CN113009182A - 一体式零偏可调加速度计伺服电路及其制作方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一体式零偏可调加速度计伺服电路及其制作方法和应用，属于半导体混合集成技术领域，传感器表头由力矩器、摆组件动力学、差动电容传感器组成；伺服电路系统主要由差动电容电压转换器、跨导补偿放大器、反馈网络、零偏补偿模块等组成。伺服电路功能由线性稳压电源、基准三角波发生器、差动电容检测器、积分网络、跨导补偿放大器、反馈网络、零偏补偿模块实现，可实现对加速度计输出零位修正，在输出级完成了对伺服电路输出电流的零偏补偿，有效减小加速度计的零偏，提高了加速度计伺服电路输出精度。同时，利用激光缝焊实现伺服电路与加速度计传感器表头一体式全密封封装，提高了加速度计的密封可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体混合集成技术领域，涉及一体式零偏可调加速度计伺服电路及其制作方法和应用。
背景技术
加速度计是一种测量运动载体线加速度的传感器，通过检测其内部敏感元件的参数变化，获得运动载体的加速度值，对加速度信号经过必要的积分运算和坐标变换处理，再结合系统中的陀螺仪，可获取运动载体完整的空间信息。石英挠性加速度计伺服电路是一种力平衡式加速度计伺服电路，功能是通过检测差动电容信号变化量，将其转换为电流信号，该电路与专用加速度传感器表头一起构成加速度计，已广泛应用于火箭、飞机、导弹、飞船、舰船的惯性测量和姿态控制中，也可应用于石油钻井、地质勘探、建筑倾斜测量等随钻测斜系统。
随着我国空间任务的不断增加、武器装备的更新换代以及军民融合的快速发展，使得行业领域对石英挠性加速度计伺服电路的性能，特别是输出精度和可靠性方面的要求越来越高，传统石英挠性加速度计伺服电路存在以下不足：
1、伺服电路输出存在零位偏移
通常情况下，石英挠性加速度计即使在平衡位置，其输出也通常不为0值，称之为加速度计零位偏移，简称“零偏”。石英挠性加速度计由加速度传感器表头和伺服电路两大部分组成。加速度传感器表头主要包括表芯和壳体，表芯主要由摆片、磁钢、扼铁、力矩器、力矩器线圈、挠性支承平桥、阻尼器等零件组成，壳体外形结构通常采用圆桶形设计。伺服电路采用混合集成技术，主要由基准三角波发生器、差动电容检测器、积分网络、跨导补偿放大器、反馈网络组成。加速度计的零偏一般由传感器表头结构的机械零偏和伺服电路的电气零偏组成。在加速度传感器表头的组装过程中，由于人工操作水平和机械结构加工平行度等各种因素的影响，装配后摆片的位置不一定会在几何中心位置，大多是偏向一侧，从而形成机械零偏。在伺服电路中，由于受到双电源供电、差动电容检测器中镜像电流源不平衡等因素影响，均会造成伺服电路的输出零位偏移。伺服电路中与传感器表头的一个电容极板相连的差动电容检测器一端输出只经过一个电流镜像电路，而与传感器表头的另一个电容极板相连的差动电容检测器一端输出要经过一个电流镜像电路和一个电流反向器电路，故差动电容检测器在理论上是不平衡的。因此，当摆片本身没有接收到任何加速度时，差动电容检测器仍然会有电压输出，系统会认为有负载而产生一个平衡电流加载在力矩线图上，将摆片拉回到平衡位置，产生加速度计零偏电流。电路中电流积分器采用电流信号反相输入，积分电容由运算放大器输出端接入反相端，受积分器输入端的失调电流影响、电容的电阻效应以及其他因素均会造成积分器零偏电流。通过提高传感器表头加工精度、装配技术和检测技术可以有效减小机械零偏，通过改善集成电路的生产工艺水平，可以一定程度上减小电气零偏。但由于受限于石英挠性加速度计表头和伺服电路制造工艺的水平，仍会存在零位偏移，从而影响加速度计输出精度。
2、伺服电路与传感器密封性差
