CN205562087U - 一体式石英双梁音叉谐振敏感元件及测力模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一体式石英双梁音叉谐振敏感元件及测力模块，其中一体式石英双梁音叉谐振敏感元件包括双梁音叉，双梁音叉包括第一叉指和第二叉指，第一叉指和第二叉指的两端分别连接在施力结构件和底座上；第一叉指和第二叉指表面均涂覆有电极区；第一叉指和第二叉指工作在面内弯曲振动模态，谐振频率对轴向拉应力、压应力敏感；施力结构件、双梁音叉和底座均为一体成型石英结构体。该一体式石英双梁音叉谐振敏感元件能够避免不同材料组装后导致的热膨胀系数不同、热性能不匹配、胶粘剂在温度变化时发生蠕变以及内应力的存在问题，减少了对该谐振元件的精度带来影响。

Description

一体式石英双梁音叉谐振敏感元件及测力模块

技术领域

本实用新型涉及一种传感器检测领域，特别涉及一种一体式石英双梁音叉谐振敏感元件及测力模块。

背景技术

石英双端固定音叉，是一种基于面内弯曲振动模态的力频谐振器，其结构为两个固定端之间连接有两个音叉叉指，构成双梁音叉结构。由于谐振器的两根梁以180度的相位差反向振动，使得在振梁连接处的固定端部分产生的力和力矩相互抵消，以减少振动能量的损失，获得很高的品质因数，不需要特殊的隔振系统，利用石英晶体本身的压电效应，不需要加额外的装置，就可以激励和检测双梁的振动频率。该石英双端固定音叉，具有直接输出数字信号、温度特性稳定、动态范围广、灵敏度高、可以批量生产等优点，广泛应用于加速度传感器和陀螺仪的转换元件中。

当石英双端固定音叉用作为力传感器，作为加速度传感器的转换元件时，其原理是通过质量结构把被测的加速度转化为惯性力施加到振动梁上，引起振梁谐振频率的变化，检测出该频率就可以计算出相应的加速度。在实际应用过程中，容易出现的问题是，在高精度需求的战略导航、地震监测等领域，由于温度漂移会带来的测量误差，石英振梁加速度计的性能还不能达到要求。即现有技术一般是将石英双梁的两个叉指与中间施力传动结构采用粘接的方式连接，如采用胶粘剂或玻璃粉等材料进行粘接，由于粘接后的石英音叉谐振元件各材料之间线膨胀系数不同，因此各材料间的热性能不匹配，胶粘剂在温度变化时发生蠕变和失效，再加上装配结构较为复杂以及结构应力集中等因素，均直接对该石英双梁谐振元件传感器的精度带来显著的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中所存在的现有石英双梁音叉谐振元件的两个叉指与中间施力传动结构采用胶粘剂来粘接连接的方式连接，带来的各材料之间线膨胀系数不同、热性能不匹配、胶粘剂在温度变化时发生蠕变和失效对该谐振元件的精度带来显著影响的上述不足，提供一种一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，同时还提供了一种测力模块。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了以下技术方案：

一种一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，包括双梁音叉，所述双梁音叉包括第一叉指和第二叉指，所述第一叉指和第二叉指的两端分别连接在施力结构件和底座上；所述第一叉指和第二叉指表面均涂覆有电极区；所述第一叉指和第二叉指工作在面内弯曲振动模态，谐振频率对轴向拉应力、压应力敏感；所述施力结构件、双梁音叉和底座均为一体成型石英结构体。

本实用新型所述一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，采用施力结构件、双梁音叉和底座均为微机工艺一体成型，且为石英结构体，双梁音叉的第一叉指和第二叉指对称设置在施力结构件和底座之间，有效解决现有的石英双梁音叉谐振元件因分离元件安装过程无法避免安装精度和结构与材料间的应力问题，能够避免不同材料组装后导致的热膨胀系数不同、热性能不匹配、胶粘剂在温度变化时发生蠕变以及内应力的存在问题，减少了对该谐振元件的精度带来影响。该谐振敏感元件在使用时，只需要通过施力结构件进行力的输入，引起双梁音叉的双梁变形，可通过频率检测电路将双梁音叉的两个叉指串联形成回路将谐振频率分别输出，将外力转换为电信号，从而完成对力的数字化感应与测量；能够有效减小温度变化影响谐振频率输出值，进而影响对力的检测精度和分辨率，能够提高检测的稳定性，该谐振敏感元件具有频率输出、体积小、敏感度高以及品质因数高等优点。

