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一种石英振梁加速度计的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种石英振梁加速度计，包括加速度敏感元件，所述加速度敏感元件由位于同一平面的U型质量块、振梁、第一挠性桥、第二挠性桥、第一连接块、第一连接梁、隔离框、第二连接梁、第二连接块、第一固定块和第二固定块构成。在加速度敏感元件的上下表面设有上下限位片，上限位片和下限位片两端通过粘接层分别与第一固定块和第二固定块的上下表面粘接固定。上限位片和下限位片位于U型质量块上方和下方且与U型质量块的间距为粘接层的厚度。本实用新型通过限位片，起到对加速度敏感元件质量块运动的位移量限制和阻尼作用，提高了加速度计的抗冲击和抗振动能力，灵敏度也得到进一步的提高。
【专利说明】一种石英振梁加速度计
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及基于谐振敏感原理的加速度传感器领域，特别涉及一种带有限位片的石英振梁加速度计。
【背景技术】
[0002]石英振梁加速度计利用振梁受到轴向应力时谐振频率发生变化的性质来检测输入的加速度，具有检测精度高、准数字输出等优点，在高精度加速度测量领域得到了广泛应用。
[0003]石英振梁加速度计的谐振元件有双振梁和单振梁两种结构，代表公司分别为美国的Kearfott和法国的Onera。Kearfott公司采用双振梁结构,振梁和质量块等其它辅助结构分开制作，然后通过粘接等方式组装到一起，制作工艺繁琐不适合大批量生产。法国Onera创新性地将石英振梁加速度计的所有结构制作于单一芯片结构上，且可通过MEMS工艺一体化制作，体积小、成本低且装配简单，综合精度已达300ug,单个芯片的直径为6mm,产品已实现批量化生产并在载体导航、制导及工业控制领域大量应用。
[0004]然而，由于法国Onera的石英振梁加速度计未施加任何保护装置，抗冲击和抗振动能力差，且其一阶模态的谐振频率需高于2000Hz以满足环境使用要求，致使器件的灵敏度进一步提升的难度较大(目前两个器件差分后的灵敏度为24Hz/g)，制约了加速度计综合性能的提闻。
实用新型内容
[0005]针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种抗冲击和抗振动能力强、灵敏度高的石英振梁加速度计。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下:
[0007]一种石英振梁加速度计，包括加速度敏感元件，所述加速度敏感元件由位于同一平面的U型质量块、振梁、第一挠性桥、第二挠性桥、第一连接块、第一连接梁、隔离框、第二连接梁、第二连接块、第一固定块和第二固定块构成。所述U型质量块开口朝向第一连接块并通过第一挠性桥和第二挠性桥将两者端部连接，第一连接块用于支撑U型质量块。所述振梁位于U型质量块和第一连接块合围形成的矩形区域内且振梁两端分别与U型质量块开口中部和第一连接块中部连接。U型质量块和第一连接块位于隔离框内，第一连接块背向振梁的另一面通过第一连接梁与隔离框一条边内侧连接。隔离框上与连接第一连接梁的那条边相对的另一条边的外侧通过第二连接梁与第二连接块连接，第一固定块和第二固定块设于第二连接块两侧且相互平行以使三者形成U型结构，隔离框位于该U型结构的腔内。在加速度敏感元件的上下表面设有两正对的上限位片和下限位片，上限位片和下限位片两端通过粘接层分别与第一固定块和第二固定块的上下表面粘接固定。上限位片和下限位片位于U型质量块上方和下方且与U型质量块的间距为粘接层的厚度。
[0008]所述U型质量块、振梁、第一挠性桥、第二挠性桥、第一连接块、第一连接梁、隔离框、第二连接梁、第二连接块、第一固定块和第二固定块在同一块具有压电效应的石英晶体基材上一体制作而成。
[0009]相比现有技术，本实用新型具有如下有益效果:
[0010]1、通过在加速度敏感元件的上下位置设置一对限位片，起到对加速度敏感元件质量块运动的位移量限制和阻尼作用，提高了加速度计的抗冲击和抗振动能力。
[0011]2、由于限位片存在对质量块运动的阻尼作用，加速度敏感元件的一阶谐振频率可小于2000Hz，相对于无限位片设置的加速度计，本实用新型中提出的加速度计其灵敏度也可得到进一步的提闻。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1是使用本实用新型的石英振梁加速度计的立体分解图；
[0013]图2是各组成要素的组装状态的外观图；
[0014]图3是沿图2中A-A剖切线的剖面图。
[0015]其中:1_石英振梁加速度计；2_加速度敏感元件；3-U型质量块；4-振梁；5a_第一挠性桥；5b-第二挠性桥；6_第一连接块；7_第一连接梁；8_隔离框；9_第二连接梁；10-第二连接块；lla-第一固定块；llb-第二固定块；20_上限位片；30_下限位片；40_粘接层。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
