專利名稱：一種六軸加速度傳感器的敏感元件的布局結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加速度傳感器，特別是一種可用于獲取六自由度加速度的六軸加速度傳感器的敏感元件的布局結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)認(rèn)識(shí)客觀世界的要求不斷提高和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)物理環(huán)境中的多維特征進(jìn)行探測(cè)越來越重要。多維加速度特征探測(cè)技術(shù)的發(fā)展將不僅有助于機(jī)器人技術(shù)、航空航天技術(shù)、武器技術(shù)的發(fā)展，而且該技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)控制、車輛工程、地震預(yù)報(bào)等領(lǐng)域中也具有廣泛的應(yīng)用前景。加速度傳感器作為慣性器件的一種，是一種重要的力學(xué)量傳感器。在工業(yè)自動(dòng)控制、車輛工程、機(jī)器人、地震預(yù)報(bào)、軍事和航空航天等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)加速度傳感器的理論與技術(shù)已日臻完善，不過基本上以實(shí)現(xiàn)單軸(一維)測(cè)量為主。近年來，由于微型機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，MEMS)技術(shù)的興起及硅微機(jī)械加工技術(shù)的出現(xiàn)，催生了硅微機(jī)械加速度傳感器。由于硅微機(jī)械加工技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使得加速度傳感從一維過渡到多維(目前僅限于二維和三維)。盡管硅微機(jī)械加速度傳感器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但在測(cè)量的精度和分辨率方面仍然無法與傳統(tǒng)的加速度傳感器媲美。同時(shí)，硅微機(jī)械加速度傳感器的研究與開發(fā)僅限于三維以下的多維加速度傳感器。
由于大多數(shù)的加速度計(jì)只能檢測(cè)一個(gè)或兩個(gè)軸向的加速度，而在很多應(yīng)用中需要檢測(cè)加速度矢量，因此多維加速度傳感理論與技術(shù)是近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)，已從一維加速度傳感發(fā)展到多維加速度傳感(僅限于二維和三維)，在很大程度上得益于硅微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)多維加速度傳感的方法主要有三大類第一類多軸加速度計(jì)是將多個(gè)單軸加速度計(jì)組裝在一起構(gòu)成(傳統(tǒng)方法)，這種方法降低了加速度計(jì)的機(jī)械精度和微小化程度。
第二類多維加速度傳感器是基于電容式、壓電式、壓阻式和諧振式的原理開發(fā)的硅微機(jī)械加速度傳感器。Tabata和Yamamoto提出并研究了一種基于諧振子剛度變化引起頻率變化的二軸諧振加速度計(jì)的原理。Kunz等人開發(fā)了共用同一慣性質(zhì)量的三軸壓電式加速度計(jì)，采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝在SOI硅片上集成高靈敏度的壓電薄膜探測(cè)器構(gòu)成。Takao等人基于上述結(jié)構(gòu)開發(fā)了壓阻式三軸加速度計(jì)，目的在于提高使用的溫度范圍。Matsumoto等人采用硅直接鍵和SOI硅片開發(fā)出三個(gè)慣性質(zhì)量共用同一襯底的三軸電容式加速度計(jì)，Qu等人利用UV-LIGA技術(shù)開發(fā)了三個(gè)慣性質(zhì)量共用同一襯底的三軸電容式差分加速度計(jì)，曹新平等人利用硅/玻璃陽極鍵合工藝同深反應(yīng)離子刻蝕工藝相結(jié)合的方法加工出三個(gè)慣性質(zhì)量共用同一襯底的三軸電容式差分加速度計(jì)。上述文獻(xiàn)中研究的三種三軸電容式硅微加速度傳感器，除了工藝方法不同之外，原理并無區(qū)別。由于結(jié)構(gòu)和原理方面的限制，從目前硅微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，要想在近期開發(fā)三軸以上的硅微加速度傳感器似乎不太現(xiàn)實(shí)。
