本發(fā)明屬于微型機(jī)械電子(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微型差動(dòng)式全石英諧振加速度計(jì)。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，加速度計(jì)在飛行控制、武器的穩(wěn)姿穩(wěn)瞄系統(tǒng)、無(wú)人駕駛系統(tǒng)、汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化控制和機(jī)械特性檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛多的應(yīng)用。處于當(dāng)今這樣一個(gè)信息大爆炸的時(shí)代，信息獲取的速度和準(zhǔn)確度，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的高精度控制和可靠運(yùn)轉(zhuǎn)都起著重要的作用。加速度信號(hào)作為其中的重要信息之一，為整個(gè)系統(tǒng)提供必需的重要信息，因此加速度計(jì)的精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的高精度運(yùn)轉(zhuǎn)起著舉足輕重的作用。諧振式加速度計(jì)具有靈敏度高、帶寬大以及響應(yīng)速度快等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足對(duì)設(shè)備系統(tǒng)在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求，對(duì)我國(guó)的裝備制造業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。目前常用的采用微機(jī)電加工的傳感器主要分為壓阻式和電容式。壓阻式傳感器通過(guò)具有壓阻效應(yīng)的電阻和具有一定結(jié)構(gòu)的梁-質(zhì)量塊來(lái)感應(yīng)加速度，電容式加速度傳感器則是通過(guò)改變電容極板的面積或者距離來(lái)感應(yīng)加速度。以上兩種常用的加速度傳感器輸出的均是模擬信號(hào)，后處理電路復(fù)雜，靈敏度低，存在模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差，而且不能直接與高精度的數(shù)字系統(tǒng)相結(jié)合。相比壓阻式和電容式的加速度傳感器，諧振式加速度傳感器其輸出信號(hào)是頻率信號(hào)，具有精度高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。目前也有少量的諧振式硅微加速度傳感器，雖然此類傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，由于采用硅材料進(jìn)行加工，振頻率低、靈敏度差、品質(zhì)因數(shù)Q值低。一部分加速度計(jì)也采用了差動(dòng)的結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致加工工藝繁瑣，加工難度大?？傊?，現(xiàn)有的加速度計(jì)普遍存在模擬輸出，靈敏度低，加工復(fù)雜等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有加速度計(jì)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種微型差動(dòng)式全石英諧振加速度計(jì)，具有數(shù)字信號(hào)輸出、分辨率高和抗干擾性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種微型差動(dòng)式全石英諧振加速度計(jì)，包括外圍的支撐框架1,支撐框架1與其內(nèi)部的質(zhì)量塊2通過(guò)敏感方向SA設(shè)置的柔性支撐彈簧5-a、5-b、5-c、5-d連接，柔性支撐彈簧每側(cè)兩個(gè)，對(duì)稱布置，在質(zhì)量塊2的敏感方向SA中軸線部位，開(kāi)有一對(duì)完全貫通的第一空槽4和第二空槽6，第一石英振梁3和第二石英振梁7分別位于第一空槽4和第二空槽6內(nèi)，第一石英振梁3、第二石英振梁7兩端分別與支撐框架1和質(zhì)量塊2相連接，且左右對(duì)稱，第一石英振梁3和第二石英振梁7上表面布有電極，電極位于質(zhì)量塊2的敏感方向SA中軸線上，通電之后電極能夠按照預(yù)定模態(tài)振動(dòng)，通過(guò)質(zhì)量塊2感應(yīng)到加速度的輸入，然后通過(guò)第一石英振梁3和第二石英振梁7的差動(dòng)變化頻率，由頻率檢測(cè)電路把加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，完成對(duì)加速度的感應(yīng)與測(cè)量。

所述的第一空槽4和第二空槽6的寬度為500微米以上。

所述的質(zhì)量塊2與支撐框架1之間有200微米的運(yùn)動(dòng)間隙。

所述的第一石英振梁3和第二石英振梁7寬度為80微米，厚度為40微米，長(zhǎng)度為2000微米，第一石英振梁3和第二石英振梁7通過(guò)干法刻蝕工藝加工獲得，第一石英振梁3和第二石英振梁7的振動(dòng)模態(tài)相同，頻率相同。

所述的柔性支撐彈簧5每仄線條寬度為35微米，長(zhǎng)度為1900微米，厚度為360微米，線條間距為40微米，在敏感方向SA上，柔性支撐彈簧5的剛度小，容易發(fā)生形變，在非敏感方向，柔性支撐彈簧5的剛度大，不易發(fā)生形變。

本發(fā)明的有益效果為：

當(dāng)加速度作用于加速度計(jì)時(shí)，質(zhì)量塊2在慣性力作用下，發(fā)生平動(dòng)，第一石英振梁3和第二石英振梁7發(fā)生微弱的變形，構(gòu)成差動(dòng)形式。將第一石英振梁3和第二石英振梁7的諧振頻率相減，得到差動(dòng)頻率變化值，通過(guò)檢測(cè)差動(dòng)的頻率變化值就能夠得到加速度的大小。差動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式能夠減少非敏感方向的輸入信號(hào)對(duì)輸出結(jié)果的影響，提高加速度計(jì)的抗干擾能力。由于采用石英作為材料，利用了石英單晶的壓電特性和頻率穩(wěn)定性高的特性，所以本發(fā)明具有體積小，重量小，數(shù)字信號(hào)輸出、分辨率高和抗干擾性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的A-A截面示意圖。

