一種諧振式加速度傳感器件的製作方法
2023-06-16 23:26:51
一種諧振式加速度傳感器件的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種諧振式加速度傳感器件，包括諧振敏感元件、U型質量塊、第一撓性橋、第二撓性橋、C形連接塊、連接梁、環形連接塊、第一固定塊和第二固定塊。所述諧振敏感元件由第一基部、第二基部以及固接於二者之間的第一振梁和第二振梁構成，兩振梁正面設有矩形凹槽，該凹槽的開口方向與兩振梁的振動方向垂直，所述凹槽的內壁覆蓋有第一激勵電極，振梁的兩側壁分別覆蓋有第二激勵電極，第一振梁和第二振梁通過電極與激勵電源的連接使兩者振動方向相反。本實用新型有利於器件的微型化，並可有效提升振梁諧振穩定性，器件的靈敏度更高，同時降低了電極的製作難度。
【專利說明】一種諧振式加速度傳感器件
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及頻率輸出的諧振式加速度檢測技術，具體涉及一種諧振式加速度傳感器件，屬於慣性導航【技術領域】。
【背景技術】
[0002]慣性導航作為一種自主導航方式，隱蔽性和抗幹擾性強，在武器裝備及民用消費電子產品中均得到廣泛的應用。加速度計和陀螺儀是慣性導航的核心敏感元件，其精度的高低將對導航精度產生決定性的影響。諧振式加速度計採用諧振原理檢測加速度，具有頻率輸出和檢測精度高等多個優點，基於石英材料的諧振式加速度計穩定性較其它材料更好，在高精度加速度檢測領域得到越來越多的應用。
[0003]振梁結構的石英諧振式加速度計是最為常見的一種結構類型，依據振梁結構的區另|J，振梁結構的石英諧振式加速度計可分為雙振梁和單振梁兩種，代表公司分別為美國的Honeywell公司和法國的Onera。Honeywell公司採用雙振梁結構,振梁和質量塊等其它輔助結構分開製作，然後通過粘接等方式組裝到一起。該種結構量程範圍寬，但是製作工藝繁瑣且體積大，不適合大批量生產；此外，該種結構的振梁截面為矩形，電極激勵效率低，振梁等效寬度大靈敏度低。法國Onera創新性地將石英振梁加速度計的所有結構製作於單一結構上，體積小且裝配簡單，綜合精度已達100 Ugo
[0004]然而，法國Onera的石英振梁加速度計的振梁厚度很小，背面為溼法腐蝕深槽後製作而成，電極圖形化難度較大，其採用的解決方案為只在振梁正面製作單面電極對振梁進行激勵，但單面電極的激勵效率較低，振梁諧振時的動態阻抗大，穩定性差。
實用新型內容
[0005]針對現有技術存在的上述不足，本實用新型的目的是提供一種微型化、電極製作簡單且激勵效率高、靈敏度高、穩定性好的諧振式加速度傳感器件。
[0006]為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案如下:
[0007]一種諧振式加速度傳感器件，包括諧振敏感元件、U型質量塊、第一撓性橋、第二撓性橋、C形連接塊、連接梁、環形連接塊、第一固定塊和第二固定塊，其特徵在於:所述諧振敏感元件由第一基部、第二基部以及固接於二者之間且工作於寬度彎曲諧振模態的結構相同的第一振梁和第二振梁構成，第一振梁和第二振梁正面朝向相同且正面設有矩形凹槽，該凹槽的開口方向與第一振梁和第二振梁的振動方向垂直，所述凹槽的內壁覆蓋有第一激勵電極，振梁的兩側壁分別覆蓋有第二激勵電極，第一振梁和第二振梁通過電極與激勵電源的連接使兩者振動方向相反；
[0008]U型質量塊和C形連接塊開口相向並通過第一撓性橋和第二撓性橋將兩者端部連接，所述諧振敏感元件位於U型質量塊和C形連接塊合圍形成的區域內，諧振敏感元件兩端分別通過第一基部、第二基部與U型質量塊開口中部和C形連接塊中部連接；c形連接塊的背部通過連接梁連接環形連接塊；環形連接塊兩端與第一固定塊和第二固定塊連接，環形連接塊、第一固定塊、第二固定塊和U型質量塊外輪廓整體呈圓形。
