CN114167082A - 一种单晶硅挠性加速度计 - Google Patents

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CN114167082A CN202111428238.0A CN202111428238A CN114167082A CN 114167082 A CN114167082 A CN 114167082A CN 202111428238 A CN202111428238 A CN 202111428238A CN 114167082 A CN114167082 A CN 114167082A
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刘海斌
李鹏飞
张博文
魏渊
梁璞
杨夏颖
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    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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Abstract

本申请提供了一种单晶硅挠性加速度计，包括表头1和伺服电路模块2，其中：伺服电路模块2设置在表头1上；表头1包括：磁钢3、下电容极板4、检测质量组件5、上转接极板11、壳体12；检测质量组件5包括力矩器线圈6、第一垫块7、单晶硅摆片8、第二垫块10；壳体12内下至上依次放置有磁钢3、下电容极板4、检测质量组件5、上转接极板11。磁钢3用于稳定地提供均匀的磁场；下电容极板4构成了差分电容的定区；力矩器线圈6与磁钢构成了永磁式力矩器；单晶硅摆片8包括定片、动片和挠性梁9，动片构成了差分电容的动区，与下电容极板4共同组成差动电容计；定片通过上下凸台固定连接于下电容极板和上转接极板之间；上转接极板11用来转接电信号。

Description

一种单晶硅挠性加速度计
技术领域
本发明涉及惯性仪器仪表技术领域，具体涉及一种单晶硅挠性加速度计。
背景技术
加速度计是测量运动载体线加速度的惯性仪表，是惯性导航系统的核心器件之一。目前市面上存在着多种类型的加速度计，包括液浮摆式加速度计、光学加速度计、硅微加速度计、挠性加速度计、积分陀螺加速度计等，但在高精度惯性导航领域，应用最广泛的加速度计产品仍以挠性加速度计为主。挠性加速度计具有结构简单、体积小、寿命长、精度和灵敏度高、温度系数小、性能稳定等优点，广泛应用于飞机、导弹、火箭、船舶、车辆的惯性导航系统，以及石油钻井、建筑、堤坝的倾角测量以及地震监测等领域。
挠性加速度计中最为常见的是石英挠性加速度计，它由表头和伺服电路模块组成，其中石英摆片是该加速度计最为关键的部件，是加速度信号最直接的敏感部件，石英摆片的平面度以及它与力矩器的对接面的平行度的好坏直接影响传感器的性能。目前，由于工艺条件的限制，刻蚀出的石英摆片的平面度以及它与力矩器对接面的平行度很难保证，高精度的摆片合格率很低，制约了该型加速度计的综合性能的提高。
发明内容
本发明的目的是：提出一种精度高、一致性好、体积小、稳定性高的基于单晶硅材料的挠性加速度计。
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种单晶硅挠性加速度计，所述单晶硅挠性加速度计包括表头(1)和伺服电路模块(2)，其中：
伺服电路模块(2)设置在表头(1)上；