优选地，所述第一叉指和第二叉指相互平行设置在施力结构件上，便于提高检测精度。

优选地，所述第一叉指和第二叉指之间的槽长度短于所述第一叉指和第二叉指长度，以获得该敏感元件的第一叉指和第二叉指满足性能要求的弯曲刚度。

优选地，所述第一叉指和第二叉指的一端通过导电连接线连接，所述第一叉指和第二叉指的另一端分别设置正极接口和负极接口。

在第一叉指一端和第二叉指的一端通过导电连接线连接，并且第一叉指另一端和第二叉指另一端分别连接正极接口和负极接口，第一叉指和第二叉指上均涂覆有电极区，从而第一叉指和第二叉指实现相互串联，在对第一叉指和第二叉指进行谐振频率检测并输出时，只需要通过频率检测电路将正极接口和负极接口连通即可，连接方便可靠，提高了检测效率。

优选地，连接所述第一叉指和第二叉指的导电连接线设于所述施力结构件上。

优选地，所述第一叉指、第二叉指上的所述正极接口和负极接口均设于底座上，且均为金属薄膜材质接口。

优选地，所述第一叉指、第二叉指的四个表面均涂覆有电极区，且每个表面均涂覆的电极区为间隔分布的正电极区和负电极区，每个叉指相对的两个表面相对正电极区和负电极区的位置相对分布，每个叉指相邻的两个表面的正电极区和负电极区交错分布，避免每个叉指的电极区形成短路。

优选地，所述施力结构件上设有便于连接施力杠杆的施力孔，所述底座上设有用于安装的安装孔。通过外部的施力杠杆与施力结构件的施力孔适配，完成力传递到施力结构件上，进而传递给双梁音叉。

本实用新型还提供了一种测力模块，包括载体，所述载体上设有上述的一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，以及与所述一体式石英双梁音叉谐振敏感元件适配的施力杠杆，所述第一叉指、第二叉指之间电连接有电子振荡回路和频率采集模块。

该测力模块，包括用于安装一体式石英双梁音叉谐振敏感元件的载体，载体上设有施力杠杆，同时，载体上设有电连接第一叉指、第二叉指的电子振荡回路和频率采集模块，用于将第一叉指和第二叉指电导通以及输出双梁音叉的谐振频率；该测力模块能够方便的将一体式石英双梁音叉谐振敏感元件安装在载体上，能够通过检测双梁音叉的谐振频率频偏值来完成力的感应与测量，有效减小温度变化影响谐振频率输出值，进而影响对力的检测精度和分辨率，能够提高检测的稳定性，该测力模块结构简单、安装方便，具有频率输出、体积小、敏感度高以及品质因数高的优点。

优选地，所述载体上设有石英板安装槽，所述一体式石英双梁音叉谐振敏感元件通过石英砂与所述石英板安装槽烧结在一起。

通过石英砂将一体式石英双梁音叉谐振敏感元件于载体烧结在一起，能够使一体式石英双梁音叉谐振敏感元件更加稳固的连接在载体上，使整个测力模块的材料热性能更加匹配，避免了通过现有胶粘剂连接而导致的在温度变化时发生蠕变以及内应力的存在问题，能够提高测力模块的检测精度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1、本实用新型所述一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，采用施力结构件、双梁音叉和底座均为微机工艺一体成型，且为石英结构体，双梁音叉的第一叉指和第二叉指对称设置在施力结构件和底座之间，有效解决现有的石英双梁音叉谐振元件因分离元件安装过程无法避免安装精度和结构与材料间的应力问题，能够避免不同材料组装后导致的热膨胀系数不同、热性能不匹配、胶粘剂在温度变化时发生蠕变以及内应力的存在问题，减少了对该谐振元件的精度带来影响；该谐振敏感元件在使用时，只需要通过施力结构件进行力的输入，引起双梁音叉的双梁变形，可通过频率检测电路将双梁音叉的两个叉指串联形成回路将谐振频率分别输出，将外力转换为电信号，从而完成对力的数字化感应与测量；能够有效减小温度变化影响谐振频率输出值，进而影响对力的检测精度和分辨率，能够提高检测的稳定性，该谐振敏感元件具有频率输出、体积小、敏感度高以及品质因数高等优点；

