閉環控制式加速度計制造技術

本發明專利技術公開了一種閉環控制式加速度計，包括石英振梁加速度敏感元件和致動器；所述石英振梁加速度敏感元件的質量塊與致動器之間相對表面上設置有致動電極對，所述致動電極對，用于通過調整施加在致動電極對之間的電壓來改變質量塊的位置。致動器包括夾持梁，板狀塊，及連接夾持梁和板狀塊的支撐梁，被覆于板狀塊上產生致動作用力的致動電極。有加速度輸入時，質量塊偏離平衡位置，并引起振梁振動頻率發生變化，通過檢測該變化并調整相應致動電極對之間的電壓，使得質量塊重新回到平衡位置，實現了加速度計的閉環控制，在保持加速度計檢測精度的同時提高了量程和線性度。克服為了提高石英振梁加速度計靈敏度而導致線性度和量程降低的缺點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及諧振頻率識別和可閉環控制的加速度檢測領域，特別涉及一種閉環控 制式加速度計。
技術介紹
隨著導航算法及導航計算機的日趨成熟，導航和制導等慣導系統的精度越來越受 到加速度計和陀螺儀性能的制約。石英振梁加速度計是目前較為常用的一種高精度加速度 計，利用振梁受到軸向應力時諧振頻率發生變化來檢測輸入的加速度。目前石英振梁加速度計有雙振梁和單振梁兩種結構，代表公司分別為美國的 Honeywell和法國的Onera。Honeywell公司采用雙振梁結構,且振梁和質量塊等其它輔助 結構分開制作，然后通過粘接等方式組裝到一起。該種結構量程范圍寬，但是制作工藝繁 瑣、成本高且成品率較難保證，不適合大批量生產。法國Onera創新性地將石英振梁加速度 計的所有結構制作于單一結構上，且可通過MEMS工藝一體化制作，體積小、成本低且裝配 簡單，綜合精度已達100 ug，單個芯片的直徑為6 mm，產品已實現批量化生產并在載體導 航、制導及工業控制領域大量應用。然而，法國Onera的石英振梁加速度計由于采用撓曲型結構，為了獲得較高的靈 敏度，傳感器只能在較小的量程內保持優良的線性，量程和靈敏度成了相互制約的性能參 數。在現有的石英振梁加速度計結構中，往往通過增加質量塊的質量或者降低振梁和撓性 橋的彎曲剛度來提高其靈敏度，造成了傳感器線性度和量程的降低；而為了獲得較大的量 程，則需通過降低質量塊的質量或者提高振梁和撓性梁的彎曲剛度來實現，客觀上是犧牲 了靈敏度性能。為消除以上的不良情況，法國Onera在現有振梁結構的基礎上，提出了中間窄兩 端寬的新型振梁結構，在小幅提高靈敏度的同時而未改變撓性梁的彎曲剛度，但是這種新 型結構對靈敏度的提升非常有限，且對器件的制作工藝提出了更高的要求，使得器件的制 作難度進一步加大，有可能會導致器件的成品率降低。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術所要解決的技術問題是提供一種閉環控制式加速度計，能克服 為了提高石英振梁加速度計靈敏度而導致線性度和量程降低的缺點。本專利技術的目的是這樣實現的本專利技術提供的閉環控制式加速度計，包括石英振梁加速度敏感元件和致動器；所述石 英振梁加速度敏感元件的質量塊與致動器之間相對表面上設置有致動電極對，所述致動電 極對，用于通過調整施加在致動電極對之間的電壓來改變質量塊的位置。