专利名称：一种硅基差动石英加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于微机械电子技术领域，具体涉及一种硅基差动石英加速度传感器。
背景技术：
高精度数字导航系统已经广泛应用在飞机、导弹、水下行驶等方面。具有频率输出特性的加速度传感器作为数字导航系统的重要组成部分，对其高精度、高分辨率的要求越来越严格。这类加速度计输出的是频率信号，没有数模转换带来的精度损失。此方面的传感器主要包括娃微谐振传感器和石英谐振加速度传感器。基于微机电系统的娃微谐振传感器加工工艺复杂，分辨率较低。此类加速度传感器一般是采用静电激励，其激励结构的设计更增加了工艺的复杂性，而且输出信号很微弱。采用石英结构的谐振传感器具有激励简单、品质因数高等优点。目前主要包括两种，一种是在一整片上加工出石英振动梁、惯性质量块等；另外一种是把石英音叉粘贴在基础上，音叉的一端与固定端相连，另外一端与惯性质量块相连。第一种结构紧凑，传感器体积小，但是存在自锁现象，而且没有过载保护结构。第二种的基础一般是采用传统工艺加工的，材料多为金属，尺寸稳定性不高，传感器体积大。

发明内容
为了克服上述现有谐振加速度传感器的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基差动石英加速度传感器，具有体积小，重量轻，数字信号输出和分辨率高的优点，本发明采用差动结构设计，能够有效抑制温度等共模信号的影响。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种硅基差动石英加速度传感器，包括相对方向安装的两个硅基I和双端固定石英音叉3，硅基I由挠性硅梁2、质量块4组成，硅基I上的质量块4通过两个挠性梁2与硅基I相连；双端固定石英音叉3的一个支座13固定在娃基I的一端，另外一个支座13固定在质量块4上，双端固定石英音叉4的两个叉齿15通过固定端14与支座13相连，叉齿15四周覆有电极；硅基I夹在上过载保护板10和下过载保护板12中间，上过载保护板10由通孔7和上盲孔9组成，下过载保护板12有下盲孔8 ;硅基1、双端固定石英音叉3、上过载保护板10及下过载保护板12组成的结构置于电路板5的孔11中，双端固定石英音叉3通过金丝6穿过上过载保护板10的通孔7连接到电路板5。所述的两个娃基I由同一个娃片加工出来。所述的两个双端固定石英音叉3由同一个石英晶片加工出来。所述的双端石英音叉3的两根叉齿15振动方向相反且在同一平面内。本发明的双端固定石英音叉3存在逆压电效应，可以采用电路激励振动。当有加速度沿测量方向(SA)作用于由挠性硅梁2支撑的质量块4时，质量块4受惯性力作用产生位移，从而双端固定石英音叉3产生轴向拉(压)力，导致双端固定石英音叉3的振动频率发生变化。这种变化可以通过激励电路检测出来，实现对加速度信号的测量。本发明采用硅基I支撑双端固定石英音叉3，硅基I采用微机电系统工艺加工，所采用的两个硅基I的尺寸一致性很高，因此可以形成差动输出。该传感器具有频率输出，体积小，敏感度高、过载保护以及品质因数闻等优点。


图1为本发明的结构示意图。图2为本发明的敏感结构示意图。图3为上过载保护板的示意图。图4为双端固定石英音叉示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的结构与工作原理详细说明。参见图1，一种硅基差动石英加速度传感器，包括相对方向安装的两个硅基I和双端固定石英音叉3，硅基I由挠性硅梁2、质量块4组成，硅基I上的质量块3通过两个挠性梁2与硅基I相连，双端固定石英音叉3的一个支座13固定在硅基I的一端，另外一个支座13固定在质量块4上，双端固定石英音叉4的两个叉齿15通过固定端14与支座13相连，叉齿15四周覆有电极，硅基I夹在上过载保护板10和下过载保护板12中间，上过载保护板10由通孔7和上盲孔9组成，上盲孔9对质量块4起过载保护的作用，也给质量块运动提供所需的间隙，下过载保护板12有下盲孔8，下盲孔8在相对于上过载保护板10的相反方向上对质量块4起过载保护的作用，也给质量块运动提供所需的间隙，硅基1、双端固定石英音叉3、上过载保护板10及下过载保护板12组成的结构置于电路板5的孔11中，双端固定石英音叉3通过金丝6穿过上过载保护板10的通孔7连接到电路板5。