石英挠性加速度计伺服电路一般采用半圆陶瓷盖板加环氧胶封装，是一种非气密性封装。根据石英挠性加速度计传感器表头与伺服电路结构特点，通常是在伺服电路的表面设计两个圆形过孔，在与加速度传感器表头互连时，将传感器表头的信号线通过电路正面的圆形过孔引到电路的反面连接，通过引线焊接方式实现伺服电路与表头互连。石英挠性加速度计伺服电路与表头通过环氧胶进行密封后，伺服电路的电源信号、输出信号均是通过伺服电路外引线引出。这种设计很巧妙的解决了加速度计传感器表头与伺服电路的互连问题，但由于电路结构设计的特点和封装材质本身的特性，其密封性方面存在一定的不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中，伺服电路输出存在零位偏移、伺服电路与传感器密封性差的缺点，提供一体式零偏可调加速度计伺服电路及其制作方法和应用。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种一体式零偏可调加速度计伺服电路，所述伺服电路与外接的传感器表头电连接，所述传感器表头包括力矩器和差动电容传感器；伺服电路包括差动电容电压转换器、跨导补偿放大器、反馈网络和零偏补偿模块；差动电容电压转换器的输入端与差动电容传感器的输出端电连接，差动电容电压转换器的输出端与跨导补偿放大器的输入端连接，跨导补偿放大器设有两个信号输出端，一个信号输出端与力矩器的电流输入端连接，另一个输出端与反馈网络的输入端连接，反馈网络的输出端与跨导补偿放大器的输入端连接；零偏补偿模块的输入端与力矩器的电流输出端连接，零偏补偿模块的输出端与伺服电路的电流输出端连接。
优选地，所述差动电容电压转换器包括相互连接的差动电容检测器和积分网络；差动电容检测器的输入端与差动电容传感器的输出端连接，差动电容检测器的输出端与积分网络的输入端连接，积分网络的输出端与跨导补偿放大器的输入端连接。
进一步优选地，所述差动电容检测器电连接有基准三角波发生器。
优选地，所述零偏补偿模块电连接有线性稳压电源。
优选地，所述反馈网络由若干个参数可调的阻容器件电连接组成。
一种所述一体式零偏可调加速度计伺服电路的制作方法，包括如下步骤：
对电路版图进行布局布线，得到工艺制作数据，再将工艺制作数据转化制作为光绘底片，根据光绘底片制作厚膜印刷漏版，通过厚膜混合集成工艺在电路基板上制作无源网络，得到厚膜基片；
将半导体器件芯片和微型元件组装到厚膜基片上；
在厚膜基片上制备厚膜电阻，并对厚膜电阻进行激光调值，利用再流焊工艺组装电容，将差动电容电压转换器、线性稳压电源伺服跨导放大器通过粘接技术固定在厚膜基片上，并通过键合工艺对芯片压焊点与厚膜基片上的无源网络进行电气互连，得到一体式零偏可调加速度计伺服电路的电路板。
优选地，所述组装电容为微型片式独石瓷介电容；所述电路基板采用氧化铝陶瓷制备而成；所述外壳由304#不锈钢板制备而成；所述厚膜电阻通过在厚膜基片上印刷电阻浆料后烧结制备而成。
一种基于所述一体式零偏可调加速度计伺服电路制备的一体式零偏可调加速度计伺服电路系统，包括传感器表头和与传感器表头连接的一体式零偏可调加速度计伺服电路的电路板。
优选地，所述将一体式零偏可调加速度计伺服电路系统的制备过程为：首先将一体式零偏可调加速度计伺服电路的电路板固定在外壳上，利用引线将传感器表头与伺服电路互连，互连端口包括力矩器高端、力矩器低端、地、差动电容检测第一端、差动电容检测第二端；再将电路板和传感器表头一体式密封封装。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种一体式零偏可调加速度计伺服电路，伺服电路与传感器表头配合使用，传感器表头由力矩器、摆组件动力学、差动电容传感器组成。伺服电路主要由差动电容电压转换器、跨导补偿放大器、反馈网络、零偏补偿模块等组成。