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    重庆时时彩开奖直播lm0: 一种微型差动式全石英谐振加速度计.pdf

    关 键 词:
    一种 微型 差动 石英 谐振 加速度计
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    摘要
    申请专利号:

    CN201611079746.1

    申请日:

    2016.11.30

    公开号:

    CN106771358A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01P 15/097申请日:20161130|||公开
    IPC分类号: G01P15/097 主分类号: G01P15/097
    申请人: 西安交通大学
    发明人: 赵玉龙; 李波; 李村; 孙登强; 赵建华; 蒋庄德
    地址: 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号
    优先权:
    专利代理机构: 西安智大知识产权代理事务所 61215 代理人: 贺建斌
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201611079746.1

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种微型差动式全石英谐振加速度计,包括外围的支撑框架,支撑框架与其内部的质量块通过敏感方向设置的柔性支撑弹簧连接,在质量块的敏感方向中轴线部位,开有一对完全贯通的空槽,石英振梁位于空槽内,石英振梁两端分别与支撑框架和质量块相连接,且左右对称,石英振梁上表面布有电极,电极位于质量块的敏感方向中轴线上,通电之后电极能够按照预定模态振动,通过质量块感应到加速度的输入,然后通过两个石英振梁的差动变化频率,由频率检测电路把加速度转换为电信号,完成对加速度的感应与测量,本发明具有数字信号输出、分辨率高和抗干扰性能优良等优点。

    权利要求书

    1.一种微型差动式全石英谐振加速度计,包括外围的支撑框架(1),其特征在于:支撑
    框架(1)与其内部的质量块(2)通过敏感方向SA设置的柔性支撑弹簧(5-a、5-b、5-c、5-d)连
    接,柔性支撑弹簧每侧两个,对称布置,在质量块(2)的敏感方向SA中轴线部位,开有一对完
    全贯通的第一空槽(4)和第二空槽(6),第一石英振梁(3)和第二石英振梁(7)分别位于第一
    空槽(4)和第二空槽(6)内,第一石英振梁(3)、第二石英振梁(7)两端分别与支撑框架(1)和
    质量块(2)相连接,且左右对称,第一石英振梁(3)和第二石英振梁(7)上表面布有电极,电
    极位于质量块(2)的敏感方向SA中轴线上,通电之后电极能够按照预定模态振动,通过质量
    块(2)感应到加速度的输入,然后通过第一石英振梁(3)和第二石英振梁(7)的差动变化频
    率,由频率检测电路把加速度转换为电信号,完成对加速度的感应与测量。
    2.根据权利要求1所述的一种微型差动式全石英谐振加速度计,其特征在于:所述的第
    一空槽(4)和第二空槽(6)的宽度为500微米以上。
    3.根据权利要求1所述的一种微型差动式全石英谐振加速度计,其特征在于:所述的质
    量块(2)与支撑框架(1)之间有200微米的运动间隙。
    4.根据权利要求1所述的一种微型差动式全石英谐振加速度计,其特征在于:所述的第
    一石英振梁(3)和第二石英振梁(7)宽度为80微米,厚度为40微米,长度为2000微米,第一石
    英振梁(3)和第二石英振梁(7)通过干法刻蚀工艺加工获得,第一石英振梁(3)和第二石英
    振梁(7)的振动模态相同,频率相同。
    5.根据权利要求1所述的一种微型差动式全石英谐振加速度计,其特征在于:所述的柔
    性支撑弹簧(5)每仄线条宽度为35微米,长度为1900微米,厚度为360微米,线条间距为40微
    米,在敏感方向SA上,柔性支撑弹簧(5)的刚度小,容易发生形变,在非敏感方向,柔性支撑
    弹簧(5)的刚度大,不易发生形变。

