周覆盖有表面电极，在激振电路的作用下会发生谐振振动。
所述的金属基1采用慢走丝线切割、激光切割等工艺加工而成。
本发明的有益效果为：
金属基1采用慢走丝线切割、激光切割等工艺加工而成，加工残余应力小，加工精度高；采用双端固支石英音叉作为微谐振器，不需要经过模数转换功能，加速度计实现数字化输出；两根双端固支石英音叉采用差动布置方式，能够降低热应力对加速度计输出的影响；金属基1加工有应力隔离机构和铰链隔离机构，能够进一步降低封装应力和热应力对双端固支石英音叉和挠性铰链的影响，提高加速度计基本精度；金属外框6外侧加工有印刷电路转接板固定基座，便于石英音叉金丝引线的引出，降低了微装配工艺实施的难度；第一外框固定座15-a、第二外框固定座15-b、第三外框固定座15-c采用梯形布置方式，可以将加速度计稳定地固定在封装外壳内，并且能够降低传递到加速度计上的封装外壳热应力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明双端固支石英音叉的结构示意图。
图3为本发明金属基的正面结构示意图。
图4为本发明金属基的背面结构示意图。
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1，一种低温漂相对平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包括金属基座3、第一挠性铰链4-a、第二挠性铰链4-b、质量块5和金属外框6，质量块5通过第一挠性铰链4-a、第二挠性铰链4-b与金属基座3相连，金属基座3的左右两侧及前侧与金属外框6连接；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的正面与反面，以差动方式布置，这种差动布置方式能够减低热应力对加速度计造成的误差，并且能够提高加速度计的灵敏度。
所述的第一挠性铰链4-a和第二挠性铰链4-b在敏感方向SA上具有弹性特性。
参照图2，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加工，包括两端的第一固定基座16-a和第二固定基座16-b，第一固定基座16-a和第二固定基座16-b之间连接有第一叉齿17-a和第二叉齿17-b，第一叉齿17-a和第二叉齿17-b四周覆盖有表面电极，在激振电路的作用下会发生谐振振动。
参照图2、图3、图4，所述的金属基1在正面加工有第一凸台7-a、第二凸台7-b；金属基1在反面加工有第三凸台7-c、第四凸台7-d；第一凸台7-a和第二凸台7-b用于固定第一双端固支石英音叉2-a,第三凸台7-c和第四凸台7-d用于固定第二双端固支石英音叉2-b。
所述的第一凸台7-a加工有第一半圆形溢胶槽8-a，第二凸台7-b上加工有第二半圆形溢胶槽8-b，第三凸台7-c上加工有第三半圆形溢胶槽8-c，第四凸台7-d上加工有第四半圆形溢胶槽8-d，可以防止微装配工艺中多余的粘合胶吸附到两个双端固支石英音叉的第一叉齿17-a和第二叉齿17-b上，影响双端固支石英音叉的稳定谐振。
所述的第一凸台7-a两侧及前侧的金属基1开有第一回型溢胶槽9-a，第二凸台7-b两侧及后侧的金属基1开有第二回型溢胶槽9-b，第三凸台7-c两侧及前侧的金属基1开有第三回型溢胶槽9-c，第四凸台7-d两侧及后侧的金属基1开有第四回型溢胶槽9-d，回型溢胶槽便于贴合微装配工艺中多余粘合胶从两个双端固支石英音叉的第一固定基座16-a和第二固定基座16-b中溢出。
所述的第一凸台7-a后侧的金属基1开有第一音叉叉齿活动槽10-a，第二凸台7-b前侧的金属基1开有第二音叉叉齿活动槽10-b，第三凸台7-c后侧的金属基1开有第三音叉叉齿活动槽10-c，第四凸台7-d前侧的金属基1开有第四音叉叉齿活动槽10-d，第一音叉叉齿活动槽10-a和第二音叉叉齿活动槽10-b配合，第三音叉叉齿活动槽10-c和第四音叉叉齿活动槽10-d配合，给两个双端固支石英音叉的第一叉齿17-a和第二叉齿17-b提供足够的振动空间。
所述的金属基座3开有应力隔离机构11，应力隔离机构11包括第一应力隔离槽11-a、第二应力隔离槽11-b、第三应力隔离槽11-c、第四应力隔离槽11-d。第一应力隔离槽11-a位于第一回型溢胶槽9-a和第三回型溢胶槽9-c的前侧，第二应力隔离槽11-b和第三应力隔离槽11-c位于第一回型溢胶槽9-a和第三回型溢胶槽9-c的左右两侧；第四应力隔离槽11-d位于第一回型溢胶槽9-a和第三回型溢胶槽9-c的左右两侧及后侧；应力隔离机构11可以降低传递到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上的封装应力和热应力，降低加速度计的温度漂移，并提高加速度计的基本精度。
所述的金属基座3的两侧开有第一铰链隔离机构12-a和第二铰链隔离机构12-b，可以降低封装应力和热应力对第一挠性铰链4-a、第二挠性铰链4-b的影响，降低加速度计的输出误差。
所述的金属外框6外侧右端加工有第一印刷电路转接板固定基座13-a，金属外框6的外侧左端加工有第二印刷电路转接板固定基座13-b，印刷电路转接板固定基座可以用来固定印刷电路转接板，便于微装配工艺中压焊金丝导线步骤的实施。
所述的金属外框6正面的前侧开有第一金丝引线槽14-a，金属外框6反面的前侧开有第二金丝引线槽14-b，便于微装配工艺中金丝引线的引出。
所述的金属外框6反面的后侧加工有第一外框固定座15-a，金属外框6反面的前侧加工有第二外框固定座15-b和第三外框固定座15-c,三个外框固定座呈梯形布置方式，能将加速度计稳定地固定在封装外壳内，并且能够降低传递到加速度计上的封装外壳热应力。