圖3為圖1的B-B截面示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1、圖2和圖3，一種微型差動(dòng)式全石英諧振加速度計(jì)，包括外圍的支撐框架1,支撐框架1與其內(nèi)部的質(zhì)量塊2通過(guò)敏感方向SA設(shè)置的柔性支撐彈簧5-a、5-b、5-c、5-d連接，柔性支撐彈簧每側(cè)兩個(gè)，對(duì)稱布置，在質(zhì)量塊2的敏感方向SA中軸線部位，開(kāi)有一對(duì)完全貫通的第一空槽4和第二空槽6，第一石英振梁3和第二石英振梁7分別位于第一空槽4和第二空槽6內(nèi)，第一石英振梁3、第二石英振梁7兩端分別與支撐框架1和質(zhì)量塊2相連接，且左右對(duì)稱，第一石英振梁3和第二石英振梁7上表面布有電極，電極位于質(zhì)量塊2的敏感方向SA中軸線上，通電之后電極能夠按照預(yù)定模態(tài)振動(dòng)，通過(guò)質(zhì)量塊2感應(yīng)到加速度的輸入，然后通過(guò)第一石英振梁3和第二石英振梁7的差動(dòng)變化頻率，由頻率檢測(cè)電路把加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，完成對(duì)加速度的感應(yīng)與測(cè)量。

所述的第一空槽4和第二空槽6的寬度為500微米以上。

所述的質(zhì)量塊2與支撐框架1之間有200微米的運(yùn)動(dòng)間隙，當(dāng)有加速度時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律，質(zhì)量塊2在慣性力的作用下要產(chǎn)生一定位移，第一石英振梁3和第二石英振梁7發(fā)生微弱的變形，這種變形導(dǎo)致這對(duì)石英振梁一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，構(gòu)成差動(dòng)形式。

所述的第一石英振梁3和第二石英振梁7寬度為80微米左右，厚度為40微米左右，長(zhǎng)度為2000微米左右，第一石英振梁3和第二石英振梁7通過(guò)干法刻蝕工藝加工獲得，這樣可以保證第一石英振梁3和第二石英振梁7具有相同的結(jié)構(gòu)尺寸和力頻特性，使第一石英振梁3和第二石英振梁7的差動(dòng)振動(dòng)頻率更準(zhǔn)確的、客觀的反應(yīng)加速度的大小。

所述的柔性支撐彈簧5每仄線條寬度為35微米左右，長(zhǎng)度為1900微米左右，厚度為360微米左右，線條間距為40微米左右，在敏感方向SA上，柔性支撐彈簧5的剛度小，容易發(fā)生形變，使第一石英振梁3和第二石英振梁7能夠靈敏的感受外界施加的加速度，在非敏感方向，柔性支撐彈簧5的剛度大，不易發(fā)生形變，有效地減小外界施加的加速度對(duì)第一石英振梁3和第二石英振梁7的影響；同時(shí)，采用差動(dòng)頻率的輸出方式，能夠有效地降低交叉靈敏度，加速度計(jì)的零漂和溫漂，提高加速度計(jì)的性能。

本發(fā)明的工作原理是：

石英單晶具有壓電特性，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電極，通過(guò)外部震蕩電路使第一石英振梁3和第二石英振梁7發(fā)生共振。當(dāng)加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊2作為加速度的敏感質(zhì)量塊，根據(jù)牛頓第二定律，當(dāng)加速度作用于敏感方向SA時(shí)，質(zhì)量塊2在慣性力的作用發(fā)生平動(dòng)，導(dǎo)致位于質(zhì)量塊2和支撐框架1兩側(cè)的柔性支撐彈簧5一側(cè)承受壓力，發(fā)生壓縮形變，另一側(cè)承受拉力，發(fā)生拉伸形變，第一石英振梁3和第二石英振梁7發(fā)生微弱的變形，這種變形導(dǎo)致這對(duì)石英振梁一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，構(gòu)成差動(dòng)形式。受力會(huì)導(dǎo)致石英振梁的內(nèi)應(yīng)力變化，應(yīng)力的變化致使諧振頻率發(fā)生改變，改變的大小與加速度成正比，將第一石英振梁3和第二石英振梁7的諧振頻率相減，得到差動(dòng)頻率變化值，這一變化通過(guò)頻率檢測(cè)電路轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)傳感器芯片的加速度－頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換，完成對(duì)加速度的數(shù)字化測(cè)量。

差動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式能夠減少非敏感方向的輸入信號(hào)對(duì)輸出結(jié)果的影響，提高加速度計(jì)的抗干擾能力。因此本發(fā)明采用石英作為材料，利用了石英單晶的壓電特性和頻率穩(wěn)定性高，具有體積小，重量小，數(shù)字信號(hào)輸出、分辨率高和抗干擾性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。