[0009]進一步地，本實用新型諧振式加速度傳感器件在同一基材上加工形成，即構成傳感器件的第一基部、第二基部、第一振梁、第二振梁、U型質量塊、第一撓性橋、第二撓性橋、C形連接塊、連接梁、環形連接塊、第一固定塊和第二固定塊在同一塊基材上一體製作而成，為整體式。所述諧振式加速度傳感器件製作基材為具有壓電效應的石英晶體。
[0010]所述第一振梁和第二振梁上的凹槽由中部凹槽和位於中部凹槽與兩基部之間的兩端部凹槽構成，端部凹槽與中部凹槽的分界點跟振梁諧振時的節點重合；同一振梁的端部凹槽內壁的第一激勵電極與中部凹槽內壁的第一激勵電極與激勵電源連接的極性相反。
[0011]所述第一振梁和第二振梁上的凹槽為一條，該凹槽沿Y向的邊界鄰近于振梁的節點。
[0012]本實用新型振梁正面可同時設置中部凹槽和端部凹槽；如果振梁較短,則中部凹槽和端部凹槽一體設置，或只設置中部凹槽而不設置端部凹槽。
[0013]本實用新型將諧振敏感元件與質量塊等輔助結構一體化集成，諧振敏感元件中的振梁正面設置有凹槽，以降低激勵電極作用距離和振梁彎曲振動的等效寬度。有加速度輸入時，質量塊所產生的慣性力引起撓性橋的撓曲變形和振梁沿軸向的應變以及諧振頻率的變化，通過解算振梁諧振頻率變化值即可得到輸入加速度值。
[0014]由此可知，本實用新型的有益效果具體表現在以下方面:
[0015]1、振梁為雙振梁結構，兩振梁工作於方向相反的彎曲振動模態，振動時對基部所產生的力和力矩相互抵消，穩定性較好，且無需隔離框進行隔振，體積更小。
[0016]2、振梁正面設置有凹槽，電極的激勵效率大幅提高，克服了振梁尺寸較小時振蕩能量弱的缺點，有利於器件尺寸的進一步微型化，並可有效提升振梁諧振穩定性。
[0017]3、器件的靈敏度與振梁等效寬度的二次方成反比，振梁正面設置凹槽後等效寬度減小，器件的靈敏度更高。
[0018]4、振梁表面的激勵電極只覆蓋凹槽內壁和振梁側壁，背面不需要覆蓋電極，降低了電極的製作難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是使用本實用新型實施例1的諧振式加速度傳感器件的結構圖。
[0020]圖2a是本實用新型實施例1中諧振敏感元件的結構圖。
[0021]圖2b是圖2a的A1-A1剖視圖。
[0022]圖2c是圖2a的B1-B1剖視圖。
[0023]圖3是本實用新型實施例2中諧振敏感元件的結構圖。
[0024]圖4是本實用新型實施例3中諧振敏感元件的結構圖。
[0025]其中:1-諧振式加速度傳感器件；2_諧振敏感元件；3-U型質量塊；4_第一撓性橋；5_第二撓性橋；6-C形連接塊；7_連接梁；8_環形連接塊；9_第一固定塊；10_第二固定塊；20_第一基部；21_第二基部；22_第一振梁；23a-第一中部凹槽；23b_第一端部凹槽；24-第二振梁；25a-第二中部凹槽；25b-第二端部凹槽；26_第一激勵電極；27_第二激勵電極。【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
[0027]如圖1所示，本實用新型提供的諧振式加速度傳感器件1，包括諧振敏感元件2，U型質量塊3，第一撓性橋4，第二撓性橋5，C形連接塊6，連接梁7，環形連接塊8，第一固定塊9，第二固定塊10。所述諧振敏感元件2由第一基部20、第二基部21以及固接於二者之間且工作於寬度彎曲諧振模態的結構相同的第一振梁22和第二振梁24構成，第一振梁22和第二振梁24正面朝向相同且正面設有矩形凹槽，該凹槽的開口方向與第一振梁和第二振梁的振動方向垂直。所述凹槽的內壁覆蓋有第一激勵電極26，振梁的兩側壁分別覆蓋有第二激勵電極27，第一振梁22和第二振梁24通過電極與激勵電源的連接使兩者振動方向相反。