進一步，所述致動器包括上致動器和下致動器；與所述石英振梁加速度敏感元件 的質量塊上表面相對的上致動器的表面上設置有上致動電極；與所述上致動器的上致動電 極相對應的石英振梁加速度敏感元件的質量塊表面上設置有第一致動電極；與所述石英振梁加速度敏感元件的質量塊下表面相對的下致動器的表面上設置有下致動電極；與所述下 致動器的下致動電極相對應的石英振梁加速度敏感元件的質量塊表面上設置有第二致動 電極。進一步，所述上致動器和下致動器分別通過設置于外緣的夾持梁與石英振梁加速 度敏感元件外緣的固定框接合。進一步，所述石英振梁加速度敏感元件還包括振梁、振梁激勵電極、C形連接塊、第 一撓性橋、第二撓性橋、隔離框、第一連接梁、第二連接梁和致動電極引腳；所述振梁雙端固 接于質量塊和C形連接塊；所述振梁激勵電極與振梁連接，用于激勵振梁使之起振；所述C 形連接塊用于支撐質量塊；所述質量塊一側通過第一撓性橋與C形連接塊的一側連接；所 述質量塊另一側通過第二撓性橋與C形連接塊的另一側連接；所述第一連接梁連接C形連 接塊和隔離框，所述第二連接梁連接隔離框和固定框；所述致動電極引腳與第一致動電極 電連通；所述振梁激勵電極設置有第一振梁激勵電極引腳和第二振梁激勵電極引腳。進一步，所述上下致動器還包括支撐梁和板狀塊；所述支撐梁連接在夾持梁和板 狀塊之間用于實現對板狀塊的重量支撐，所述板狀塊與石英振梁加速度敏感元件的質量塊 相對放置；所述第一致動電極和第二致動電極被覆于板狀塊上用于產生致動作用力。進一步，所述第一致動電極和第二致動電極為直接鍍于板狀塊內側表面的金屬膜 致動電極；所述固定框與上下致動器的夾持梁之間通過直接鍵合或粘接劑粘接固接。進一步，所述上下致動器為平板狀。進一步，所述夾持梁、支撐梁和板狀塊為一體式結構，其上被覆的第一致動電極和 第二致動電極覆蓋整個板狀塊表面。進一步，所述第一致動電極、第二致動電極和振梁激勵電極材料為銅、金或鋁導電 材料，所述金屬膜為鉻、鈦或鈦鎢合金。進一步，所述上下致動器表面被覆的上致動電極、下致動電極與質量塊上被覆的 第一致動電極、第二致動電極的形狀相同。本專利技術的優點在于本專利技術將石英振梁加速度敏感元件和一對致動器呈夾層狀粘 合在一起形成閉環控制式加速度計，克服為了提高石英振梁加速度計靈敏度而導致線性度 和量程降低的缺點；該致動器中的致動電極之間通過施加電壓產生靜電致動力，當有加速 度輸入時，質量塊偏離平衡位置并產生慣性力矩，引起撓性橋撓曲變形和振梁的拉-伸應 變及振梁振動頻率發生變化，通過外部電路檢測振梁頻率變化量并改變施加在致動電極上 的電壓產生靜電致動力，使得質量塊重新回到平衡位置，實現加速度計的閉環控制；由此可 知，本專利技術的有益效果具體表現在以下方面其一，加速度計為閉環控制，輸入加速度的大小與施加的靜電力成正比，輸入加速度值 較大時，只需增加致動電極之間的電壓，撓性橋始終處于初始位置附近，撓曲變形極小，因 而在線性度一定的情況下，提高量程的同時可保證加速度計芯片的高靈敏度不降低。其二，對于相同結構參數、靈敏度、量程的石英振梁加速度敏感元件，閉環控制式 結構相對于開環結構，撓性橋的撓曲變形幅度大大降低，線性度性能大幅提高。其三，加速度計將石英振梁的頻率變化作為撓性橋偏離初始位置的標志，靈敏度 較高，具有和相同結構尺寸的石英振梁加速度計相同的精度。其四，致動器采用整塊平板狀結構，結構簡單、易于加工；致動器的全覆蓋致動電極在致動器上，全覆蓋布置方式無需進一步光刻，制作更為簡單。