伺服电路功能由线性稳压电源、基准三角波发生器、差动电容检测器、积分网络、跨导补偿放大器、反馈网络、零偏补偿模块实现，当沿加速度计的输入轴有加速度作用时，差动电容传感器摆片偏离中心位置，产生电容变化量为2ΔC，伺服电路中的差动电容检测器检测这一变化而输出电流iD，该电流由电流积分器积分后输出电压Vi，然后由跨导补偿放大器把电压放大并变换成电流i，该电流的大小与输入加速度成正比，极性取决于输入加速度的方向。电流i被施加到表头的力矩器上，于是产生再平衡力矩，以平衡因ai引起的惯性力矩。电流i经过零偏补偿模块输出电流信号iout。在平衡位置下，通过设置零偏补偿模块中的高精度参数调整单元，使得电路的输出零偏得到补偿修正，满足系统使用要求。
进一步地，线性稳压电源为零偏补偿模块和差动电容电压转换器提供高精度、低时漂、低温漂电源电压。差动电容电压转换器包括基准三角波发生器、差动电容检测器、积分网络构成的集成电路，可实现对加速度计输出零位修正，在输出级完成了对伺服电路输出电流的零偏补偿，有效减小加速度计的零偏，进一步提高了加速度计伺服电路输出精度。
本发明还提供了一体式零偏可调加速度计伺服电路的制作方法，将工艺制作数据转化制作为光绘底片，根据光绘底片制作厚膜印刷漏版，通过厚膜混合集成工艺在电路基板上制作无源网络，得到厚膜基片；之后对厚膜基片进行激光调值，并组长电容和芯片，得到一体式零偏可调加速度计伺服电路的电路板。本发明的制作方法采用基板和外壳的无孔式设计，设计了电路正面焊盘互连结构，优化了组装工艺设计，简化了组装流程。利用激光缝焊实现电路与加速度计传感器一体式全密封封装，实现对加速度计输出的零偏修正，提高加速度计的输出精度。在结构先进性和密封性方面较传统设计有着明显优势，使得电路的环境适应性得到了提升，提高了电路的可靠性和加速度计的密封可靠性。
本发明还公开了一种一体式零偏可调加速度计伺服电路系统，包括传感器表头和与传感器表头连接的一体式零偏可调加速度计伺服电路的电路板。将一体式零偏可调加速度计伺服电路的电路板固定在外壳上，利用引线将传感器表头与伺服电路互连，互连端口包括力矩器高端、力矩器低端、地、差动电容检测第一端、差动电容检测第二端；再将电路板和传感器表头一体式密封封装。利用本发明制备的一体式零偏可调加速度计伺服电路，能够实现与传感器表头的密封。
附图说明
图1为一体式零偏可调加速度计伺服电路系统框图；
图2为一体式零偏可调加速度计伺服电路系统的原理框图；
图3为一体式零偏可调加速度计伺服电路系统的爆炸示意图；
图4为一体式零偏可调加速度计伺服电路系统的侧视爆炸示意图；
其中：1-传感器表头；2-伺服电路。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
一种一体式零偏可调加速度计伺服电路，如图1所示，伺服电路与外接的传感器表头电连接，传感器表头包括力矩器和差动电容传感器；伺服电路包括差动电容电压转换器、跨导补偿放大器、反馈网络和零偏补偿模块；差动电容电压转换器的输入端与差动电容传感器的输出端电连接，差动电容电压转换器的输出端与跨导补偿放大器的输入端连接，跨导补偿放大器设有两个信号输出端，一个信号输出端与力矩器电连接，另一个输出端与反馈网络的输入端连接，反馈网络的输出端与跨导补偿放大器的输入端连接；零偏补偿模块的输入端与力矩器的电流输出端连接，零偏补偿模块的输出端与伺服电路的电流输出端连接。
实施例2
一体式零偏可调加速度计伺服电路系统，由传感器表头和伺服电路构成，系统框图如1所示。传感器表头由力矩器、摆组件动力学、差动电容传感器组成；伺服电路主要由差动电容电压转换器、跨导补偿放大器、反馈网络、零偏补偿模块等组成。伺服电路功能由线性稳压电源、基准三角波发生器、差动电容检测器、积分网络、跨导补偿放大器、反馈网络、零偏补偿模块实现。所述差动电容电压转换器包括相互连接的基准三角波发生器、差动电容检测器和积分网络；差动电容检测器的输入端与差动电容传感器的输出端连接，差动电容检测器的输出端与积分网络的输入端连接，积分网络的输出端与跨导补偿放大器的输入端连接。