2、本实用新型所述一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，在第一叉指一端和第二叉指的一端通过导电连接线连接，并且第一叉指另一端和第二叉指另一端分别连接正极接口和负极接口，第一叉指和第二叉指上均涂覆有电极区，从而第一叉指和第二叉指实现相互串联，在对第一叉指和第二叉指进行谐振频率检测并输出时，只需要通过频率检测电路将正极接口和负极接口连通即可，连接方便可靠，提高了检测效率；

3、本实用新型所述一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，在施力结构件上设有便于连接施力杠杆的施力孔，通过外部的施力杠杆与施力结构件的施力孔适配，完成力传递到施力结构件上，进而传递给双梁音叉；

4、本实用新型所述一种测力模块，包括用于安装一体式石英双梁音叉谐振敏感元件的载体，载体上设有施力杠杆，同时，载体上设有电连接第一叉指、第二叉指的电子振荡回路和频率采集模块，用于将第一叉指和第二叉指电导通以及输出双梁音叉的谐振频率；该测力模块能够方便的将一体式石英双梁音叉谐振敏感元件安装在载体上，能够通过检测双梁音叉的谐振频率频偏值来完成力的感应与测量，有效减小温度变化影响谐振频率输出值，进而影响对力的检测精度和分辨率，能够提高检测的稳定性，该测力模块结构简单、安装方便，具有频率输出、体积小、敏感度高以及品质因数高的优点。

附图说明：

图1为本实用新型所述一体式石英双梁音叉谐振敏感元件的结构示意图；

图2为图1中双梁音叉工作在面内弯曲振动模态的示意图；

图3为图1中双梁音叉的第一叉指和第二叉指表面电极区分布示意图；

图4为图3的左视图；

图5为图1中施力结构件与施力杠杆适配的示意图；

图6为本实用新型所述一种测力模块的结构示意图。

图中标记：

1、双梁音叉，11、第一叉指，12、第二叉指，2、槽，3、施力结构件，31、施力孔，4、底座，41、安装孔，51、正电极区，52、负电极区，61、连接线，62、正极接口，63、负极接口，7、施力杠杆，8、载体，9、安装槽。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

实施例1

如图1所示，一种一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，包括双梁音叉1，施力结构件3，双梁音叉1包括第一叉指11和第二叉指12，第一叉指11和第二叉指12的两端分别连接在施力结构件3和底座4上；第一叉指11和第二叉指12表面均涂覆有电极区；第一叉指11和第二叉指12工作在面内弯曲振动模态，谐振频率对轴向拉应力、压应力敏感；施力结构件3、双梁音叉1和底座4均为一体成型石英结构体。

如图2所示，该一体式石英双梁音叉谐振敏感元件沿轴向长度方向为Y轴方向，双梁音叉1的宽度方向为X轴方向，为了防止两个叉指的振动模态互相干扰，位于双梁音叉1支架的施力结构件3的尺寸远大于两个叉指(即第一叉指11、第二叉指12)的尺寸。另外，第一叉指11、第二叉指12端部连接在底座4上连接方式，均为采用与石英材料温度系数相匹配的玻璃粉封接，此结构可使该谐振敏感元件材料间的热性能匹配，而且玻璃粉作为胶粘剂不易失效。

上述第一叉指11和第二叉指12相互平行设置在施力结构件3上，能够提高检测精度。另外，第一叉指11和第二叉指12之间的槽2长度短于第一叉指11和第二叉指12长度，以获得该敏感元件的第一叉指11和第二叉指12满足性能要求的弯曲刚度。

