專利名稱：一種具有強自耦合特性的諧振音叉結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種諧振音叉結構，用于包括硅微諧振式加速度計、石英諧振音叉式加速度計、硅微機械陀螺等力檢測傳感器領域，并且成為此類傳感器的核心敏感元件。
背景技術：
音叉結構普遍用于力學量的測量領域，屬于傳感器中的二次敏感元件。利用諧振音叉制作的傳感器典型的有諧振式加速度計，諧振式機械陀螺，諧振式氣壓傳感器等。這些傳感器都是通過某種特定機構將被測量轉化成彈性變形形式的接觸力，再將此接觸力通過夾緊機構傳遞到諧振音叉的軸向，產生軸向力。通過改變諧振音叉的軸向力的大小，可以改變諧振音叉諧振狀態(tài)的等效剛度，從而改變諧振音叉的諧振頻率，再通過檢測諧振音叉諧振頻率的變化就可以測量到施加于諧振音叉軸向力的大小，從而換算得到被測物理量的大小。
由于采用頻率量測量使得此類傳感器只對結構參數的改變有很高的靈敏度。而對環(huán)境干擾有很強的抗干擾能力。特別的對于諧振音叉其差模諧振狀態(tài)具有自然的與周圍環(huán)境解耦的特性。其支撐端產生的力矩大小相同方向相反。從而可以自相抵消，其振動能量不能從根部傳輸出去，從而實現(xiàn)同周邊結構的振動解耦。而外界干擾絕大多數對兩個諧振梁的作用大小相同方向相同，不能形成差模干擾，從而使這樣的振動模態(tài)的抗干擾能力大大提高。但是由于諧振音叉的差模諧振頻率同共模諧振頻率非常接近，從而兩種諧振模態(tài)會在真實器件中形成振動耦合現(xiàn)象。產生振動幅值調制現(xiàn)象，即拍頻。這種現(xiàn)象對于諧振音叉的起振和后續(xù)電路的信號處理都是極其不利的。對于共模振動，不但會和周邊結構形成強烈的振動耦合，而且外界各種干擾因素同時作用于兩根音叉時會很容易的改變音叉的諧振狀態(tài)，從而嚴重的影響音叉的振動效果。并且由于根部固定不可能實現(xiàn)完全剛性連接，而差模振動對根部固定方式依賴很小，所以共模振動的等效剛度會略小于差模振動，造成差模振動更容易起振。所以有必要設計特殊結構的諧振音叉以避免此類情況的發(fā)生。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種具有強自耦合特性的諧振音叉結構，該結構有效地增加音叉共模振動的等效剛度，使諧振音叉的差模諧振頻率小于共模諧振頻率，從而使諧振音叉的工作更加穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明的技術解決方案一種具有強自耦合特性的諧振音叉結構，其特占在于包括用于音叉同周圍固定連接的兩個三角相對放置的對稱的上三角形基座和下三角形基座，兩個對稱的位于上三角形基座中的上隔振孔和位于下三角形基座中的下隔振孔，左右兩個對稱的上諧振梁支撐底座位于上隔振孔下端，左右兩個對稱下的諧振梁支撐底座位于下隔振孔的上端，左右兩根對稱的諧振梁位于整個音叉結構的中間，構成諧振音叉，并通過左右兩個上諧振梁支撐底座和左右兩個下諧振梁支撐底座支撐于上三角形基座和下三角形基座之間。
本發(fā)明工作原理由于有上下三角形支撐底座的支撐效應，一方面使結構的力能有效的傳導到諧振音叉的軸向，改變音叉的諧振頻率；另一方面三角結構支撐可以有效地增加音叉共模振動的等效剛度，從而使共模振動頻率顯著增加。上下隔振孔起到兩個作用一是形成一個能陷結構，使得諧振音叉的振動能量—尤其是差模振動能量—限制在兩根諧振梁內部，而不能與周圍支撐結構發(fā)生振動耦合；二是顯著降低差模振動的等效剛度，從而使差模振動的諧振頻率顯著降低。上下諧振梁支撐底座使諧振梁的邊界支撐應力可靠、高效的傳遞到另一根梁上，從而最終形成很強的振動耦合，使兩根諧振梁的振動保持很好的差動效果。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點本發(fā)明采用了上下三角形支撐底座，上下隔振孔，使諧振能量限制在諧振梁內部，并顯著降低差模振動的等效剛度，從而使諧振音叉的差模諧振頻率小于共模諧振頻率，使諧振音叉的工作更加穩(wěn)定可靠。而且采用上下三角形諧振梁支撐底座，可以加強兩個諧振梁的振動耦合，從而使諧振音叉穩(wěn)定工作在差模振動狀態(tài)，并進一步增加共模振動的等效剛度。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的諧振音叉差模振動振型示意圖；圖3為本發(fā)明的諧振音叉共模振動振型示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括用于音叉同周圍固定連接的兩個三角相對放置的對稱的上三角形基座1和下三角形基座2，位于上三角形基座1中的上隔振孔3和位于下三角形基座2中的下隔振孔4，上隔振孔3和下隔振孔4相對稱；左右兩個對稱的上諧振梁支撐底座5、6位于上隔振孔3下端，左右兩個對稱下的諧振梁支撐底座7、8位于下隔振孔4的上端，左右兩根對稱的諧振梁9、10位于整個音叉結構的中間，構成諧振音叉，并通過左右兩個上諧振梁支撐底座5、6和左右兩個下諧振梁支撐底座7、8支撐于上三角形基座1和下三角形基座2之間，并與上三角基座1和下三角基座2剛性連接，兩個諧振梁9、10的厚度相同。