[0028]U型質量塊3和C形連接塊6開口相向並通過第一撓性橋4和第二撓性橋5將兩者端部連接，所述諧振敏感元件2位於U型質量塊3和C形連接塊6合圍形成的區域內，諧振敏感元件2兩端分別通過第一基部20、第二基部21與U型質量塊3開口中部和C形連接塊6中部連接；C形連接塊6的背部通過連接梁7連接環形連接塊8 ;環形連接塊8兩端與第一固定塊9和第二固定塊10連接，環形連接塊8、第一固定塊9、第二固定塊10和U型質量塊3外輪廓整體呈圓形。
[0029]本實用新型諧振式加速度傳感器件在同一基材上加工形成，即構成傳感器件的第一基部20、第二基部21、第一振梁22、第二振梁24、U型質量塊3、第一撓性橋4、第二撓性橋5、C形連接塊6、連接梁7、環形連接塊8、第一固定塊9和第二固定塊10在同一塊基材上一體製作而成，為整體式。所述諧振式加速度傳感器件製作基材為具有壓電效應的石英晶體。
[0030]本實用新型第一撓性橋4和第二撓性橋5用於支撐質量塊3 ;第一固定塊9和第二固定塊10用於支撐整個諧振式加速度傳感器件I。當有Z向加速度輸入時，質量塊3引起的慣性力使得第一撓性橋4和第二撓性橋5產生撓曲變形，該變形對諧振敏感元件2的第一基部20產生拉伸或壓縮力，並傳導到兩個振梁上，引起其諧振頻率的變化，諧振頻率的變化值可用於檢測輸入加速度值。
[0031]與矩形截面的振梁相比，在同等激勵電壓條件下，製作有凹槽結構的振梁上兩個電極之間的作用距離縮短，有效激勵電場強度明顯增強，振梁的振蕩強度增大，動態阻抗值降低，即使減小元件的尺寸，振梁的激勵振幅下降也較小，穩定性更好，更適於傳感器件的微型化。
[0032]實施例1
[0033]作為本實用新型一個優選實施方案，如圖2a所示，第一振梁22和第二振梁24正面的凹槽為三個-位於兩端的端部凹槽和端部凹槽之間的中部凹槽，端部凹槽和中部凹槽的分界點與振梁諧振時的節點(Pl，P2, P3, P4)重合，以提高電極激勵效率和諧振穩定性。振梁兩側壁的第二激勵電極分為對應的獨立的三段，以與凹槽內部第一激勵電極對應。
[0034]如圖2b和2c所示，同一振梁的端部凹槽內壁的第一激勵電極與中部凹槽內壁的第一激勵電極與激勵電源連接的極性相反。即第一端部凹槽23a和第一中部凹槽23b的電極與激勵電源連接的極性相反，第二端部凹槽25a和第二中部凹槽25b的電極與激勵電源連接的極性相反，使得振梁諧振時，振梁節點的一端為拉伸狀態，另一端為壓縮狀態。[0035]第一端部凹槽23a和第二端部凹槽25a的電極與激勵電源連接的極性相反，第一中部凹槽23b和第二中部凹槽25b電極與激勵電源連接的極性相反，第一振梁22和第二振梁24內的電場方向相反，兩根振梁振動方向相反。
[0036]實施例2
[0037]如圖3所示，本實施例2與實施例1的區別僅在於:第一振梁22和第二振梁24的正面只設置中部凹槽而未設置端部凹槽，即凹槽只有一條。
[0038]在振梁長度進一步縮短時，若振梁正面同時製作中部凹槽和端部凹槽則表面的電極圖形化難度會增大，第一激勵電極26和第二激勵電極27短路的概率會增加，諧振式加速度傳感器件製作的成品率和可靠性均會降低。本實施例中的振梁結構，更適合于振梁長度較短的諧振式加速度傳感器件的製作。
[0039]實施例3
[0040]如圖4所示，本實施例3與實施例1的區別僅在於:第一振梁22和第二振梁24正面的端部凹槽和中部凹槽一體化設置，且端部凹槽內未製作激勵電極。為突出結構形狀，圖4中未示出電極圖形。