实施例3
除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
线性稳压电源为零偏补偿模块提供高精度、低时漂、低温漂电源电压。差动电容电压转换器包括基准三角波发生器、差动电容检测器、积分网络，差动电容检测器的输入端与差动电容传感器的输出端连接，差动电容检测器的输出端与积分网络的输入端连接，积分网络的输出端与跨导补偿放大器的输入端连接。线性稳压电源伺服跨导补偿放大器包括线性稳压电压电源和跨导补偿放大器，反馈网络由若干个参数可调的阻容器件电连接组成。
一种基于一体式零偏可调加速度计伺服电路制备的一体式零偏可调加速度计伺服电路系统，包括传感器表头和与传感器表头连接的一体式零偏可调加速度计伺服电路的电路板。
一体式零偏可调加速度计伺服电路系统的制备过程为：首先将一体式零偏可调加速度计伺服电路的电路板固定在外壳上，利用引线将传感器表头与伺服电路互连，互连端口包括力矩器高端、力矩器低端、地、差动电容检测第一端、差动电容检测第二端；再将电路板和传感器表头一体式密封封装。
本发明的一体式零偏可调加速度计伺服电路系统的工作原理如下：
如图2所示，当沿加速度计的输入轴有加速度ai作用时，差动电容传感器摆片偏离中心位置，产生电容变化量为2ΔC，伺服电路中的差动电容检测器检测这一变化而输出电流iD，该电流由电流积分器积分后输出电压Vi，然后由跨导补偿放大器把电压放大并变换成电流i，该电流的大小与输入加速度成正比，极性取决于输入加速度的方向。电流i被施加到表头的力矩器上，于是产生再平衡力矩，以平衡因ai引起的惯性力矩。电流i经过零偏补偿模块输出电流信号iout。在平衡位置下，通过设置零偏补偿模块中的高精度参数调整单元，使得电路的输出零偏得到补偿修正，满足系统使用要求。
如图3和图4所示，一体式零偏可调加速度计伺服电路系统的制作方法如下：
一体式零偏可调加速度计伺服电路与传感器表头1之间的信号互连焊盘设置在电路正面，利用引线实现与传感器表头1的信号互连，互连端口包括力矩器高端(MH)、力矩器低端(ML)、地(GND)、差动电容检测端1(Cext1)、差动电容检测端2(Cext2)。电路基板和外壳均采用无孔式设计。该设计替代了传统的电路背面焊盘设计，减少了电路基片和外壳的两个通孔，简化了基板的制作过程，提高了电路基板2的结构可靠性，优化了伺服电路与加速度传感器表头之间的信号互连的操作，减少了伺服电路与加速度传感器表头封装步骤和次数。电路采用厚膜混合集成工艺，电路基板2采用氧化铝陶瓷，使用电子制版软件对电路版图进行合理布局布线，形成工艺制作数据，将工艺制作数据转化制作为光绘底片，再根据光绘底片制作厚膜印刷漏版，通过丝网印刷和烧结等厚膜工艺在电路基板2上制作无源网络，该无源网络指在未组装半导体器件芯片和微型元件的厚膜基片，此时厚膜基片仅包括导带、钝化等，即厚膜基片是一种无源器件，是半导体器件芯片和微型元件组装载体。并在其上组装半导体器件芯片和微型元件。
差动电容电压转换器、线性稳压电源跨导伺服补偿放大器为专用集成电路，使用绝缘胶粘接在电路基板2上，并通过键合技术实现芯片压焊点与厚膜基片上无源网络的电气互连，使用微型尺寸片式独石电容，电容组装采用再流焊工艺，厚膜电阻通过将电阻浆料印刷烧结在电路基板2上，并通过激光调值保证阻值精度。电路基板2通过粘接方式固定在304#不锈钢材质的外壳上。跨导补偿放大器和差动电容电压转换器为该电路的两个半导体器件。半导体器件差动电容电压转换器包括基准三角波发生器、差动电容电压转换器、积分网络三个主要部分。半导体器件线性稳压电源伺服跨导放大器包括跨导补偿放大器和线性稳压电源两个部分。