第三類多維加速度傳感器采用靜電懸浮的原理實(shí)現(xiàn)加速度傳感。Josselin等人在采用靜電懸浮的原理實(shí)現(xiàn)加速度傳感方面做了較具有開拓性的工作，唐富榮與薛大同也采用靜電懸浮原理分別設(shè)計(jì)了三軸與六軸加速度傳感器。但對(duì)實(shí)現(xiàn)六軸加速度傳感問題，目前的文獻(xiàn)中只是提到具有可行性，并未給出理論分析結(jié)論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。靜電懸浮式加速度傳感器也是通過測(cè)量電容的變化來測(cè)量加速度的，盡管有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是容易發(fā)生高壓擊穿，不能承受較大的加速度輸入，因此測(cè)量的量程小，頻帶窄，只適用于特殊環(huán)境中的加速度測(cè)量(如空間微重力環(huán)境等)。
綜上所述，目前僅限于三維及其以下的多維加速度傳感器的原理研究與開發(fā)，主要原因可能在于受到多維加速度傳感的原理及結(jié)構(gòu)方面的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于立方體結(jié)構(gòu)，采用六個(gè)單軸加速度傳感器作為敏感元件的六軸加速度傳感器的布局結(jié)構(gòu)，以獲取六自由度加速度傳感信息，包括三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加速度和與之相應(yīng)的三個(gè)角加速度。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明中所述六軸加速度傳感器的敏感元件的布局結(jié)構(gòu)由基座和敏感元件構(gòu)成。所述基座基于立方體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過平行削去立方體對(duì)角的兩個(gè)角，并加工出敏感元件的安裝平面獲得，其中一個(gè)切削平面作為六軸加速度傳感器的安裝平面；敏感元件為六個(gè)特性相同的單軸加速度傳感器，安裝于基座上，其安裝軸線分別平行于基座所對(duì)應(yīng)的立方體的六條棱邊，且該六條棱邊滿足以下特征，依次首尾相連，并任意三條棱邊不在同一平面上。
本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明結(jié)構(gòu)采用六個(gè)單軸加速度傳感器通過一種特殊的基座集成，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可獲取包括三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加速度和與之相應(yīng)的角加速度在內(nèi)的六維加速度信息。
2.當(dāng)采用六個(gè)特性相同(包括靈敏度、分辨率、頻率響應(yīng)范圍、重量等)的單軸加速度傳感器時(shí)，會(huì)使得獲取六維加速度的數(shù)據(jù)處理簡單。
3.采用了立方體結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)結(jié)果處理簡單。


圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)分別為本發(fā)明中基座主體的基本形式的結(jié)構(gòu)示意圖、俯視圖、截面圖。
圖2(a)、圖2(b)分別為本發(fā)明中變形的基座主體的基本形式的結(jié)構(gòu)示意圖、透視圖。
圖3為本發(fā)明中整體式基座的六軸加速度傳感器上六個(gè)單軸加速度傳感器的布局結(jié)構(gòu)圖。
圖4為本發(fā)明中整體式基座的外形結(jié)構(gòu)圖。
圖5(a)、圖5(b)分別為本發(fā)明中分體式基座的六軸加速度傳感器的俯視圖和實(shí)體圖。
圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別為本發(fā)明中分體式基座的六軸加速度傳感器的基座沿垂直三個(gè)側(cè)支撐側(cè)面的視圖。
圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)分別為本發(fā)明中分體式基座的中心支撐的三種側(cè)面視圖和俯視圖。
圖8(a)、圖8(b)分別為本發(fā)明中分體式基座的中心支撐的仰視圖和主視圖。
圖9(a)、圖9(b)為本發(fā)明中分體式基座的側(cè)支撐的正視圖和側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例和附圖具體說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)由圖1可知，六軸加速度傳感器的基座是在一個(gè)立方體的基礎(chǔ)上經(jīng)過結(jié)構(gòu)改變而獲得，圖1所示的結(jié)構(gòu)是基座主體的一種最基本的結(jié)構(gòu)形式，即整體式基座的主體部分。如圖1(a)所示，沿立方體ABCDEFGH(其棱邊長度為L)的三個(gè)頂點(diǎn)ACE構(gòu)成的平面削去錐角H-ACE，沿立方體ABCDEFGH的三個(gè)頂點(diǎn)BDF構(gòu)成的平面削去錐角G-BDF，即可得到整體式基座主體。整體式基座主體為六條首尾相連、任意三條棱邊不在同一平面上的棱邊L1-L6連接平面三角形ACE與BDF構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，以切削平面BDF為基座的安裝平面(即六軸加速度傳感器的安裝平面)，如圖1(b)所示。圖1(c)為該結(jié)構(gòu)的一種截面圖，基座的高度Z(即面ACE到面BDF的距離)可由下式給出
