專利名稱：一種硅基差動石英加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微機械電子技術領域，具體涉及一種硅基差動石英加速度傳感器。
背景技術：
高精度數(shù)字導航系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用在飛機、導彈、水下行駛等方面。具有頻率輸出特性的加速度傳感器作為數(shù)字導航系統(tǒng)的重要組成部分，對其高精度、高分辨率的要求越來越嚴格。這類加速度計輸出的是頻率信號，沒有數(shù)模轉換帶來的精度損失。此方面的傳感器主要包括娃微諧振傳感器和石英諧振加速度傳感器?；谖C電系統(tǒng)的娃微諧振傳感器加工工藝復雜，分辨率較低。此類加速度傳感器一般是采用靜電激勵，其激勵結構的設計更增加了工藝的復雜性，而且輸出信號很微弱。采用石英結構的諧振傳感器具有激勵簡單、品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點。目前主要包括兩種，一種是在一整片上加工出石英振動梁、慣性質(zhì)量塊等；另外一種是把石英音叉粘貼在基礎上，音叉的一端與固定端相連，另外一端與慣性質(zhì)量塊相連。第一種結構緊湊，傳感器體積小，但是存在自鎖現(xiàn)象，而且沒有過載保護結構。第二種的基礎一般是采用傳統(tǒng)工藝加工的，材料多為金屬，尺寸穩(wěn)定性不高，傳感器體積大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有諧振加速度傳感器的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種硅基差動石英加速度傳感器，具有體積小，重量輕，數(shù)字信號輸出和分辨率高的優(yōu)點，本發(fā)明采用差動結構設計，能夠有效抑制溫度等共模信號的影響。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種硅基差動石英加速度傳感器，包括相對方向安裝的兩個硅基I和雙端固定石英音叉3，硅基I由撓性硅梁2、質(zhì)量塊4組成，硅基I上的質(zhì)量塊4通過兩個撓性梁2與硅基I相連；雙端固定石英音叉3的一個支座13固定在娃基I的一端，另外一個支座13固定在質(zhì)量塊4上，雙端固定石英音叉4的兩個叉齒15通過固定端14與支座13相連，叉齒15四周覆有電極；硅基I夾在上過載保護板10和下過載保護板12中間，上過載保護板10由通孔7和上盲孔9組成，下過載保護板12有下盲孔8 ;硅基1、雙端固定石英音叉3、上過載保護板10及下過載保護板12組成的結構置于電路板5的孔11中，雙端固定石英音叉3通過金絲6穿過上過載保護板10的通孔7連接到電路板5。所述的兩個娃基I由同一個娃片加工出來。所述的兩個雙端固定石英音叉3由同一個石英晶片加工出來。所述的雙端石英音叉3的兩根叉齒15振動方向相反且在同一平面內(nèi)。本發(fā)明的雙端固定石英音叉3存在逆壓電效應，可以采用電路激勵振動。當有加速度沿測量方向(SA)作用于由撓性硅梁2支撐的質(zhì)量塊4時，質(zhì)量塊4受慣性力作用產(chǎn)生位移，從而雙端固定石英音叉3產(chǎn)生軸向拉(壓)力，導致雙端固定石英音叉3的振動頻率發(fā)生變化。這種變化可以通過激勵電路檢測出來，實現(xiàn)對加速度信號的測量。本發(fā)明采用硅基I支撐雙端固定石英音叉3，硅基I采用微機電系統(tǒng)工藝加工，所采用的兩個硅基I的尺寸一致性很高，因此可以形成差動輸出。該傳感器具有頻率輸出，體積小，敏感度高、過載保護以及品質(zhì)因數(shù)聞等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。圖2為本發(fā)明的敏感結構示意圖。圖3為上過載保護板的示意圖。圖4為雙端固定石英音叉示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明的結構與工作原理詳細說明。參見圖1，一種硅基差動石英加速度傳感器，包括相對方向安裝的兩個硅基I和雙端固定石英音叉3，硅基I由撓性硅梁2、質(zhì)量塊4組成，硅基I上的質(zhì)量塊3通過兩個撓性梁2與硅基I相連，雙端固定石英音叉3的一個支座13固定在硅基I的一端，另外一個支座13固定在質(zhì)量塊4上，雙端固定石英音叉4的兩個叉齒15通過固定端14與支座13相連，叉齒15四周覆有電極，硅基I夾在上過載保護板10和下過載保護板12中間，上過載保護板10由通孔7和上盲孔9組成，上盲孔9對質(zhì)量塊4起過載保護的作用，也給質(zhì)量塊運動提供所需的間隙，下過載保護板12有下盲孔8，下盲孔8在相對于上過載保護板10的相反方向上對質(zhì)量塊4起過載保護的作用，也給質(zhì)量塊運動提供所需的間隙，硅基1、雙端固定石英音叉3、上過載保護板10及下過載保護板12組成的結構置于電路板5的孔11中，雙端固定石英音叉3通過金絲6穿過上過載保護板10的通孔7連接到電路板5。