    说明书

    一种微型差动式全石英谐振加速度计

    技术领域

    本发明属于微型机械电子(MEMS)技术领域,具体涉及一种微型差动式全石英谐振
    加速度计。

    背景技术

    随着科学技术的进步,加速度计在飞行控制、武器的稳姿稳瞄系统、无人驾驶系
    统、汽车状态监测、自动化控制和机械特性检测等领域有着广泛多的应用。处于当今这样一
    个信息大爆炸的时代,信息获取的速度和准确度,对整个系统的高精度控制和可靠运转都
    起着重要的作用。加速度信号作为其中的重要信息之一,为整个系统提供必需的重要信息,
    因此加速度计的精度对整个系统的高精度运转起着举足轻重的作用。谐振式加速度计具有
    灵敏度高、带宽大以及响应速度快等独特的优势,能够满足对设备系统在线运行状态监测
    的要求,对我国的装备制造业的发展具有重要的意义。目前常用的采用微机电加工的传感
    器主要分为压阻式和电容式。压阻式传感器通过具有压阻效应的电阻和具有一定结构的
    梁-质量块来感应加速度,电容式加速度传感器则是通过改变电容极板的面积或者距离来
    感应加速度。以上两种常用的加速度传感器输出的均是模拟信号,后处理电路复杂,灵敏度
    低,存在模数转换误差,而且不能直接与高精度的数字系统相结合。相比压阻式和电容式的
    加速度传感器,谐振式加速度传感器其输出信号是频率信号,具有精度高和抗干扰能力强
    的优点。目前也有少量的谐振式硅微加速度传感器,虽然此类传感器输出的是数字信号,由
    于采用硅材料进行加工,振频率低、灵敏度差、品质因数Q值低。一部分加速度计也采用了差
    动的结构,由于结构的复杂性,导致加工工艺繁琐,加工难度大。总之,现有的加速度计普遍
    存在模拟输出,灵敏度低,加工复杂等问题。

    发明内容

    为了克服上述现有加速度计的缺点,本发明的目的在于提供一种微型差动式全石
    英谐振加速度计,具有数字信号输出、分辨率高和抗干扰性能优良等优点。

    为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:

    一种微型差动式全石英谐振加速度计,包括外围的支撑框架1,支撑框架1与其内
    部的质量块2通过敏感方向SA设置的柔性支撑弹簧5-a、5-b、5-c、5-d连接,柔性支撑弹簧每
    侧两个,对称布置,在质量块2的敏感方向SA中轴线部位,开有一对完全贯通的第一空槽4和
    第二空槽6,第一石英振梁3和第二石英振梁7分别位于第一空槽4和第二空槽6内,第一石英
    振梁3、第二石英振梁7两端分别与支撑框架1和质量块2相连接,且左右对称,第一石英振梁
    3和第二石英振梁7上表面布有电极,电极位于质量块2的敏感方向SA中轴线上,通电之后电
    极能够按照预定模态振动,通过质量块2感应到加速度的输入,然后通过第一石英振梁3和
    第二石英振梁7的差动变化频率,由频率检测电路把加速度转换为电信号,完成对加速度的
    感应与测量。

    所述的第一空槽4和第二空槽6的宽度为500微米以上。

    所述的质量块2与支撑框架1之间有200微米的运动间隙。

    所述的第一石英振梁3和第二石英振梁7宽度为80微米,厚度为40微米,长度为
    2000微米,第一石英振梁3和第二石英振梁7通过干法刻蚀工艺加工获得,第一石英振梁3和
    第二石英振梁7的振动模态相同,频率相同。

    所述的柔性支撑弹簧5每仄线条宽度为35微米,长度为1900微米,厚度为360微米,
    线条间距为40微米,在敏感方向SA上,柔性支撑弹簧5的刚度小,容易发生形变,在非敏感方
    向,柔性支撑弹簧5的刚度大,不易发生形变。

    本发明的有益效果为:

    当加速度作用于加速度计时,质量块2在惯性力作用下,发生平动,第一石英振梁3
    和第二石英振梁7发生微弱的变形,构成差动形式。将第一石英振梁3和第二石英振梁7的谐
    振频率相减,得到差动频率变化值,通过检测差动的频率变化值就能够得到加速度的大小。
    差动的结构形式能够减少非敏感方向的输入信号对输出结果的影响,提高加速度计的抗干
    扰能力。由于采用石英作为材料,利用了石英单晶的压电特性和频率稳定性高的特性,所以
    本发明具有体积小,重量小,数字信号输出、分辨率高和抗干扰性能优良等优点。

