本發(fā)明屬于微型機(jī)械電子(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石英一體式諧振加速度計(jì)。

背景技術(shù)：

加速度計(jì)作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的重要部分，在飛行控制如航空、航天、航海以及武器的穩(wěn)姿、穩(wěn)瞄系統(tǒng)如智能炮彈、火箭、導(dǎo)彈和無(wú)人軍事系統(tǒng)如無(wú)人軍事飛機(jī)、無(wú)人軍事潛艇等軍工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部處理的一般都是數(shù)字信號(hào)，因此隨著商業(yè)以及國(guó)防等領(lǐng)域的導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，能夠直接嵌入導(dǎo)航系統(tǒng)的具有數(shù)字信號(hào)輸出的諧振式加速度傳感器正逐漸引起越來(lái)越多的注意力。諧振式加速度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加速度的數(shù)字化測(cè)量，其輸出的是頻率準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，能夠直接嵌入復(fù)雜的導(dǎo)航系統(tǒng)，從而消除了由數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)帶來(lái)的誤差，提高了導(dǎo)航精度。微數(shù)字諧振式加速度計(jì)是采用MEMS工藝制作的具有尺寸小、響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)的加速度計(jì)。傳統(tǒng)形式微型加速度傳感器主要有的壓阻式和電容式，與以上兩種相比，諧振式加速度計(jì)直接輸出準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，能直接與高精度的數(shù)字系統(tǒng)相結(jié)合，避免了后處理電路的A/D轉(zhuǎn)換模塊，消除了模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差，后處理電路簡(jiǎn)單，靈敏度高，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。總之，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石英一體式諧振加速度計(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：

一種石英一體式諧振加速度計(jì)，包括外圍的支撐框架1,支撐框架1通過(guò)第一柔性鉸鏈5和第三柔性鉸鏈7分別與第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4的一端相連，第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4的另一端分別通過(guò)第二柔性鉸鏈6、第四柔性鉸鏈8和質(zhì)量塊2連接，第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4位于加速度計(jì)的敏感方向SA上，第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4靠近支撐框架1邊框的一端分別和第一石英振梁9和第二石英振梁10的一端連接，第一石英振梁9和第二石英振梁10的另一端和支撐框架1連接，第一石英振梁9和第二石英振梁10上表面布有電極，第一石英振梁9和第二石英振梁10分別位于完全貫通的第一空槽11和第二空槽12內(nèi)，第一空槽11和第二空槽12分別位于支撐框架1的一組對(duì)角上，石英一體式諧振加速度計(jì)成中心對(duì)稱。

所述的支撐框架1為正方形，邊長(zhǎng)為7000微米，上下邊框?qū)挾葹?50微米，左右邊框的寬度為900微米。

所述的質(zhì)量塊2為正方形，邊長(zhǎng)為5000微米，質(zhì)量塊2與支撐框架1、第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)之間存在間隙，間隙為100微米，當(dāng)有加速度作用時(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9和第二石英振梁10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。

所述的第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4的寬度為350微米，長(zhǎng)度為5500微米，厚度為360微米，力放大倍數(shù)為15-20。

所述的第一柔性鉸鏈5、第二柔性鉸鏈6、第三柔性鉸鏈7和第四柔性鉸鏈8長(zhǎng)度為200微米，寬度為50微米，厚度為360微米，整體形狀呈平板狀，在Z軸方向不容易發(fā)生變形。

所述的第一石英振梁9和第二石英振梁10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9和第二石英振梁10通過(guò)干法刻蝕工藝加工獲得，第一石英振梁9和第二石英振梁10的振動(dòng)模態(tài)相同，頻率相同。

所述的第一空槽11和第二空槽12的寬度為300微米以上。

本發(fā)明的有益效果為：

當(dāng)加速度作用于敏感方向SA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9和第二石英振梁10總是一者承受拉力，另一者承受壓力，且力的大小相等，形成差動(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；通過(guò)柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)提高加速度計(jì)的靈敏度；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。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)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

參照?qǐng)D1、圖2和圖3，一種石英一體式諧振加速度計(jì)，包括外圍的支撐框架1,支撐框架1通過(guò)第一柔性鉸鏈5和第三柔性鉸鏈7分別與第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4的一端相連，第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4的另一端分別通過(guò)第二柔性鉸鏈6、第四柔性鉸鏈8和質(zhì)量塊2連接，第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4位于加速度計(jì)的敏感方向SA上，第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4靠近支撐框架1邊框的一端分別和第一石英振梁9和第二石英振梁10的一端連接，第一石英振梁9和第二石英振梁10的另一端和支撐框架1連接，第一石英振梁9和第二石英振梁10上表面布有電極，第一石英振梁9和第二石英振梁10分別位于完全貫通的第一空槽11和第二空槽12內(nèi)，第一空槽11和第二空槽12分別位于支撐框架1的一組對(duì)角上，石英一體式諧振加速度計(jì)成中心對(duì)稱，通過(guò)質(zhì)量塊2感應(yīng)到加速度的輸入，然后通過(guò)第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4將由外界加速度引起的力放大，再分別施加到第一石英振梁9和第二石英振梁10上，第一石英振梁9和第二石英振梁10上的頻率相減求得差動(dòng)頻率，檢測(cè)差動(dòng)的頻率變化值就能夠得到加速度的大小，完成對(duì)加速度的感應(yīng)與測(cè)量。

所述的支撐框架1為正方形，邊長(zhǎng)為7000微米，上下邊框?qū)挾燃s為450微米，左右邊框的寬度約為900微米。

所述的質(zhì)量塊2為正方形，邊長(zhǎng)為5000微米，質(zhì)量塊2與支撐框架1、第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)之間存在間隙，間隙為100微米，當(dāng)有加速度作用時(shí)，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9和第二石英振梁10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。

所述的第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4的寬度為350微米，長(zhǎng)度為5500微米，厚度為360微米，力放大倍數(shù)為15-20。

所述的第一柔性鉸鏈5、第二柔性鉸鏈6、第三柔性鉸鏈7和第四柔性鉸鏈8長(zhǎng)度為200微米，寬度為50微米，厚度為360微米，整體形狀呈平板狀，抗剪切能力強(qiáng)，在Z軸方向不容易發(fā)生變形，減小交叉靈敏度，有助于提高整個(gè)加速度計(jì)的性能。

所述的第一石英振梁9和第二石英振梁10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9和第二石英振梁10通過(guò)干法刻蝕工藝加工獲得，第一石英振梁9和第二石英振梁10的振動(dòng)模態(tài)相同，頻率相同，側(cè)壁平整度和粗糙度更加優(yōu)良，這樣可以保證第一石英振梁9和第二石英振梁10具有相同的結(jié)構(gòu)尺寸和力頻特性，側(cè)壁使第一石英振梁9和第二石英振梁10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。

所述的第一空槽11和第二空槽12的寬度為300微米以上。

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9和第二石英振梁10的上表面布置電極，通過(guò)外部震蕩電路使第一石英振梁9和第二石英振梁10發(fā)生共振，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)，質(zhì)量塊2在慣性力作用下，發(fā)生平動(dòng)，在第二柔性鉸鏈6和第四柔性鉸鏈8處同時(shí)有力輸入，并且這對(duì)力一者為拉力，另一者為壓力，這對(duì)拉壓力分別被第一柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)3和第二柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)4放大后，又分別傳遞到第一石英振梁9和第二石英振梁10。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。由于第一石英振梁9和第二石英振梁10總是一者承受拉力，另一者承受壓力，且力的大小相等，將兩者的諧振頻率相減，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，通過(guò)柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)提高傳感器的靈敏度。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)。