CN112379126A - 一种复合量程石英谐振加速度传感器 - Google Patents

一种复合量程石英谐振加速度传感器 Download PDF

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Abstract

一种复合量程石英谐振加速度传感器，由外部的小量程加速度计和中间的大量程加速度计嵌套构成，大小量程加速度计为相似结构，整体结构成中心对称布局，由一石英片贯穿腐蚀加工而成；大小量程加速度计均包括石英音叉、柔性杠杆、应力分配梁和敏感质量块，敏感质量块受到加速度作用产生的惯性力传递到柔性杠杆上，经过柔性杠杆放大作用传递到应力分配梁上，应力分配梁把惯性力先集中然后再均分到石英音叉的两根振梁上；根据被测量的大小启动大小量程加速度计，一端的石英音叉受到的力为拉应力，频率升高，另一端受到压应力，频率降低，两者的频率差与加速度的大小成正比，通过测量频率差获得加速度的大小；具有测量量程大、精度高、体积小等优势。

Description

一种复合量程石英谐振加速度传感器
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，具体涉及一种复合量程石英谐振加速度传感器。
背景技术
加速度传感器作为惯性测量器件，常常被用于航空航天、武器装备的导航制导，通常需要测量的加速度差异巨大，甚至可以从几个g覆盖到上万g。例如，常规弹药发射时的加速度一般非常大，而在飞行过程中所承受的加速度要小的多。在子母弹的发射、飞行和开舱抛撒过程中，弹丸所承受的过载值从几个g到上万g，在实现高g值精确测量的同时，应保证低g值测量单元结构不发生破坏，其性能保持不变；另外考虑到生产、装配和测试等过程中，由于偶然跌落所产生的冲击加速度作用,传感器的性能应保持不变。因此在使用过程中，既需要测试发射过程中上万个g的加速度，也需要测试飞行过程中几个g的加速度，这些值无法通过现有的一个微加速度计完成测试。
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了一种复合量程石英谐振加速度传感器，提高加速度传感器的使用范围，并且保证在各量程范围内的精度，具有集成度高，体积小，既能测量大量程加速度，又能在小量程测量范围内保持高精度的优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种复合量程石英谐振加速度传感器，由外部的小量程加速度计和中间的大量程加速度计6嵌套构成，小量程加速度计和大量程加速度计为相似结构，整体结构成中心对称布局，由一整片石英片贯穿腐蚀加工而成。
所述的小量程加速计由石英安装框架1、第一石英音叉2a和第二石英音叉2b、第一柔性杠杆3a和第二柔性杠杆3b、第一应力分配梁4a和第二应力分配梁4b、第一敏感质量块5组成；其中石英安装框架1用来进行传感器敏感芯片与壳体基座的装配，第一石英音叉2a通过第一应力分配梁4a与第一柔性杠杆3a的输出端连接，第二石英音叉2b通过第二应力分配梁4b与第二柔性杠杆3b的输出端连接，第一石英音叉2a和第二石英音叉2b、第一柔性杠杆3a和第二柔性杠杆3b、第一应力分配梁4a和第二应力分配梁4b分别成中心对称布局，第一柔性杠杆3a和第二柔性杠杆3b的输入端与第一敏感质量块5连接，第一敏感质量块5的中间设有大量程加速度计6，大量程加速度计6为第一敏感质量块5的一部分。