Z=33L---(1)]]>以圖1所示的基座主體構(gòu)成六軸加速度傳感器時(shí)，六個(gè)單軸加速度傳感器的軸線必須分別與六條棱邊L1-L6平行，而且最好指向同一個(gè)三角形平面ACE或BDF。
基座主體也可以有多種變形，如分別沿與三角形平面ACE或BDF平行的任意平面削去兩個(gè)對(duì)角，獲得變形的基座主體結(jié)構(gòu)，如圖2(a)和圖2(b)所示為一種分體式的基座主體。此時(shí)截取的平面為平面六邊形IJKLMN和三角形OPQ。截取立方體的兩個(gè)平行平面的位置由所選用的單軸加速度傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸確定。
圖3所示為整體式基座的六軸加速度傳感器上六個(gè)單軸加速度傳感器的布局結(jié)構(gòu)，圖中1、4、6、7、9和12是六個(gè)單軸加速度傳感器，它們通過連接螺釘(對(duì)于具有連接螺孔的單軸加速度傳感器)安裝在整體式基座5側(cè)面的安裝平面上，或者采用專用粘接劑(對(duì)于不具有連接螺孔而采用粘接劑連接的單軸加速度傳感器)與安裝平面連接，如圖4所示，13為用于連接單軸加速度傳感器的連接螺孔?；?由圖1所述整體式基座主體加工出六個(gè)單軸加速度傳感器的安裝平面得到。六個(gè)單軸加速度傳感器1、4、6、7、9和12的軸線分別與獲得基座5的原立方體的六條棱平行，這六條棱邊滿足以下特征依次首尾相連，并任意三條棱邊不在一平面上。且六個(gè)單軸加速度傳感器的安裝軸線依次相互垂直，單軸加速度傳感器位于其安裝軸線與相鄰加速度傳感器安裝軸線的兩個(gè)交點(diǎn)之間(如圖4中點(diǎn)A和B之間)，六個(gè)交點(diǎn)(點(diǎn)A、B、C、D、E和F)依次相連而成的環(huán)線(如圖4中點(diǎn)劃線)中各線段長度相同，且環(huán)線的幾何中心與基座的質(zhì)心相同，六軸加速度傳感器的安裝平面與任意互不相鄰的三交點(diǎn)(如圖4中點(diǎn)A、C和E)所構(gòu)成平面平行?；?的安裝平面上(即原立方體切削對(duì)角后其中一個(gè)切削平面)加工有標(biāo)準(zhǔn)的連接螺孔與被測(cè)對(duì)象連接。8為單軸加速度傳感器的安裝平面(每一個(gè)單軸加速度傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)安裝表面)，而且安裝平面與單軸加速度傳感器的軸線垂直。基座5的上表面11的中心加工有沉孔10以減輕六軸加速度傳感器的重量。
圖5(a)和圖5(b)所示為另一種六軸加速度傳感器的實(shí)施例，其基座為分體結(jié)構(gòu)，由中心支撐和側(cè)支撐構(gòu)成，其目的是為了結(jié)構(gòu)加工簡單和減輕傳感器質(zhì)量。其中中心支撐是圖1所示的基座主體結(jié)構(gòu)的另一種變形，如圖2(b)所示。由圖2(a)可知，分體式基座的中心支撐是分別沿著與平面三角形ACE(BDF)平行且靠近一個(gè)頂角的兩個(gè)平面削角獲得，因此所得的上平面27(如圖7)為六邊形，下平面21(如圖6、7)仍然為等邊三角形。
圖6和圖7中，在中心支撐18的互相成直角的三個(gè)面23、25、26上均加工有連接螺孔24和銷釘孔22，用于安裝三個(gè)側(cè)支撐15、17、21，中心支撐18與側(cè)支撐15、17、21之間通過內(nèi)六角螺釘16連接，并通過定位銷釘限位。在中心支撐下的三角形平面21的中心加工有安裝螺孔19，用于安裝六軸加速度傳感器于被測(cè)對(duì)象上，在其上的六角形平面27的中心加工有沉孔28及安裝螺孔29，沉孔28用于減輕傳感器的整體質(zhì)量，安裝螺孔29用于安裝校準(zhǔn)傳感器?；?8的面23、25、26為側(cè)支撐15、17、21的安裝基面，下三角形平面21為六軸加速度傳感器于被測(cè)對(duì)象上的安裝基面，加工時(shí)具有平面度及表面粗糙度要求，且安裝基面23、25、26之間有相互的垂直度要求。上六角形平面27為非工作基面，加工時(shí)無特殊要求。
圖7和圖8(a)和8(b)為中心支撐18的具體結(jié)構(gòu)。在圖8(a)和8(b)中未畫出連接螺孔與銷釘孔。30為削去的錐頂，中心支撐18的的高度可由下式給出H＝h3-(h1-h2) (2)式中h1為削下的立方體的頂角H-OPQ的投影高度，h2為削下的立方體的頂角的投影高度，h3為沿ACE削下的立方體的頂角H-ACE的投影高度，分別由下式給出h1=33ρ1L---(3)]]>式中的ρ1為削去的錐頂30的棱邊長度與立方體的棱邊長度的比例系數(shù)。