所述表头1包括：磁钢3、下电容极板4、检测质量组件5、上转接极板11、壳体12；检测质量组件5包括力矩器线圈6、第一垫块7、单晶硅摆片8、第二垫块10，用于感测载体的直线加速度矢量；
壳体12为空腔结构，具有磁导能力；壳体12内下至上依次放置有磁钢3、下电容极板4、检测质量组件5、上转接极板11；磁钢3的中间设置通孔，磁钢3固定于壳体12内底面，用于稳定地提供均匀的磁场；所述下电容极板4上表面设置有中心对称的两个镀金区，两个镀金区构成了差分电容的定区；所述力矩器线圈6为圆环形的线圈，所述力矩器线圈6通过第一垫块7设置于所述单晶硅摆片8下；所述力矩器线圈6和所述磁钢3构成了永磁式力矩器；所述单晶硅摆片8包括定片、动片和两个挠性梁9，定片为中间通孔的异形板状结构，动片为设置在定片外围的异形板状结构，动片通过挠性梁9与定片固连，动片能在惯性力的作用下绕挠性梁9旋转摆动，动片构成了差分电容的动区，动片和所述下电容极板4共同组成差动电容计；定片上设置有上凸台和下凸台，上凸台用于与上转接极板11压接，下凸台用于与下电容极板4压接；所述上转接极板11上有金膜镀成的导带，用来转接差动电容计和永磁式力矩器的电信号。
优选的，单晶硅摆片8为单晶硅材料的摆片，通过MEMS硅微加工技术制作而成。
优选的，挠性梁9的厚度为8～10微米，当有加速度信号输入时，检测质量组件5会绕着挠性梁9旋转摆动。
优选的，磁钢3为由永磁材料制成的。
优选的，力矩器线圈6由铜丝绕制而成，线圈匝数为200匝，铜丝线径为0.04mm。
优选的，壳体12为软磁合金材料制成的。
优选的，下电容极板4的底盘和上转接极板11的底盘均为陶瓷材料制成的，具有绝缘导热功能。
优选的，第一垫块7和第二垫块10为高比重合金材料垫块。
本发明具有以下特点：
1、检测质量的核心组件摆片是利用MEMS硅微加工技术制作而成的单晶硅整体摆，摆片加工平面度好，细节处理精度高，同时单晶硅材料弹性迟滞小、热膨胀系数小、导热性好、弹性模量大，利于实现低的温度系数、好的温度均匀性和高的结构稳定性，同时因硅材料的半导体属性，使得其无需镀金膜的工艺处理即可构成电容器的一极，从而减少了额外应力的引入；
2、检测质量组件通过微米级(8～10微米)的挠性梁实现检测质量的支承，灵敏度高；
3、电容差分测量方法位移检测分辨率高，通过下电容极板与单晶硅摆片集成构成差分电容检测计的方式，结构简单，体积小，工艺上易于实现，可敏感微小量级的加速度变化；
4、永磁力反馈方式结构简单，可实现闭环控制，稳定性影响因素少，容易实现标度因数的高稳定性。
本发明的有益效果：本发明提出了一种单晶硅挠性加速度计，具有精度高、一致性好、体积小、稳定性高的特点，单晶硅材料相比石英材料具有优势，能够采用MEMS硅微加工工艺实现超高精度的加工，且自身具有半导体属性，本发明具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的一种单晶硅挠性加速度计的结构示意图；
图2为本发明提供的一种表头的结构组成示意图；
图3位本发明提供的单晶硅挠性加速度计的工作原理图。
其中，1-表头、2-伺服电路模块、3-磁钢、4-下电容极板、5-检测质量组件、6-力矩器线圈、7-第一垫块、8-单晶硅摆片、9-挠性梁、10-第二垫块、11-上转接极板、12-壳体。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施，对本发明进一步详细说明，本领域技术人员应当懂得，该描述是示例性的，本发明不仅限于该具体实施方式之中，本领域技术人员可以对其进行各种组合、修饰和变更，本领域技术人员应当懂得，只要不脱离本发明的宗旨和精神，对本发明所作出的各种组合、修饰和变更均应当属于本发明范畴之内，本发明保护范围由所附权利要求书给出。