所述的大量程加速度计6由第三柔性杠杆7a和第四柔性杠杆7b、第三石英音叉8a和第四石英音叉8b、第三应力分配梁9a和第四应力分配梁9b、第二敏感质量块10组成；第三石英音叉8a通过第三应力分配梁9a与第三柔性杠杆7a的输出端连接，第四石英音叉8b通过第四应力分配梁9b与第四柔性杠杆7b的输出端连接，第三柔性杠杆7a和第四柔性杠杆7b、第三石英音叉8a和第四石英音叉8b、第三应力分配梁9a和第四应力分配梁9b分别成中心对称布局，第三柔性杠杆7a和第四柔性杠杆7b的输入端与第二敏感质量块10连接。
所述的第一柔性杠杆3a、第二柔性杠杆3b和第三柔性杠杆7a、第四柔性杠杆7b结构相同，均为由杠杆阻力臂11、柔性铰链12、输出端13、动力臂14和输入端15组成的微杠杆放大机构，动力臂14的一端下方和输入端15连接，动力臂14的另一端下方和输出端13连接，动力臂14的另一端和杠杆阻力臂11连接，杠杆阻力臂11端头下方和柔性铰链12连接；
在大量程加速度计6中，第三柔性杠杆7a和第四柔性杠杆7b的柔性铰链12的一端与第一敏感质量块5连接，另一端与杠杆阻力臂11连接，输出端13分别通过第三应力分配梁9a、第四应力分配梁9b与第三石英音叉8a、第四石英音叉8b连接，输入端15与第二敏感质量块10连接；
在小量程加速度计中，第一柔性杠杆3a和第二柔性杠杆3b的柔性铰链12的一端与石英安装框架1连接，另一端与杠杆阻力臂11连接，输出端13分别通过第一应力分配梁4a、第二应力分配梁4b与第一石英音叉2a、第二石英音叉2b连接，输入端15与第一敏感质量块5连接。
本发明的有益效果为：
本发明可以实现覆盖高低量程的加速度测量，在几个g到上万g的测量范围内，完成高精度测量，极大的扩大了传感器的测量范围，实现了大量程和高精度的集成。单晶石英的压电特性，可以实现准数字输出，没有模数转换的精度损失，有利于与IC系统的集成。利用MEMS工艺，由一整片单晶石英贯穿式腐蚀而成，整个加速度计芯片为同种材料，没有异质材料的热膨胀系数不匹配问题，没有装配误差，有利于传感器高稳定性的实现。内外嵌套式的布置结构，有利于传感器的小型化。本发明传感器具有量程范围大，精度高，稳定性好，体积小，批量化等优势。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中大量程加速度计的局部放大图。
图3为本发明柔性杠杆局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1，一种复合量程石英谐振加速度传感器，由外部的小量程加速度计和中间的大量程加速度计6嵌套构成，小量程加速度计和大量程加速度计为相似结构，整体结构成中心对称布局，由一整片石英片贯穿腐蚀加工而成。
所述的小量程加速计由石英安装框架1、第一石英音叉2a和第二石英音叉2b、第一柔性杠杆3a和第二柔性杠杆3b、第一应力分配梁4a和第二应力分配梁4b、第一敏感质量块5组成；其中石英安装框架1用来进行传感器敏感芯片与壳体基座的装配，第一石英音叉2a通过第一应力分配梁4a与第一柔性杠杆3a的输出端连接，第二石英音叉2b通过第二应力分配梁4b与第二柔性杠杆3b的输出端连接，第一石英音叉2a和第二石英音叉2b、第一柔性杠杆3a和第二柔性杠杆3b、第一应力分配梁4a和第二应力分配梁4b分别成中心对称布局，第一柔性杠杆3a和第二柔性杠杆3b的输入端与第一敏感质量块5连接，第一敏感质量块5的中间设有大量程加速度计6，大量程加速度计6为第一敏感质量块5的一部分。