h2=33ρ2L---(4)]]>式中ρ2為削去的錐臺(tái)的棱邊長度與立方體的棱邊長度的比例系數(shù)。
h3=33L---(5)]]>立方體棱邊L的投影長度由下式給出M=306L---(6)]]>削去的立方體的錐頂30的棱邊的投影長度由下式給出
M1=306ρ1L---(7)]]>圖9為分體式基座的側(cè)支撐，其上加工有連接螺孔33和銷釘孔34，用于連接側(cè)支撐與基座。35為工藝過孔。在傳感器安裝面32和36上加工有連接螺孔31，用于連接單軸加速度傳感器。值得注意的是連接螺孔31在傳感器安裝面32和36上不是處于對(duì)稱位置，主要是為了減輕質(zhì)量。圖9中尺寸Rmax決定了可以安裝的單軸加速度傳感器的最大半徑。即可以安裝的單軸加速度傳感器的最大半徑小于Rmax。單軸加速度傳感器的安裝面32和36有平面度和表面粗糙度要求，且安裝面32和36之間有相互垂直度要求。側(cè)支撐上的面38為非工作面，加工時(shí)無特殊要求，側(cè)支撐上的面37為中心支撐18上的安裝基面，有平面度和表面粗糙度要求。
權(quán)利要求
1.一種六軸加速度傳感器的敏感元件的布局結(jié)構(gòu)，由基座和敏感元件構(gòu)成，其特征在于所述基座主體由立方體通過平行削去對(duì)角的兩個(gè)角而獲得，其中一個(gè)切削平面作為六軸加速度傳感器的安裝平面；敏感元件為六個(gè)特性相同的單軸加速度傳感器，安裝于基座上，其安裝軸線分別平行于基座所對(duì)應(yīng)的立方體的六條棱邊，且該六條棱邊滿足以下特征依次首尾相連，并任意三條棱邊不在同一平面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六軸加速度傳感器的敏感元件布局結(jié)構(gòu)，其特征在于六個(gè)敏感元件的安裝軸線依次相互垂直，敏感元件位于其安裝軸線與相鄰敏感元件安裝軸線的兩個(gè)交點(diǎn)之間，六個(gè)交點(diǎn)依次相連而成環(huán)線中各線段長度相同，且連線的幾何中心與基座的質(zhì)心相同，六軸加速度傳感器的安裝平面與任意互不相鄰的三交點(diǎn)所構(gòu)成平面平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的六軸加速度傳感器的敏感元件布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述各敏感元件的重心距六軸加速度傳感器的安裝平面的高度一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的六軸加速度傳感器的敏感元件布局結(jié)構(gòu)，其特征在于基座為整體式或分體式；整體式基座由立方體通過平行削去對(duì)角的兩個(gè)角而獲得，外周加工有六個(gè)單軸加速度傳感器的支撐安裝面，直接安裝六個(gè)單軸加速度傳感器；分體式基座由中心支撐和側(cè)支撐組成，中心支撐為基座主體，由一個(gè)立方體通過平行削去對(duì)角的兩個(gè)角而獲得，側(cè)支撐為三個(gè)多面體，固定在中心支撐的外周，用于安裝六個(gè)單軸加速度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種六軸加速度傳感器的敏感元件的布局結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括有基座和敏感元件構(gòu)成，所述基座主體由立方體通過平行削去對(duì)角的兩個(gè)角而獲得，其中一個(gè)切削平面作為六軸加速度傳感器的安裝平面；敏感元件為六個(gè)特性相同的單軸加速度傳感器，安裝于基座上，其安裝軸線分別平行于基座所對(duì)應(yīng)的立方體的六條棱邊，且該六條棱邊滿足以下特征依次首尾相連，并任意三條棱邊不在同一平面上?；梢允钦w式或分體式。本發(fā)明通過采用六個(gè)單軸加速度傳感器通過一種特殊的基座集成，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可獲取包括三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加速度和與之相應(yīng)的角加速度在內(nèi)的六維加速度信息，由于采用的是六個(gè)特性相同(包括靈敏度、分辨率、頻率響應(yīng)范圍、重量等)的單軸加速度傳感器時(shí)，使得獲取六維加速度的數(shù)據(jù)處理簡單。
文檔編號(hào)G01P15/18GK1908674SQ200610095028
公開日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月13日
發(fā)明者王代華, 侯向紅, 袁剛 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)