随着半导体行业的飞速发展，国内的MEMS工艺技术也实现了巨大的进步，采用MEMS硅微加工技术可以实现硅结构的微米甚至纳米量级的超精密加工，同时容易实现阵列化、低成本和高效率制作，使得制作出的硅结构一致性、合格率显著提高，从而引发了高精度传感器领域的变革，也使得我们将挠性加速度计的核心部件——摆片的制作材料从石英转向单晶硅。
本发明的技术方案：加速度计利用精密弹性元件的检测质量敏感加速度信号并转换为角位移，再通过电容差分测量方法检测角位移，从而输出与加速度信号成正比的电信号。该加速度计是由伺服电路和表头组成，其中表头包括了检测质量组件、永磁材料制成的磁钢、镀金膜的下电容极板、上转接极板以及外壳，所述检测质量组件包括单晶硅摆片以及粘接在摆片上的质量块和力矩器线圈，所述力矩器线圈、质量块和所述摆片的外围部分构成摆质量，经过设置于该摆质量上的两个挠性梁，经由设置于所述摆片中间部分的上下凸台，固定连接于所述下电容极板和上转接极板之间。
本发明提出的加速度计的工作原理是：当有加速度信号输入时，检测质量组件敏感加速度发生绕挠性梁的旋转摆动，产生角位移；下电容极板上的镀膜区与单晶硅摆片之间构成电容检测计，当没有加速度信号输入时，检测质量组件处于平衡位置，定极板两侧的镀膜区与单晶硅摆片之间形成的电容相等，不产生差分电流，当检测质量组件敏感到加速度信号发生旋转摆动时，下电容极板两侧的镀膜区与摆片之间形成的电容一侧变大一侧变小，差分产生感应电流；检测质量组件的线圈与使用永磁材料制成的磁钢之间构成永磁力反馈力矩器组件，当检测质量组件偏转时，产生感应电流，电流通过线圈后受磁场影响产生反馈力，将检测质量组件重新拉回平衡位置；伺服电路模块通过转换和放大电流信号，输出电压信号，得到电压信号后即可通过一定的算法求得加速度信号；壳体和伺服电路模块之间通过激光焊接实现加速度计的全密封。
如图1所示，本发明涉及的加速度计由表头1和伺服电路模块2组成，它们之间构成完整的闭环反馈系统，依据牛顿力学定律工作，通过测量载体所受的惯性力来间接测量载体的加速度信号。它们之间通过激光焊接进行密封，保证了表头内部结构的稳定性。
表头是加速度计的主要工作部件，它的结构组成示意图如图2所示，包含了磁钢3、下电容极板4、检测质量组件5、上转接极板11、壳体12。磁钢3是由永磁材料制成，可以稳定地提供均匀的磁场，壳体12是由软磁合金材料制成，具有良好的磁导率，磁钢3和壳体12之间通过胶粘接在一起。下电容极板4是由陶瓷材料制成的圆盘打底，陶瓷材料具有良好的导热率便于加速度计在工作过程中及时散热，陶瓷圆盘上面有两个镀金区，这两个区域构成了差分电容的定区。检测质量组件5是本发明涉及的单晶硅挠性加速度计的核心组件，可以直接敏感加速度信号，它由力矩器线圈6、第一垫块7、单晶硅摆片8、第二垫块10组成。其中单晶硅摆片8由于其材料的半导体属性，构成了差分电容的动区，它和上述的下电容极板4共同组成差动电容计；力矩器线圈6、第一垫块7和第二垫块10与单晶硅摆片外围的动片共同构成了摆质量，它们之间用胶粘接为一体，其中第一垫块7和第二垫块10由高比重合金材料制成，该材料密度大，小的体积即可提供足够的重量，摆质量通过挠性梁9与单晶硅摆片8中间的定片相连，挠性梁9的厚度为微米量级，当有加速度信号输入时，摆质量会绕着挠性梁9旋转摆动；力矩器线圈6为铜丝绕制而成，它与磁钢3构成永磁式力矩器；上转接极板11也是由陶瓷材料制成的圆盘打底，圆盘上有金膜镀成的导带，用来转接信号。定片上设置有上下两个凸台，用于将检测质量组件5固定连接于所述下电容极板4和上转接极板11之间，上转接极板11与第二垫块10之间存在间隙。本发明结构中需要在有些部分作掏空处理，以方便走线，如图2中下电容极板4上的孔、动片圆周上的缺口都是用于走线。