[0041]在振梁長度較短時，振梁正面的中部凹槽和端部凹槽分界處(未設置凹槽的節點附近)對激勵效率的影響程度會大幅增加，降低了振梁諧振強度。通過在振梁正面一體化設置端部凹槽和中部凹槽，可有效降低分界處對激勵效率的影響，提高振梁諧振強度。
[0042]由此可見在振梁的正面製作凹槽，振梁的側壁和凹槽的內壁都覆蓋有電極，在電極上施加電壓，使得兩根振梁內部產生電場方向相反的激勵電場，由逆壓電效應激勵兩根振梁產生反向彎曲振動。與矩形截面的振梁相比，在同等激勵電壓條件下，製作有凹槽結構的振梁的有效激勵電場強度明顯增強，振梁的振蕩強度增大，諧振效率高，動態阻抗值降低，性能穩定，有利於傳感器件結構的進一步微型化；設置凹槽結構的振梁的等效寬度得到降低，傳感器件的靈敏度更高。
[0043]本實用新型的上述實施例僅僅是為說明本實用新型所作的舉例，而並非是對本實用新型的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這裡無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬於本實用新型的技術方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本實用新型的保護範圍之列。
【權利要求】
1.一種諧振式加速度傳感器件，包括諧振敏感元件、U型質量塊、第一撓性橋、第二撓性橋、C形連接塊、連接梁、環形連接塊、第一固定塊和第二固定塊，其特徵在於:所述諧振敏感元件由第一基部、第二基部以及固接於二者之間且工作於寬度彎曲諧振模態的結構相同的第一振梁和第二振梁構成，第一振梁和第二振梁正面朝向相同且正面設有矩形凹槽，該凹槽的開口方向與第一振梁和第二振梁的振動方向垂直，所述凹槽的內壁覆蓋有第一激勵電極，振梁的兩側壁分別覆蓋有第二激勵電極，第一振梁和第二振梁通過電極與激勵電源的連接使兩者振動方向相反； U型質量塊和C形連接塊開口相向並通過第一撓性橋和第二撓性橋將兩者端部連接，所述諧振敏感元件位於U型質量塊和C形連接塊合圍形成的區域內，諧振敏感元件兩端分別通過第一基部、第二基部與U型質量塊開口中部和C形連接塊中部連接；c形連接塊的背部通過連接梁連接環形連接塊；環形連接塊兩端與第一固定塊和第二固定塊連接，環形連接塊、第一固定塊、第二固定塊和U型質量塊外輪廓整體呈圓形。
2.根據權利要求1所述的諧振式加速度傳感器件，其特徵在於:所述第一基部、第二基部、第一振梁、第二振梁、U型質量塊、第一撓性橋、第二撓性橋、C形連接塊、連接梁、環形連接塊、第一固定塊和第二固定塊在同一塊具有壓電效應的石英晶體基材上一體製作而成。
3.根據權利要求1或2所述的諧振式加速度傳感器件，其特徵在於:所述第一振梁和第二振梁上的凹槽由中部凹槽和位於中部凹槽與兩基部之間的兩端部凹槽構成，端部凹槽與中部凹槽的分界點跟振梁諧振時的節點重合；振梁兩側壁的第二激勵電極分為對應的獨立的三段，以與凹槽內部第一激勵電極對應；同一振梁的端部凹槽內壁的第一激勵電極與中部凹槽內壁的第一激勵電極與激勵電源連接的極性相反。
4.根據權利要求1或2所述的諧振式加速度傳感器件，其特徵在於:所述第一振梁和第二振梁上的凹槽為一條，該凹槽沿Y向的邊界鄰近于振梁的節點。
【文檔編號】G01P15/097GK203630154SQ201420012761
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】林丙濤, 林日樂, 翁邦英 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所