專利名稱：一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型機械電子系統(tǒng)加速度計量領(lǐng)域，特別涉及一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計。
背景技術(shù)：
侵徹武器在進(jìn)攻地面、巖石、混凝土或是其他目標(biāo)的時候，產(chǎn)生的加速度信號是硬目標(biāo)侵徹引信安全系統(tǒng)解除保險裝置并起爆控制系統(tǒng)的主要參考依據(jù)。在侵徹過程中產(chǎn)生的加速度可以達(dá)到重力加速度的幾萬倍到幾十萬倍，因此要求高g值加速度計能夠準(zhǔn)確地測量該加速度值，此外高g值加速度計還要有良好的過載能力。高g值加速度計有多種信號轉(zhuǎn)換方式，目前最常用的主要有三種電容式、壓電式和電阻式。電容式加速度計的信號處理電路比較復(fù)雜，回零慢，不適合連續(xù)測試。壓電式加·速度計基于壓電效應(yīng)，其敏感元件由壓電材料制成，壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷，信號處理電路復(fù)雜。壓阻式加速度計基于壓阻效應(yīng)，此類型加速度計制作工藝和信號處理簡單，信號強，測量線性好。目前，壓阻式加速度計的硅微結(jié)構(gòu)一般常采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)，懸臂梁式結(jié)構(gòu)的靈敏度高，但橫向靈敏度大，抗過載能力低。國內(nèi)對于高g值加速度計的研究與開發(fā)已取得了一定的成果，但其量程都在5萬g以下，目前還未見到10萬g以上的量程范圍的高g值加速度計的實際應(yīng)用報導(dǎo)?，F(xiàn)有的高g值加速度計存在量程低、靈敏度低、過載能力差、功耗大等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供了一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計，該加速度計量程為IX IO5g,具有量程高、靈敏度高、過載能力強、功耗小的優(yōu)點。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為—種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計，包括封裝外殼I、電路板2及SOI壓阻芯片3，SOI壓阻芯片3配置在電路板2中部的槽內(nèi)，SOI壓阻芯片3與電路板2之間通過第二引線6連接，SOI壓阻芯片3與電路板2用膠黏劑粘接在封裝外殼I上的第一凹槽7底部，電路板2上的第一引線4通過封裝外殼I上的引線孔5引出，封裝的加速度計內(nèi)部采用膠黏劑填充，封裝頂蓋9焊接在封裝外殼I的第二凹槽8中。封裝外殼I的內(nèi)部配置有第一凹槽7和第二凹槽8，第一凹槽7和第二凹槽8為同心圓孔，第一凹槽7的直徑小于第二凹槽8的直徑，形成階梯孔，封裝頂蓋9的直徑小于第二凹槽8的直徑，而大于第一凹槽7的直徑，沿著封裝外殼I的長度方向，在第二凹槽8的兩側(cè)各配置一個通孔10，封裝外殼I上的側(cè)面配置有引線孔5，引線孔5和第一凹槽7連通。電路板2上配置有第一焊盤11和第二焊盤12，第一焊盤11和第一引線4連接，第一焊盤11和第二焊盤12連接，第二焊盤12和第二引線6的一端連接，第二引線6的另一端和SOI壓阻芯片3連接。SOI壓阻芯片3采用梁膜結(jié)構(gòu)，由十字梁13、膜14和頂端的結(jié)構(gòu)框架15固連，梁膜結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變值< 500 μ ε，四個相同的壓敏電阻16、17、18、19分別制作在十字梁13的四個端部，并構(gòu)成惠斯通電橋。本具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計采用全金屬管殼封裝。