所述的两个娃基I由同一个娃片加工出来。所述的两个双端固定石英音叉3由同一个石英晶片加工出来。所述的双端石英音叉3的两根叉齿15振动方向相反且在同一平面内。所述的硅基I有上下两个，相对安装。施加沿测量方向(SA)的加速度后，固定在不同硅基上的双端固定石英音叉3其中一个受拉(受压)，振动频率降低(升高)，另外一个受压(受拉)，振动频率升高(降低)。因此两根双端固定石英音叉3形成差动结构，传感器的输出信号是两者频率之差。当温度发生变化时，两根双端固定石英音叉3同时受拉或受压，频率变化相同，相减之后可以抵消温度的影响。参见图2，硅基I上有硅挠性梁2和质量块4，当有加速度施加在传感器上后，质量块4按照牛顿第二定律产生位移，从而拉(压)双端固定石英音叉3。轴向的拉(压)力改变双端固定石英音叉的振动频率，并通过电路测量出来,从而测量加速度。参见图3，硅基I夹在上过载保护板10和下过载保护板12中间，上过载保护板10由通孔7和上盲孔9组成，上盲孔9对质量块4起过载保护的作用，也给质量块运动提供所需的间隙。参见图4,双端固定石英音叉3的一个支座13固定在娃基I的一端,另外一个支座13固定在质量块4上，双端固定石英音叉4的两个叉齿15通过固定端14与支座13相连，叉齿15四周覆有电极。本发明的工作原理是双端固定石英音叉3存在逆压电效应，可以采用电路激励振动。两个硅基I相对安装，形成差动结构。当有沿测量方向(SA)的加速度时，双端固定石英音叉3其中一个受拉(受压)，振动频率降低(升高)，另外一个受压(受拉)，振动频率升高(降低)。两根双端固定石英音叉3形成差动结构，传感器的输出信号是两者频率之差。当温度发生变化时，两根双端固定石英音叉3同时受拉或受压，频率变化相同，相减之后可以抵消温度的影响。本发明采用硅基I支撑双端固定石英音叉3，硅基I采用微机电系统工艺加工，所采用的两个硅基I的尺寸一致性很高，因此可以形成差动输出。上过载保护板10和下过载保护板12防止质量块位移过大对双端固定石英音叉造成破坏。
权利要求
1.一种硅基差动石英加速度传感器，其特征在于，包括相对方向安装的两个硅基(I)和双端固定石英音叉(3)，硅基(I)由挠性硅梁(2)和质量块(4)组成，硅基(I)上的质量块(3)通过两个挠性梁(2)与硅基(I)相连；双端固定石英音叉(3)的一个支座(13)固定在硅基(I)的一端，另外一个支座(13)固定在质量块(4)上，双端固定石英音叉(4)的两个叉齿(15)通过固定端(14)与支座(13)相连，叉齿(15)四周覆有电极；硅基(I)夹在上过载保护板(10)和下过载保护板(12)中间，上过载保护板(10)由通孔(7)和上盲孔(9)组成，下过载保护板(12)有下盲孔(8);硅基(I)、双端固定石英音叉(3)、上过载保护板(10)及下过载保护板(12)组成的结构置于电路板(5)的孔(11)中，双端固定石英音叉(3)通过金丝(6)穿过上过载保护板(10)的通孔(7)连接到电路板(5)。
2.根据权利要求1所述的一种硅基差动石英加速度传感器，其特征在于，所述的两个娃基(I)由同一个娃片加工出来。
3.根据权利要求1所述的一种硅基差动石英加速度传感器，其特征在于，所述的两个双端固定石英音叉(3)由同一个石英晶片加工出来。
4.根据权利要求1所述的一种硅基差动石英加速度传感器，其特征在于，所述的双端石英音叉(3)的两根叉齿(15)振动方向相反且在同一平面内。
全文摘要
一种硅基差动石英加速度传感器，包括相对方向安装的两个硅基和双端固定石英音叉，硅基夹在上过载保护板和下过载保护板中间；硅基、双端固定石英音叉、上过载保护板及下过载保护板组成的结构置于电路板的孔中，双端固定石英音叉通过金丝穿过上过载保护板的通孔连接到电路板，双端固定石英音叉存在逆压电效应，采用电路激励振动，当有加速度作用于由挠性硅梁支撑的质量块时，两根双端固定石英音叉形成差动结构，传感器的输出信号是两者频率之差。当温度发生变化时，两根双端固定石英音叉同时受拉或受压，频率变化相同，相减之后可以抵消温度的影响，具有体积小，重量轻，数字信号输出和分辨率高的优点。
文档编号G01P15/097GK103063875SQ201210570248
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者赵玉龙, 李村, 饶浩 申请人:西安交通大学