参照图2，所述的大量程加速度计6由第三柔性杠杆7a和第四柔性杠杆7b、第三石英音叉8a和第四石英音叉8b、第三应力分配梁9a和第四应力分配梁9b、第二敏感质量块10组成；第三石英音叉8a通过第三应力分配梁9a与第三柔性杠杆7a的输出端连接，第四石英音叉8b通过第四应力分配梁9b与第四柔性杠杆7b的输出端连接，第三柔性杠杆7a和第四柔性杠杆7b、第三石英音叉8a和第四石英音叉8b、第三应力分配梁9a和第四应力分配梁9b分别成中心对称布局，第三柔性杠杆7a和第四柔性杠杆7b的输入端与第二敏感质量块10连接。
参照图3，所述的第一柔性杠杆3a、第二柔性杠杆3b和第三柔性杠杆7a、第四柔性杠杆7b结构相同，均为由杠杆阻力臂11、柔性铰链12、输出端13、动力臂14和输入端15组成的微杠杆放大机构，动力臂14的一端下方和输入端15连接，动力臂14的另一端下方和输出端13连接，动力臂14的另一端和杠杆阻力臂11连接，杠杆阻力臂11端头下方和柔性铰链12连接；
在大量程加速度计6中，第三柔性杠杆7a和第四柔性杠杆7b的柔性铰链12的一端与第一敏感质量块5连接，另一端与杠杆阻力臂11连接，输出端13分别通过第三应力分配梁9a、第四应力分配梁9b与第三石英音叉8a、第四石英音叉8b连接，输入端15与第二敏感质量块10连接；第二敏感质量块10受到加速度作用产生惯性力，惯性力通过输入端15传递到第三柔性杠杆7a和第四柔性杠杆7b上，经过杠杆的放大作用，传递到第三应力分配梁9a、第四应力分配梁9b上，第三应力分配梁9a、第四应力分配梁9b把第三柔性杠杆7a、第四柔性杠杆7b上传递过来的惯性力先集中然后再均分到第三石英音叉8a、第四石英音叉8b的两根振梁上。
在小量程加速度计中，第一柔性杠杆3a和第二柔性杠杆3b的柔性铰链12的一端与石英安装框架1连接，另一端与杠杆阻力臂11连接，输出端13分别通过第一应力分配梁4a、第二应力分配梁4b与第一石英音叉2a、第二石英音叉2b连接，输入端15与第一敏感质量块5连接；第一敏感质量块5受到加速度作用产生惯性力，惯性力通过输入端15传递到第一柔性杠杆3a和第二柔性杠杆3b上，经过杠杆的放大作用，传递到第一应力分配梁4a、第二应力分配梁4b上，第一应力分配梁4a、第二应力分配梁4b把第一柔性杠杆3a、第二柔性杠杆3b上传递过来的惯性力先集中然后再均分到第一石英音叉2a、第二石英音叉2b的两根振梁上。
本发明的工作原理是：
当传感器受到来于沿石英音叉长度方向的加速度时，当加速度为几个g时，第一敏感质量块5受到加速作用产生惯性力，惯性力通过第一柔性杠杆3a、第二柔性杠杆3b的放大并传递到第一应力分配梁4a、第二应力分配梁4b上，并由第一应力分配梁4a、第二应力分配梁4b进行力的集中再均分到第一石英音叉2a、第二石英音叉2b的两根振梁上；垂直纸面中心对称的结构，一端的石英音叉受到的力为拉应力，频率升高，另一端受到压应力，频率降低，两者的频率差与加速度的大小成正比，从而通过测量频率差获得加速度的大小。
当加速度为上万g时，由于石英安装框架1的限位作用，小量程加速度计的位移受限，测量不再起作用，此时，大量程加速度计6的第二敏感质量块10受到加速作用产生惯性力，惯性力通过第三柔性杠杆7a、第四柔性杠杆7b的放大并传递到第三应力分配梁9a、第四应力分配梁9b上，并由第三应力分配梁9a、第四应力分配梁9b进行力的集中再均分到第三石英音叉8a、第四石英音叉8b的两根振梁上；垂直纸面中心对称的结构，一端的石英音叉受到的力为拉应力，频率升高，另一端受到压应力，频率降低，两者的频率差与加速度的大小成正比，从而通过测量频率差获得加速度的大小。