附圖說明為了使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本專利技術作進 一步的詳細描述，其中圖1是使用本專利技術的一個實施方式的閉環控制式加速度計的立體分解圖；圖2是各組成要素的組裝狀態的外觀圖；圖3是沿圖2中A-A剖切線的剖面圖；圖4是使用本專利技術的另一個實施方式的閉環控制式加速度計的立體分解圖；圖5是各組成要素的組裝狀態的外觀圖；圖6是致動器的圖形化致動電極在致動器上的布置圖；圖7是致動器的全覆蓋致動電極在致動器上的布置圖。具體實施方式以下將結合附圖，對本專利技術的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例 僅為了說明本專利技術，而不是為了限制本專利技術的保護范圍。實施例1圖1是使用本專利技術的一個實施方式的閉環控制式加速度計的立體分解圖，圖2是各組 成要素的組裝狀態的外觀圖，圖3是沿圖2中A-A剖切線的剖面圖，圖4是使用本專利技術的另 一個實施方式的閉環控制式加速度計的立體分解圖，圖5是各組成要素的組裝狀態的外觀 圖，圖6是致動器的圖形化致動電極在致動器上的布置圖，圖7是致動器的全覆蓋致動電極 在致動器上的布置圖，如圖所示本專利技術提供的閉環控制式加速度計，包括石英振梁加速度 敏感元件和致動器；所述石英振梁加速度敏感元件的質量塊與致動器之間相對表面上設置 有致動電極對，所述致動電極對，用于通過調整施加在致動電極對之間的電壓來改變質量本文檔來自技高網...

【技術保護點】
閉環控制式加速度計，其特征在于：包括石英振梁加速度敏感元件和致動器；所述石英振梁加速度敏感元件的質量塊與致動器之間相對表面上設置有致動電極對，所述致動電極對，用于通過調整施加在致動電極對之間的電壓來改變質量塊的位置。

【技術特征摘要】
1.閉環控制式加速度計，其特征在于包括石英振梁加速度敏感元件和致動器；所述石英振梁加速度敏感元件的質量塊與致動器之間相對表面上設置有致動電極對，所述致動電極對，用于通過調整施加在致動電極對之間的電壓來改變質量塊的位置。2.根據權利要求1所述的閉環控制式加速度計，其特征在于所述致動器包括上致動器和下致動器；與所述石英振梁加速度敏感元件的質量塊上表面相對的上致動器的表面上設置有上致動電極；與所述上致動器的上致動電極相對應的石英振梁加速度敏感元件的質量塊表面上設置有第一致動電極；與所述石英振梁加速度敏感元件的質量塊下表面相對的下致動器的表面上設置有下致動電極；與所述下致動器的下致動電極相對應的石英振梁加速度敏感元件的質量塊表面上設置有第二致動電極。3.根據權利要求2所述的閉環控制式加速度計，其特征在于所述上致動器和下致動器分別通過設置于外緣的夾持梁與石英振梁加速度敏感元件外緣的固定框接合。4.根據權利要求1所述的閉環控制式加速度計，其特征在于所述石英振梁加速度敏感元件還包括振梁、振梁激勵電極、C形連接塊、第一撓性橋、第二撓性橋、隔離框、第一連接梁、第二連接梁和致動電極引腳；所述振梁雙端固接于質量塊和C形連接塊；所述振梁激勵電極與振梁連接，用于激勵振梁使之起振；所述C形連接塊用于支撐質量塊；所述質量塊一側通過第一撓性橋與C形連接塊的一側連接；所述質量塊另一側通過第二撓性橋與C形連接...

【專利技術屬性】
技術研發人員：林丙濤，趙建華，林日樂，張巧云，董宏奎，翁邦英，徐洲，李文蘊，謝佳維，滿欣，周倩，
申請(專利權)人：中國電子科技集團公司第二十六研究所，
類型：發明
國別省市：