[0017]如图1、图2和图3所示，本实用新型石英振梁加速度计I，包括加速度敏感元件2，所述加速度敏感元件2由位于同一平面的U型质量块3、振梁4、第一挠性桥5a、第二挠性桥5b、第一连接块6、第一连接梁7、隔离框8、第二连接梁9、第二连接块10、第一固定块Ila和第二固定块Ilb构成。所述U型质量块3开口朝向第一连接块6并通过第一挠性桥5a和第二挠性桥5b将两者端部连接，第一连接块6用于支撑U型质量块3。所述振梁4位于U型质量块3和第一连接块6合围形成的矩形区域内且振梁4两端分别与U型质量块3开口中部和第一连接块6中部连接。U型质量块3和第一连接块6位于隔离框8内，第一连接块6背向振梁的另一面通过第一连接梁7与隔离框8一条边内侧连接。隔离框8上与连接第一连接梁的那条边相对的另一条边的外侧通过第二连接梁9与第二连接块10连接，第一固定块Ila和第二固定块Ilb设于第二连接块10两侧且相互平行以使三者形成U型结构，隔离框8位于该U型结构的腔内。在加速度敏感元件2的上下表面设有两正对的上限位片20和下限位片30，上限位片20和下限位片30两端通过粘接层40分别与第一固定块Ila和第二固定块Ilb的上下表面粘接固定。上限位片20和下限位片30位于U型质量块3上方和下方且与U型质量块的间距为粘接层的厚度。
[0018]所述U型质量块3、振梁4、第一挠性桥5a、第二挠性桥5b、第一连接块6、第一连接梁7、隔离框8、第二连接梁9、第二连接块10、第一固定块Ila和第二固定块Ilb在同一块具有压电效应的石英晶体基材上一体制作而成。
[0019]有加速度输入时，U型质量块3偏离初始位置，第一挠性桥5a和第二挠性桥5b发生挠曲变形，并引起振梁4振动频率发生变化，通过检测该频率变化可解算出输入加速度计值及方向。当U型质量块3的位移量等于限位片与加速度敏感元件2之间的间距时，U型质量块3碰触到限位片的表面，位移量被限制在较小的范围内，提高了石英振梁加速度计I的抗冲击能力；石英振梁加速度计I的周围为惰性气体，在U型质量块3与上限位片20及下限位片30之间产生压膜阻尼，有效降低U型质量块3在振动环境下的共振幅度，提高了石英振梁加速度计I的抗振动能力。无限位片设置的加速度计，为了满足环境使用的需求，一阶谐振频率需大于2000Hz，限制了灵敏度的进一步提升。本实用新型提出的石英振梁加速度计I通过在加速度敏感元件2的上下位置设置上限位片20和下限位片30，降低了其一阶谐振频率的限制条件，石英振梁加速度计I的灵敏度得到了提高。
[0020]本实用新型的上述实施例仅仅是为说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。
【权利要求】
1.一种石英振梁加速度计，包括加速度敏感元件，所述加速度敏感元件(2)由位于同一平面的U型质量块(3)、振梁(4)、第一挠性桥(5a)、第二挠性桥(5b)、第一连接块(6)、第一连接梁(7)、隔离框(8)、第二连接梁(9)、第二连接块(10)、第一固定块(Ila)和第二固定块(Ilb)构成；所述U型质量块开口朝向第一连接块并通过第一挠性桥和第二挠性桥将两者端部连接，所述振梁位于U型质量块和第一连接块合围形成的矩形区域内且振梁两端分别与U型质量块开口中部和第一连接块中部连接;U型质量块和第一连接块位于隔离框(8)内，第一连接块背向振梁的另一面通过第一连接梁与隔离框(8) —条边内侧连接；隔离框(8)上与连接第一连接梁的那条边相对的另一条边的外侧通过第二连接梁(9)与第二连接块(10)连接，第一固定块(Ila)和第二固定块(Ilb)设于第二连接块(10)两侧且相互平行以使三者形成U型结构，隔离框(8)位于该U型结构的腔内；其特征在于:在加速度敏感元件的上下表面设有两正对的上限位片(20)和下限位片(30)，上限位片(20)和下限位片(30)两端通过粘接层(40)分别与第一固定块(Ila)和第二固定块(Ilb)的上下表面粘接固定；上限位片(20)和下限位片(30)位于U型质量块(3)上方和下方且与U型质量块(3)的间距为粘接层(40)的厚度。
2.根据权利要求1所述的石英振梁加速度计，其特征在于:所述U型质量块(3)、振梁(4)、第一挠性桥(5a)、第二挠性桥(5b)、第一连接块(6)、第一连接梁(7)、隔离框(8)、第二连接梁(9)、第二连接块(10)、第一固定块(Ila)和第二固定块(Ilb)在同一块具有压电效应的石英晶体基材上一体制作而成。
【文档编号】G01P15/03GK203643470SQ201420020970
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】林丙涛, 林日乐, 翁邦英 申请人:中国电子科技集团公司第二十六研究所