如图3、4所示，在第一叉指11一端和第二叉指12的一端通过导电连接线61连接，并且第一叉指11另一端和第二叉指12另一端分别连接正极接口62和负极接口63，第一叉指11和第二叉指12上均涂覆有电极区，从而第一叉指11和第二叉指12实现相互串联，以形成双梁音叉1独立的正负电极，可以采集对应的双梁音叉1的谐振频率信号；如在对第一叉指11和第二叉指12进行谐振频率检测并输出时，只需要通过频率检测电路将正极接口62和负极接口63连通即可，连接方便可靠，提高了检测效率。进一步的，可将连接第一叉指11和第二叉指12的导电连接线61设于施力结构件3上；第一叉指11、第二叉指12上的正极接口62和负极接口63均设于底座4上，且均为金属薄膜材质接口。

另外，为了提高双梁音叉1独立正负电极电连通的可靠性，在第一叉指11、第二叉指12表面均涂覆有电极区，且每个表面均涂覆的电极区为间隔分布的正电极区51和负电极区52，每个叉指相对的两个表面相对正电极区51和负电极区52的位置相对分布，每个叉指相邻的两个表面的正电极区51和负电极区52交错分布，避免每个叉指的电极区形成短路。每个叉指上的正电极区51和负电极区52均为面电极的方式进行溅射镀膜。

如图5所示，该施力结构件3上还设有便于连接施力杠杆7的施力孔31，施力孔31采用端面三角形的通孔结构，施力孔31的三个角采用倒圆弧的设计避免应力集中，两个底座4上设有用于安装的安装孔41。通过外部的施力杠杆7与施力结构件3的施力孔31适配，即外部三棱柱形状的施力杠杆7置放如施力孔31中，三棱柱形状的施力杠杆7的三个侧面与施力孔31的内壁接触，从而完成施力杠杆7与施力结构件3的相互连接，力通过施力杠杆7传递到施力结构件3上，进而传递给双梁音叉1和第二音叉2。

该一体式石英双梁音叉谐振敏感元件的工作原理是，在施力作用下，该一体式石英双梁音叉谐振敏感元件将以一定的频率振动，即当外力通过施力杠杆7作用在施力结构件3上时，施力结构件3的施力孔31的两个侧壁的形变使连接在两端的双梁音叉1的第一叉指11和第二叉指12发生形变，其中双梁音叉1的第一叉指11和第二叉指12被压缩时，对应的双梁音叉1谐振频率增加，当双梁音叉1的第一叉指11和第二叉指12被拉伸时，对应的双梁音叉1谐振频率降低，通过检测双梁音叉1的谐振频率偏移量，达到力测量的目的。

一体式石英双梁音叉谐振敏感元件的双梁音叉1工作在面内弯曲振动模态，其谐振频率对双梁的轴向拉应力、压应力(即拉应力和压应力)敏感。其中，在轴向拉应力的作用下，其双梁音叉1振动频率增加；反之，在轴向压应力的作用下，其双梁音叉1振动频率降低。

本实用新型所述一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，采用施力结构件3、双梁音叉1和底座4均为微机工艺一体成型，且为石英结构体，双梁音叉1的第一叉指11和第二叉指12对称设置在施力结构件3和底座4之间，有效解决现有的石英双梁音叉谐振元件因分离元件安装过程无法避免安装精度和结构与材料间的应力问题，能够避免不同材料组装后导致的热膨胀系数不同、热性能不匹配、胶粘剂在温度变化时发生蠕变以及内应力的存在问题，减少了对该谐振元件的精度带来影响；该谐振敏感元件在使用时，只需要通过施力结构件进行力的输入，引起双梁音叉1的双梁变形，可通过频率检测电路将双梁音叉1的两个叉指串联形成回路将谐振频率分别输出，将外力转换为电信号，从而完成对力的数字化感应与测量；能够有效减小温度变化影响谐振频率输出值，进而影响对力的检测精度和分辨率，能够提高检测的稳定性，该谐振敏感元件具有频率输出、体积小、敏感度高以及品质因数高等优点。