两者通过粘接技术固定在厚膜基片上。利用激光缝焊实现电路与加速度计传感器一体式全密封封装，代替了传统的环氧胶封装方式，提高了加速度计的密封可靠性，该设计在结构先进性和密封性方面较传统设计有着明显优势。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种一体式零偏可调加速度计伺服电路，其特征在于，所述伺服电路与外接的传感器表头电连接，所述传感器表头包括力矩器和差动电容传感器；伺服电路包括差动电容电压转换器、跨导补偿放大器、反馈网络和零偏补偿模块；差动电容电压转换器的输入端与差动电容传感器的输出端电连接，差动电容电压转换器的输出端与跨导补偿放大器的输入端连接，跨导补偿放大器设有两个信号输出端，一个信号输出端与力矩器的电流输入端连接，另一个输出端与反馈网络的输入端连接，反馈网络的输出端与跨导补偿放大器的输入端连接；零偏补偿模块的输入端与力矩器的电流输出端连接，零偏补偿模块的输出端与伺服电路的电流输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一体式零偏可调加速度计伺服电路，其特征在于，所述差动电容电压转换器包括相互连接的差动电容检测器和积分网络；差动电容检测器的输入端与差动电容传感器的输出端连接，差动电容检测器的输出端与积分网络的输入端连接，积分网络的输出端与跨导补偿放大器的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一体式零偏可调加速度计伺服电路，其特征在于，所述差动电容检测器电连接有基准三角波发生器。
4.根据权利要求1所述的一体式零偏可调加速度计伺服电路，其特征在于，所述零偏补偿模块电连接有线性稳压电源。
5.根据权利要求1所述的一体式零偏可调加速度计伺服电路，其特征在于，所述反馈网络由若干个参数可调的阻容器件电连接组成。
6.一种权利要求1～5任一项所述一体式零偏可调加速度计伺服电路的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
对电路版图进行布局布线，得到工艺制作数据，再将工艺制作数据转化制作为光绘底片，根据光绘底片制作厚膜印刷漏版，通过厚膜混合集成工艺在电路基板上制作无源网络，得到厚膜基片；
将半导体器件芯片和微型元件组装到厚膜基片上；
在厚膜基片上制备厚膜电阻，并对厚膜电阻进行激光调值，利用再流焊工艺组装电容，将差动电容电压转换器、线性稳压电源伺服跨导放大器通过粘接技术固定在厚膜基片上，并通过键合工艺对芯片压焊点与厚膜基片上的无源网络进行电气互连，得到一体式零偏可调加速度计伺服电路的电路板。
7.根据权利要求6所述的一体式零偏可调加速度计伺服电路的制作方法，其特征在于，所述组装电容为微型片式独石瓷介电容；所述电路基板采用氧化铝陶瓷制备而成；所述外壳由304#不锈钢板制备而成。
8.根据权利要求6所述的一体式零偏可调加速度计伺服电路的制作方法，其特征在于，所述厚膜电阻通过在厚膜基片上印刷电阻浆料后烧结制备而成。
9.一种基于权利要求1～5任一项所述一体式零偏可调加速度计伺服电路制备的一体式零偏可调加速度计伺服电路系统，其特征在于，包括传感器表头和与传感器表头连接的一体式零偏可调加速度计伺服电路的电路板。
10.根据权利要求9所述的一体式零偏可调加速度计伺服电路系统，其特征在于，所述将一体式零偏可调加速度计伺服电路系统的制备过程为：首先将一体式零偏可调加速度计伺服电路的电路板固定在外壳上，利用引线将传感器表头与伺服电路互连，互连端口包括力矩器高端、力矩器低端、地、差动电容检测第一端、差动电容检测第二端；再将电路板和传感器表头一体式密封封装。
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