由于本發(fā)明采用全金屬管殼封裝，以及SOI壓阻芯片3采用梁膜結(jié)合的結(jié)構(gòu)，解決了傳感器在過載方面的問題，故該加速度計的量程為IXio5g，具有量程高、靈敏度高、過載能力強、功耗小的優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明電路板2的PCB版圖。圖3為本發(fā)明SOI壓阻芯片3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明SOI壓阻芯片3的壓敏電阻分布示意圖。圖5為本發(fā)明SOI壓阻芯片3的截面示意圖。圖6為本發(fā)明的惠斯通電橋的原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參見圖1，一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計，包括封裝外殼I、電路板2及SOI壓阻芯片3，SOI壓阻芯片3配置在電路板2中部的槽內(nèi)，SOI壓阻芯片3與電路板2之間通過第二引線6連接，SOI壓阻芯片3與電路板2用膠黏劑粘接在封裝外殼I上的第一凹槽7底部，電路板2上的第一引線4通過封裝外殼I上的引線孔5引出，封裝的加速度計內(nèi)部采用膠黏劑填充，封裝頂蓋9焊接在封裝外殼I上的第二凹槽8內(nèi)。參見圖1，封裝外殼I的內(nèi)部配置有第一凹槽7和第二凹槽8，第一凹槽7和第二凹槽8為同心圓孔，第一凹槽7的直徑小于第二凹槽8的直徑，形成階梯孔，第一凹槽7用來放置電路板2和SOI壓阻芯片3，封裝頂蓋9與第二凹槽8相配置，封裝頂蓋9的直徑小于第二凹槽8的直徑，而大于第一凹槽7的直徑，沿著封裝外殼I的長度方向，在第二凹槽8的兩側(cè)各配置一個通孔10，用來固定該高g值加速度計，封裝外殼I上的側(cè)面配置有引線孔5，引線孔5和第一凹槽7連通，以保證將電路板2和SOI壓阻芯片3粘接在凹槽7底部時，第一引線4能夠順利地從引線孔5中引出，從而使得后續(xù)測試電路能夠順利連接。參見圖I及圖2，電路板2上配置有第一焊盤11和第二焊盤12，第一焊盤11和第一引線4連接，第一焊盤11和第二焊盤12連接，第二焊盤12和第二引線6的一端連接，第二引線6的另一端和SOI壓阻芯片3連接，第二引線6用來將SOI壓阻芯片3中的壓敏電阻轉(zhuǎn)接到電路板2上，第一引線4用于連接外部后續(xù)測試電路。參見圖3、圖4、圖5及圖6，SOI壓阻芯片3采用梁膜結(jié)構(gòu)，由十字梁13、膜14和頂端的結(jié)構(gòu)框架15固連，通過進(jìn)行有限元仿真模擬，當(dāng)施加10萬g的加速度時，梁膜結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變值< 500μ ε，如此可以保證加速度計的輸出具有良好的線性，四個相同的壓敏電阻16、17、18、19分別制作在在十字梁13的四個端部，并構(gòu)成惠斯通電橋，由四臂電阻構(gòu)成的惠斯通電橋既能靈敏地反映應(yīng)力所導(dǎo)致的電阻變化，又能有效地消除擴散電阻本身的不均勻性及電阻溫度系數(shù)的影響，因此可以有效地將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號。本具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計采用全金屬管殼封裝，以此來提高傳感器的抗高過載能力。本發(fā)明的工作原理是基于牛頓第二定律F=ma，當(dāng)加速度作用在梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)上時，十字梁13和膜14會發(fā)生變形，根據(jù)壓阻效應(yīng)，十字梁13和膜14的變形會導(dǎo)致壓敏電阻16、17、18、19的阻值發(fā)生改變，通過惠斯通電橋，橋臂阻值的變化會以電壓的形式輸出，從而完成了從加速度到電信號的轉(zhuǎn)變。通過改變十字梁13的長度、厚度及膜14的厚度，就可以設(shè)計不同量程范圍的加速 度計。通過有限元仿真模擬，在十字梁13的四端應(yīng)力分布的線性度很好，而且在IX IO5g加速度作用下，十字梁13上最大的應(yīng)力能達(dá)到硅應(yīng)變極限的1/5左右，即500 μ ε左右，故將加速度計的壓敏電阻16、17、18、19布置在十字梁13的四個端部，既可以提高高g值加速度計的靈敏度，又可以保證該加速度計在高沖擊下的安全性。綜上所述，本發(fā)明加速度計的量程為IXlO5g,具有量程高、靈敏度高、過載能力強及功耗小的優(yōu)點，能夠滿足武器彈藥系統(tǒng)在高過載侵徹過程中高g值加速度的測量需要。