所述的兩個娃基I由同一個娃片加工出來。所述的兩個雙端固定石英音叉3由同一個石英晶片加工出來。所述的雙端石英音叉3的兩根叉齒15振動方向相反且在同一平面內(nèi)。所述的硅基I有上下兩個，相對安裝。施加沿測量方向(SA)的加速度后，固定在不同硅基上的雙端固定石英音叉3其中一個受拉(受壓)，振動頻率降低(升高)，另外一個受壓(受拉)，振動頻率升高(降低)。因此兩根雙端固定石英音叉3形成差動結構，傳感器的輸出信號是兩者頻率之差。當溫度發(fā)生變化時，兩根雙端固定石英音叉3同時受拉或受壓，頻率變化相同，相減之后可以抵消溫度的影響。參見圖2，硅基I上有硅撓性梁2和質(zhì)量塊4，當有加速度施加在傳感器上后，質(zhì)量塊4按照牛頓第二定律產(chǎn)生位移，從而拉(壓)雙端固定石英音叉3。軸向的拉(壓)力改變雙端固定石英音叉的振動頻率，并通過電路測量出來,從而測量加速度。參見圖3，硅基I夾在上過載保護板10和下過載保護板12中間，上過載保護板10由通孔7和上盲孔9組成，上盲孔9對質(zhì)量塊4起過載保護的作用，也給質(zhì)量塊運動提供所需的間隙。參見圖4,雙端固定石英音叉3的一個支座13固定在娃基I的一端,另外一個支座13固定在質(zhì)量塊4上，雙端固定石英音叉4的兩個叉齒15通過固定端14與支座13相連，叉齒15四周覆有電極。本發(fā)明的工作原理是雙端固定石英音叉3存在逆壓電效應，可以采用電路激勵振動。兩個硅基I相對安裝，形成差動結構。當有沿測量方向(SA)的加速度時，雙端固定石英音叉3其中一個受拉(受壓)，振動頻率降低(升高)，另外一個受壓(受拉)，振動頻率升高(降低)。兩根雙端固定石英音叉3形成差動結構，傳感器的輸出信號是兩者頻率之差。當溫度發(fā)生變化時，兩根雙端固定石英音叉3同時受拉或受壓，頻率變化相同，相減之后可以抵消溫度的影響。本發(fā)明采用硅基I支撐雙端固定石英音叉3，硅基I采用微機電系統(tǒng)工藝加工，所采用的兩個硅基I的尺寸一致性很高，因此可以形成差動輸出。上過載保護板10和下過載保護板12防止質(zhì)量塊位移過大對雙端固定石英音叉造成破壞。
權利要求
1.一種硅基差動石英加速度傳感器，其特征在于，包括相對方向安裝的兩個硅基(I)和雙端固定石英音叉(3)，硅基(I)由撓性硅梁(2)和質(zhì)量塊(4)組成，硅基(I)上的質(zhì)量塊(3)通過兩個撓性梁(2)與硅基(I)相連；雙端固定石英音叉(3)的一個支座(13)固定在硅基(I)的一端，另外一個支座(13)固定在質(zhì)量塊(4)上，雙端固定石英音叉(4)的兩個叉齒(15)通過固定端(14)與支座(13)相連，叉齒(15)四周覆有電極；硅基(I)夾在上過載保護板(10)和下過載保護板(12)中間，上過載保護板(10)由通孔(7)和上盲孔(9)組成，下過載保護板(12)有下盲孔(8);硅基(I)、雙端固定石英音叉(3)、上過載保護板(10)及下過載保護板(12)組成的結構置于電路板(5)的孔(11)中，雙端固定石英音叉(3)通過金絲(6)穿過上過載保護板(10)的通孔(7)連接到電路板(5)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種硅基差動石英加速度傳感器，其特征在于，所述的兩個娃基(I)由同一個娃片加工出來。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種硅基差動石英加速度傳感器，其特征在于，所述的兩個雙端固定石英音叉(3)由同一個石英晶片加工出來。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種硅基差動石英加速度傳感器，其特征在于，所述的雙端石英音叉(3)的兩根叉齒(15)振動方向相反且在同一平面內(nèi)。
全文摘要
一種硅基差動石英加速度傳感器，包括相對方向安裝的兩個硅基和雙端固定石英音叉，硅基夾在上過載保護板和下過載保護板中間；硅基、雙端固定石英音叉、上過載保護板及下過載保護板組成的結構置于電路板的孔中，雙端固定石英音叉通過金絲穿過上過載保護板的通孔連接到電路板，雙端固定石英音叉存在逆壓電效應，采用電路激勵振動，當有加速度作用于由撓性硅梁支撐的質(zhì)量塊時，兩根雙端固定石英音叉形成差動結構，傳感器的輸出信號是兩者頻率之差。當溫度發(fā)生變化時，兩根雙端固定石英音叉同時受拉或受壓，頻率變化相同，相減之后可以抵消溫度的影響，具有體積小，重量輕，數(shù)字信號輸出和分辨率高的優(yōu)點。
文檔編號G01P15/097GK103063875SQ201210570248
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權日2012年12月25日
發(fā)明者趙玉龍, 李村, 饒浩 申請人:西安交通大學