Claims (4)

1.一种复合量程石英谐振加速度传感器，其特征在于：由外部的小量程加速度计和中间的大量程加速度计(6)嵌套构成，小量程加速度计和大量程加速度计为相似结构，整体结构成中心对称布局，由一整片石英片贯穿腐蚀加工而成。
2.根据权利要求1所述的一种复合量程石英谐振加速度传感器，其特征在于：所述的小量程加速计由石英安装框架(1)、第一石英音叉(2a)和第二石英音叉(2b)、第一柔性杠杆(3a)和第二柔性杠杆(3b)、第一应力分配梁(4a)和第二应力分配梁(4b)、第一敏感质量块(5)组成；其中石英安装框架(1)用来进行传感器敏感芯片与壳体基座的装配，第一石英音叉(2a)通过第一应力分配梁(4a)与第一柔性杠杆(3a)的输出端连接，第二石英音叉(2b)通过第二应力分配梁(4b)与第二柔性杠杆(3b)的输出端连接，第一石英音叉(2a)和第二石英音叉(2b)、第一柔性杠杆(3a)和第二柔性杠杆(3b)、第一应力分配梁(4a)和第二应力分配梁(4b)分别成中心对称布局，第一柔性杠杆(3a)和第二柔性杠杆(3b)的输入端与第一敏感质量块(5)连接，第一敏感质量块(5)的中间设有大量程加速度计(6)，大量程加速度计(6)为第一敏感质量块(5)的一部分。
3.根据权利要求1所述的一种复合量程石英谐振加速度传感器，其特征在于：所述的大量程加速度计(6)由第三柔性杠杆(7a)和第四柔性杠杆(7b)、第三石英音叉(8a)和第四石英音叉(8b)、第三应力分配梁(9a)和第四应力分配梁(9b)、第二敏感质量块(10)组成；第三石英音叉(8a)通过第三应力分配梁(9a)与第三柔性杠杆(7a)的输出端连接，第四石英音叉(8b)通过第四应力分配梁(9b)与第四柔性杠杆(7b)的输出端连接，第三柔性杠杆(7a)和第四柔性杠杆(7b)、第三石英音叉(8a)和第四石英音叉(8b)、第三应力分配梁(9a)和第四应力分配梁(9b)分别成中心对称布局，第三柔性杠杆(7a)和第四柔性杠杆(7b)的输入端与第二敏感质量块(10)连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种复合量程石英谐振加速度传感器，其特征在于：所述的第一柔性杠杆(3a)、第二柔性杠杆(3b)和第三柔性杠杆(7a)、第四柔性杠杆(7b)结构相同，均为由杠杆阻力臂(11)、柔性铰链(12)、输出端(13)、动力臂(14)和输入端(15)组成的微杠杆放大机构，动力臂(14)的一端下方和输入端(15)连接，动力臂(14)的另一端下方和输出端(13)连接，动力臂(14)的另一端和杠杆阻力臂(11)连接，杠杆阻力臂(11)端头下方和柔性铰链(12)连接；
在大量程加速度计(6)中，第三柔性杠杆(7a)和第四柔性杠杆(7b)的柔性铰链(12)的一端与第一敏感质量块(5)连接，另一端与杠杆阻力臂(11)连接，输出端(13)分别通过第三应力分配梁(9a)、第四应力分配梁(9b)与第三石英音叉(8a)、第四石英音叉(8b)连接，输入端(15)与第二敏感质量块(10)连接；
在小量程加速度计中，第一柔性杠杆(3a)和第二柔性杠杆(3b)的柔性铰链(12)的一端与石英安装框架(1)连接，另一端与杠杆阻力臂(11)连接，输出端(13)分别通过第一应力分配梁(4a)、第二应力分配梁(4b)与第一石英音叉(2a)、第二石英音叉(2b)连接，输入端(15)与第一敏感质量块(5)连接。
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李东光 等: ""双加速度计弹丸运动速度检测技术研究"", 《探测与控制学报》 *
熊继军 等: ""复合量程微加速度计的研究"", 《传感技术学报》 *
韩超 等: ""石英谐振加速度传感器芯片设计与仿真"", 《导航与控制》 *
高杨 等: ""高性能氮化铝差分谐振式加速度计的结构设计"", 《中国惯性技术学报》 *

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