權(quán)利要求
1.一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計，包括封裝外殼(I)、電路板(2)及SOI壓 >阻芯片(3 )，其特征在于S0I壓阻芯片(3 )配置在電路板(2 )中部的槽內(nèi)，SOI壓阻芯片(3 )與電路板(2)之間通過第二引線(6)連接，SOI壓阻芯片(3)與電路板(2)用膠黏劑粘接在封裝外殼(I)上的第一凹槽(7)底部，電路板(2)上的第一引線(4)通過封裝外殼(I)上的引線孔(5 )引出，封裝的加速度計內(nèi)部采用膠黏劑填充，封裝頂蓋(9 )焊接在封裝外殼(I)的第二凹槽(8)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計，其特征在于封裝外殼(I)的內(nèi)部配置有第一凹槽(7)和第二凹槽(8)，第一凹槽(7)和第二凹槽(8)為同心圓孔，形成階梯孔，第一凹槽(7)的直徑小于第二凹槽(8)的直徑，封裝頂蓋(9)的直徑小于第二凹槽(8)的直徑，而大于第一凹槽(7)的直徑，沿著封裝外殼(I)的長度方向，在第二凹槽(8)的兩側(cè)各配置一個通孔(10)，封裝外殼(I)上的側(cè)面配置有引線孔(5)，引線孔(5)和第一凹槽(7)連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計，其特征在于電路板(2)上配置有第一焊盤(11)和第二焊盤(12)，第一焊盤(11)和第一引線(4)連接，第一焊盤(11)和第二焊盤(12)連接，第二焊盤(12)和第二引線(6)的一端連接，第二引線(6)的另一端和SOI壓阻芯片(3)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計，其特征在于S0I壓阻芯片(3)采用梁膜結(jié)構(gòu)，由十字梁(13)、膜(14)和頂端的結(jié)構(gòu)框架(15)固連，梁膜結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變值< 500 μ ε，四個相同的壓敏電阻(16)、(17)、(18)、(19)分別制作在十字梁(13)的四個端部，并構(gòu)成惠斯通電橋。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計，其特征在于本具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計采用全金屬管殼封裝。
全文摘要
一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計，包括封裝外殼、電路板及SOI壓阻芯片，SOI壓阻芯片與電路板用膠黏劑粘接在封裝外殼凹槽底部，SOI壓阻芯片與電路板之間通過引線相連，加速度計內(nèi)部采用膠黏劑填充，加速度計采用全金屬管殼封裝，當(dāng)加速度作用在梁膜結(jié)合的結(jié)構(gòu)上時，SOI壓阻芯片的十字梁與膜會產(chǎn)生變形，該變形導(dǎo)致壓敏電阻阻值改變，通過惠斯通電橋，橋臂電阻阻值的改變會以電壓的形式輸出，從而完成從加速度到電信號的轉(zhuǎn)變，該加速度計的量程為1×105g，解決了武器在侵徹混凝土、鋼甲目標(biāo)時高g值加速度測量問題，具有量程高、靈敏度高、過載能力強及功耗小的優(yōu)點，能夠滿足武器彈藥系統(tǒng)高過載侵徹過程中高g值加速度的測量需要。
文檔編號G01P15/00GK102928620SQ20121038082
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月9日
發(fā)明者趙玉龍, 李曉博 申請人:西安交通大學(xué)