结合图3，本发明涉及的单晶硅挠性加速度计的工作原理是，当加速度计处于静止状态时，单晶硅摆片8的动片距离下电容极板4的两个镀金区的距离相等，差分电容为零，当有加速度信号输入时，检测质量组件5敏感到加速度，发生了绕挠性梁9的摆动，此时单晶硅摆片8两端距离下电容极板4的两个镀金区的距离不再相等，产生了电容差，差动电容计敏感到电容差，产生了一个与电容差成比例的电流，电流经伺服电路模块2滤波、积分、放大等处理后加载在力矩线圈6上，载流力矩线圈在磁钢3产生的磁场作用下产生一个与加速度带来的力矩方向相反的电磁力矩，使得检测质量组件5产生一个与输入加速度方向相同、大小相等的加速度，使检测质量组件5回复到平衡位置(差分电容为0)。此时，利用力反馈原理，在力矩线圈6上获得一个与输入加速度成比例的电流，电流通过伺服电路模块2的解析计算即可获得输入的加速度信号，实现对加速度的测量。

Claims (8)

1.一种单晶硅挠性加速度计，其特征在于，所述单晶硅挠性加速度计包括表头(1)和伺服电路模块(2)，其中：
伺服电路模块(2)设置在表头(1)上；
所述表头1包括：磁钢3、下电容极板4、检测质量组件5、上转接极板11、壳体12；检测质量组件5包括力矩器线圈6、第一垫块7、单晶硅摆片8、挠性梁9、第二垫块10，用于感测载体的直线加速度矢量；
壳体12为空腔结构，具有磁导能力；壳体12内下至上依次放置有磁钢3、下电容极板4、检测质量组件5、上转接极板11；磁钢3的中间设置通孔，磁钢3固定于壳体12内底面，用于稳定地提供均匀的磁场；所述下电容极板4是具有绝缘导热功能的底盘，下电容极板4上表面设置有中心对称的两个镀金区，两个镀金区构成了差分电容的定区；所述力矩器线圈6为圆环形的线圈，所述力矩器线圈6通过第一垫块7设置于所述单晶硅摆片8下；所述力矩器线圈6和所述磁钢3构成了永磁式力矩器；所述单晶硅摆片8包括定片、动片和两个挠性梁9，定片为中间通孔的异形板状结构，动片为设置在定片外围的异形板状结构，动片通过挠性梁9与定片固连，动片能在惯性力的作用下绕挠性梁9旋转摆动，动片构成了差分电容的动区，动片和所述下电容极板4共同组成差动电容计；定片上设置有上凸台和下凸台，上凸台用于与上转接极板11压接，下凸台用于与下电容极板4压接；所述上转接极板11为具有绝缘导热功能的底盘，上转接极板11上有金膜镀成的导带，用来转接差动电容计和永磁式力矩器的电信号。
2.根据权利要求1所述的单晶硅挠性加速度计，其特征在于，单晶硅摆片8为单晶硅材料的摆片，通过MEMS硅微加工技术制作而成。
3.根据权利要求1所述的单晶硅挠性加速度计，其特征在于，挠性梁9的厚度为8～10微米，当有加速度信号输入时，检测质量组件5会绕着挠性梁9旋转摆动。
4.根据权利要求1所述的单晶硅挠性加速度计，其特征在于，磁钢3为由永磁材料制成的。
5.根据权利要求1所述的单晶硅挠性加速度计，其特征在于，力矩器线圈6由铜丝绕制而成，线圈匝数为200匝，铜丝线径为0.04mm。
6.根据权利要求1所述的单晶硅挠性加速度计，其特征在于，壳体12为软磁合金材料制成的。
7.根据权利要求1所述的单晶硅挠性加速度计，其特征在于，下电容极板4的底盘和上转接极板11的底盘均为陶瓷材料制成的。
8.根据权利要求1所述的单晶硅挠性加速度计，其特征在于，第一垫块7和第二垫块10为高比重合金材料垫块。
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