实施例2

如图6所示，本实施例还提供了一种测力模块，包括载体8，其中载体8上设有如实施例1中的一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，以及与该一体式石英双梁音叉谐振敏感元件适配的施力杠杆7，该一体式石英双梁音叉谐振敏感元件包括双梁音叉1，双梁音叉1端部均设有便于安装固定的底座4，其中双梁音叉1包括连接在施力结构件3和底座4之间的第一叉指11和第二叉指12，且第一叉指11、第二叉指12对称分别在施力结构件3和底座4之间；其中第一叉指11、第二叉指12之间电连接有电子振荡回路和频率采集模块。

其中，上述载体8上设有石英板安装槽9，一体式石英双梁音叉谐振敏感元件通过石英砂与石英板安装槽9烧结在一起。通过石英砂将一体式石英双梁音叉谐振敏感元件于载体8烧结在一起，能够使一体式石英双梁音叉谐振敏感元件更加稳固的连接在载体8上，使整个测力模块的材料热性能更加匹配，避免了通过现有胶粘剂连接而导致的在温度变化时发生蠕变以及内应力的存在问题，能够提高测力模块的检测精度。

该测力模块，包括用于安装一体式石英双梁音叉谐振敏感元件的载体8，载体8上设有施力杠杆7，同时，载体8上设有电连接第一叉指11、第二叉指12的电子振荡回路和频率采集模块，用于将第一叉指11和第二叉指12电导通以及输出双梁音叉1的谐振频率；该测力模块能够方便的将一体式石英双梁音叉谐振敏感元件安装在载体上，能够通过检测双梁音叉的谐振频率频偏值来完成力的感应与测量，有效减小温度变化影响谐振频率输出值，进而影响对力的检测精度和分辨率，能够提高检测的稳定性，该测力模块结构简单、安装方便，具有频率输出、体积小、敏感度高以及品质因数高的优点。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，包括双梁音叉(1)，所述双梁音叉(1)包括第一叉指(11)和第二叉指(12)，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的两端分别连接在施力结构件(3)和底座上；所述第一叉指(11)和第二叉指(12)表面均涂覆有电极区；所述第一叉指(11)和第二叉指(12)工作在面内弯曲振动模态，谐振频率对轴向拉应力、压应力敏感；所述施力结构件(3)、双梁音叉(1)和底座(4)均为一体成型石英结构体。

2.根据权利要求1所述的一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)相互平行设置在所述施力结构件(3)上。

3.根据权利要求2所述的一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)之间的槽(2)长度短于所述第一叉指(11)和第二叉指(12)长度。

4.根据权利要求1所述的一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的一端通过导电连接线(61)连接，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的另一端分别设置正极接口(62)和负极接口(63)。

5.根据权利要求4所述的一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，其特征在于，连接所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的导电连接线(61)设于所述施力结构件(3)上。

6.根据权利要求5所述的一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)、第二叉指(12)的所述正极接口(62)和负极接口(63)均设于底座(4)上，且均为金属薄膜材质接口。

7.根据权利要求1所述的一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)、第二叉指(12)的四个表面均涂覆有电极区，且每个表面均涂覆的电极区为间隔分布的正电极区(51)和负电极区(52)，每个叉指相对的两个表面相对正电极区(51)和负电极区(52)的位置相对分布，每个叉指相邻的两个表面的正电极区(51)和负电极区(52)交错分布。

8.根据权利要求1-7任一所述的一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，其特征在于，所述施力结构件(3)上设有便于连接施力杠杆(7)的施力孔(31)，所述底座(4)上设有用于安装的安装孔(41)。

9.一种测力模块，包括载体(8)，其特征在于，所述载体(8)上设有如权利要求1-8任一所述的一体式石英双梁音叉谐振敏感元件，以及与所述一体式石英双梁音叉谐振敏感元件适配的施力杠杆(7)，所述第一叉指(11)、第二叉指(12)之间电连接有电子振荡回路和频率采集模块。

10.根据权利要求9所述的一种测力模块，其特征在于，所述载体(8)上设有石英板安装槽(9)，所述一体式石英双梁音叉谐振敏感元件通过石英砂与所述石英板安装槽(9)烧结在一起。