如圖1所示，上隔振孔3與左右兩個上諧振梁支撐底座5、6根部的距離為0.05-1倍兩個諧振梁9、10的厚度，下隔振孔4與左右兩個下諧振梁支撐底座7、8根部的距離為0.05-1倍兩個諧振梁9、10的厚度；且上隔振孔3和下隔振孔4兩側距離上三角形基座1和下三角形基座2邊沿的最小距離控制在0.05-1倍兩個諧振梁9、10的厚度范圍內，用以更好地隔絕諧振梁振動和周圍固定結構的振動能量傳輸，降低諧振音叉差模振動的等效剛度，達到進一步降低諧振音叉差模振動的諧振頻率的目的。上隔振孔3和下隔振孔4的寬度控制在0.05-0.1倍兩個諧振梁9、10的厚度范圍內。
如圖2、3所示分別為此類諧振音叉的差模振動模態(tài)和公模振動模態(tài)的振型示意圖。此類諧振音叉通過一系列的特殊結構設計，使得公模振動模態(tài)，如圖2所示的諧振頻率遠遠大于差模振動模態(tài)，如圖3所示的諧振頻率，從而使得此類諧振音叉的工作可靠性得到大大提高。并且解決了諧振體與周圍支撐結構之間的振動耦合問題。
權利要求
1.一種具有強自耦合特性的諧振音叉結構，其特征在于包括用于音叉同周圍固定連接的兩個三角相對放置的對稱的上三角形基座(1)和下三角形基座(2)，兩個對稱的位于上三角形基座(1)中的上隔振孔(3)和位于下三角形基座(2)中的下隔振孔(4)，左右兩個對稱的上諧振梁支撐底座(5、6)位于上隔振孔(3)下端，左右兩個對稱下的諧振梁支撐底座(7、8)位于下隔振孔(4)的上端，左右兩根對稱的諧振梁(9、10)位于整個音叉結構的中間，構成諧振音叉，并通過左右兩個上諧振梁支撐底座(5、6)和左右兩個下諧振梁支撐底座(7、8)支撐于上三角形基座(1)和下三角形基座(2)之間。
2.根據權利要求1所述具有強自耦合特性的諧振音叉結構，其特征在于所述的上有隔振孔(3)與左右兩個上諧振梁支撐底座(5、6)根部的距離為0.05-1倍兩個諧振梁(9、10)的厚度；所述的下有隔振孔(4)與左右兩個下諧振梁支撐底座(7、8)根部的距離為0.05-1倍兩個諧振梁(9、10)的厚度。
3.根據權利要求1或2所述具有強自耦合特性的諧振音叉結構，其特征在于所述的上隔振孔(3)兩側距離上三角形基座(1)，及下隔振孔(4)距離下三角形基座(2)邊沿的最小距離分別控制在0.05-1倍兩個諧振梁(9、10)的厚度范圍內。
4.根據權利要求1或2所述具有強自耦合特性的諧振音叉結構，其特征在于所述上隔振孔(3)和下隔振孔(4)的寬度控制在0.05-0.1倍兩個諧振梁(9、10)的厚度范圍內。
5.根據權利要求1所述具有強自耦合特性的諧振音叉結構，其特征在于所述的上下支撐底座(5、6、7、8)將兩個諧振梁(9、10)與上下三角基座(1、2)剛性連接。
6.根據權利要求1所述具有強自耦合特性的諧振音叉結構，其特征在于所述的兩個諧振梁(9、10)的厚度相同。
全文摘要
一種具有強自耦合特性的諧振音叉結構，包括用于音叉同周圍固定連接的兩個三角相對放置的對稱的上三角形基座(1)和下三角形基座(2)，兩個對稱的位于上三角形基座(1)中的上隔振孔(3)和位于下三角形基座(2)中的下隔振孔(4)，左右兩個對稱的上諧振梁支撐底座(5、6)位于上隔振孔(3)下端，左右兩個對稱的下諧振梁支撐底座(7、8)位于下隔振孔(4)的上端，左右兩根對稱的諧振梁(9、10)位于整個音叉結構的中間，構成諧振音叉，并通過左右兩個上諧振梁支撐底座(5、6)和左右兩個下諧振梁支撐底座(7、8)支撐于上三角形基座(1)和下三角形基座(2)之間。本發(fā)明有效地增加音叉共模振動的等效剛度，使諧振音叉的差模諧振頻率小于共模諧振頻率，從而使諧振音叉的工作更加穩(wěn)定可靠。
文檔編號G01D5/00GK101083459SQ200710118689
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月12日 優(yōu)先權日2007年7月12日
發(fā)明者樊尚春, 莊海涵, 郭占社 申請人:北京航空航天大學