    附图说明

    图1为本发明的结构示意图。

    图2为图1的A-A截面示意图。

    图3为图1的B-B截面示意图。

    具体实施方式

    以下结合附图对本发明作详细说明。

    参见图1、图2和图3,一种微型差动式全石英谐振加速度计,包括外围的支撑框架
    1,支撑框架1与其内部的质量块2通过敏感方向SA设置的柔性支撑弹簧5-a、5-b、5-c、5-d连
    接,柔性支撑弹簧每侧两个,对称布置,在质量块2的敏感方向SA中轴线部位,开有一对完全
    贯通的第一空槽4和第二空槽6,第一石英振梁3和第二石英振梁7分别位于第一空槽4和第
    二空槽6内,第一石英振梁3、第二石英振梁7两端分别与支撑框架1和质量块2相连接,且左
    右对称,第一石英振梁3和第二石英振梁7上表面布有电极,电极位于质量块2的敏感方向SA
    中轴线上,通电之后电极能够按照预定模态振动,通过质量块2感应到加速度的输入,然后
    通过第一石英振梁3和第二石英振梁7的差动变化频率,由频率检测电路把加速度转换为电
    信号,完成对加速度的感应与测量。

    所述的第一空槽4和第二空槽6的宽度为500微米以上。

    所述的质量块2与支撑框架1之间有200微米的运动间隙,当有加速度时,根据牛顿
    第二定律,质量块2在惯性力的作用下要产生一定位移,第一石英振梁3和第二石英振梁7发
    生微弱的变形,这种变形导致这对石英振梁一个受拉,一个受压,构成差动形式。

    所述的第一石英振梁3和第二石英振梁7宽度为80微米左右,厚度为40微米左右,
    长度为2000微米左右,第一石英振梁3和第二石英振梁7通过干法刻蚀工艺加工获得,这样
    可以保证第一石英振梁3和第二石英振梁7具有相同的结构尺寸和力频特性,使第一石英振
    梁3和第二石英振梁7的差动振动频率更准确的、客观的反应加速度的大小。

    所述的柔性支撑弹簧5每仄线条宽度为35微米左右,长度为1900微米左右,厚度为
    360微米左右,线条间距为40微米左右,在敏感方向SA上,柔性支撑弹簧5的刚度小,容易发
    生形变,使第一石英振梁3和第二石英振梁7能够灵敏的感受外界施加的加速度,在非敏感
    方向,柔性支撑弹簧5的刚度大,不易发生形变,有效地减小外界施加的加速度对第一石英
    振梁3和第二石英振梁7的影响;同时,采用差动频率的输出方式,能够有效地降低交叉灵敏
    度,加速度计的零漂和温漂,提高加速度计的性能。

    本发明的工作原理是:

    石英单晶具有压电特性,在第一石英振梁3和第二石英振梁7的上表面合理地布置
    电极,通过外部震荡电路使第一石英振梁3和第二石英振梁7发生共振。当加速度作用时,质
    量块2作为加速度的敏感质量块,根据牛顿第二定律,当加速度作用于敏感方向SA时,质量
    块2在惯性力的作用发生平动,导致位于质量块2和支撑框架1两侧的柔性支撑弹簧5一侧承
    受压力,发生压缩形变,另一侧承受拉力,发生拉伸形变,第一石英振梁3和第二石英振梁7
    发生微弱的变形,这种变形导致这对石英振梁一个受拉,一个受压,构成差动形式。受力会
    导致石英振梁的内应力变化,应力的变化致使谐振频率发生改变,改变的大小与加速度成
    正比,将第一石英振梁3和第二石英振梁7的谐振频率相减,得到差动频率变化值,这一变化
    通过频率检测电路转化为频率信号输出,从而实现传感器芯片的加速度-频率信号转换,
    完成对加速度的数字化测量。

    差动的结构形式能够减少非敏感方向的输入信号对输出结果的影响,提高加速度
    计的抗干扰能力。因此本发明采用石英作为材料,利用了石英单晶的压电特性和频率稳定
    性高,具有体积小,重量小,数字信号输出、分辨率高和抗干扰性能优良等优点。

    关于本文
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