本发明的工作原理是：
由于石英晶体存在逆压电效应，在激振电路作用下，四周覆盖有电极的双端固支石英音叉中的第一叉齿17-a和第二叉齿17-b会处于相反相位振动模态，当加速度沿敏感方向SA作用于加速度计时，第一挠性铰链4-a和第二挠性铰链4-b带动质量块5产生SA方向的位移，改变了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的谐振频率，通过外围测试系统测量得到频率的变化值，可以解算出加速度数值的大小。两根双端固支石英音叉处于差动布置模式，加速度作用时，一根双端固支石英音叉受拉，谐振频率变大，另一根双端固支石英音叉受压，谐振频率减小，将两根双端固支石英音叉的谐振频率之差作为加速度计的输出信号，不仅可以降低热应力对加速度计的影响，还可以提高加速度计的灵敏度。
当环境温度变化引起的热应力和封装过程中产生的封装应力会对加速度计的输出造成不小的误差，金属基3的应力隔离机构11和第一铰链隔离机构12-a、第二铰链隔离机构12-b可以降低热应力和封装应力对加速度计的影响，降低加速度计的温度漂移，并提高加速度计的基本精度；金属外框6加工的印刷电路转接板基座可用于固定印刷电路转接板，便于贴合微装配工艺的实施；第一外框固定座15-a、第二外框固定座15-b、第三外框固定座15-c采用梯形布置方式，可以将加速度计稳定地固定在封装外壳内，并且能够降低传递到加速度计上的封装外壳热应力。

Claims (5)

1.一种低温漂相对平面贴装差动型集成式谐振加速度计，其特征在于：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)包括金属基座(3)、第一挠性铰链(4-a)、第二挠性铰链(4-b)、质量块(5)和金属外框(6)，质量块(5)通过第一挠性铰链(4-a)、第二挠性铰链(4-b)与金属基座(3)相连，金属基座(3)的左右两侧及前侧与金属外框(6)连接；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)的正面与反面，以差动方式布置；
所述的第一挠性铰链(4-a)和第二挠性铰链(4-b)在敏感方向SA上具有弹性特性；
所述的金属基座(3)开有应力隔离机构(11)，应力隔离机构(11)包括第一应力隔离槽(11-a)、第二应力隔离槽(11-b)、第三应力隔离槽(11-c)、第四应力隔离槽(11-d)；第一应力隔离槽(11-a)位于第一回型溢胶槽(9-a)和第三回型溢胶槽(9-c)的前侧，第二应力隔离槽(11-b)和第三应力隔离槽(11-c)位于第一回型溢胶槽(9-a)和第三回型溢胶槽(9-c)的左右两侧；第四应力隔离槽(11-d)位于第一回型溢胶槽(9-a)和第三回型溢胶槽(9-c)的左右两侧及后侧；
所述的金属基座(3)的两侧开有第一铰链隔离机构(12-a)和第二铰链隔离机构(12-b)；
所述的金属外框(6)外侧右端加工有第一印刷电路转接板固定基座(13-a)，金属外框(6)的外侧左端加工有第二印刷电路转接板固定基座(13-b)；
所述的金属外框(6)正面的前侧开有第一金丝引线槽(14-a)，金属外框(6)反面的前侧开有第二金丝引线槽(14-b)；
所述的金属外框(6)反面的后侧加工有第一外框固定座(15-a)，金属外框(6)反面的前侧加工有第二外框固定座(15-b)和第三外框固定座(15-c),三个外框固定座呈梯形布置方式，能将加速度计稳定地固定在封装外壳内。
2.根据权利要求1所述的一种低温漂相对平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)在正面加工有第一凸台(7-a)、第二凸台(7-b)；金属基(1)在反面加工有第三凸台(7-c)、第四凸台(7-d)；第一凸台(7-a)和第二凸台(7-b)用于固定第一双端固支石英音叉(2-a),第三凸台(7-c)和第四凸台(7-d)用于固定第二双端固支石英音叉(2-b)。
3.根据权利要求2所述的一种低温漂相对平面贴装差动型集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的第一凸台(7-a)上加工有第一半圆形溢胶槽(8-a)，第二凸台(7-b)上加工有第二半圆形溢胶槽(8-b)，第三凸台(7-c)上加工有第三半圆形溢胶槽(8-c)，第四凸台(7-d)上加工有第四半圆形溢胶槽(8-d)。
4.根据权利要求2所述的一种低温漂相对平面贴装差动型集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的第一凸台(7-a)两侧及前侧的金属基(1)开有第一回型溢胶槽(9-a)，第二凸台(7-b)两侧及后侧的金属基(1)开有第二回型溢胶槽(9-b)，第三凸台(7-c)两侧及前侧的金属基(1)开有第三回型溢胶槽(9-c)，第四凸台(7-d)两侧及后侧的金属基(1)开有第四回型溢胶槽(9-d)。
5.根据权利要求2所述的一种低温漂相对平面贴装差动型集成式谐振加速度计，其特征在于：所述的第一凸台(7-a)后侧的金属基(1)开有第一音叉叉齿活动槽(10-a)，第二凸台(7-b)前侧的金属基(1)开有第二音叉叉齿活动槽(10-b)，第三凸台(7-c)后侧的金属基(1)开有第三音叉叉齿活动槽(10-c)，第四凸台(7-d)前侧的金属基(1)开有第四音叉叉齿活动槽(10-d)，第一音叉叉齿活动槽(10-a)和第二音叉叉齿活动槽(10-b)配合，第三音叉叉齿活动槽(10-c)和第四音叉叉齿活动槽(10-d)配合。
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