專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)误w加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單體加速度傳感器，由一個(gè)固定部、一個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部和一個(gè)諧振子組成，諧振子有兩端，其中一端與可動(dòng)質(zhì)量部連接。
本傳感器可用于例如差分輸出加速度計(jì)，尤其是本發(fā)明提供一種低成本的微型加速度計(jì)，可用于例如航空器和直升機(jī)導(dǎo)航，可用于導(dǎo)引導(dǎo)彈，并可用于地面車(chē)輛的主動(dòng)懸浮(active suspension)。
構(gòu)成本發(fā)明所述傳感器響應(yīng)元件的諧振子優(yōu)選形式是一個(gè)可彎曲或可扭曲的壓電材料振動(dòng)葉片。當(dāng)作為慣性質(zhì)量的可動(dòng)質(zhì)量部受到加速度作用時(shí)，其葉片的振動(dòng)頻率高度敏感于縱向施加于其上的伸張或壓縮力。葉片的伸張或壓縮被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，由該振動(dòng)片所承載并與例如一個(gè)振蕩電路連接的多個(gè)電極采集。在振蕩電路的輸出端產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，其頻率變化表示加速度變化。
與傳統(tǒng)的具有模擬輸出(例如電壓)的加速度傳感器相比，具有頻率輸出的加速度計(jì)性能更好，因?yàn)轭l率易于以數(shù)字形式進(jìn)行處理。
另一個(gè)重要特點(diǎn)是本傳感器的單體特征，能使微型傳感器通過(guò)化學(xué)加工工藝以相當(dāng)?shù)偷某杀局谱?，并能提高產(chǎn)品性能，因?yàn)槎鄠€(gè)元件的組裝過(guò)程通常會(huì)構(gòu)成對(duì)非單體傳感器的主要制約。
最常用來(lái)制造單體傳感器的材料是石英和硅，它們以其非常穩(wěn)定的機(jī)械特性而備受青睞。
如同一申請(qǐng)人的法國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2685964所述，

圖1所示的加速度計(jì)CA′的本體是單一體，由壓電晶體，例如石英經(jīng)化學(xué)加工制成。加速度計(jì)CA′本體通常為平行六面體，包括一個(gè)固定于基座ba上的固定質(zhì)量部1、一個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部2、兩個(gè)振動(dòng)葉片31和32及兩個(gè)柔性鉸鏈441及442。加速度計(jì)CA′的本體繞中央縱軸Z′Z對(duì)稱(chēng)。
所述葉片31是一個(gè)具有小矩形截面的梁形件，它的彎曲振動(dòng)由兩個(gè)極性相反的金屬電極341及342壓電激勵(lì)。這些電極由光刻工藝印制到葉片的縱向外側(cè)面，并終止于固定質(zhì)量部1的相應(yīng)面F1上，其兩個(gè)導(dǎo)電片331和332由兩根導(dǎo)線391及392連接至振蕩器電路51的兩個(gè)初始端。在固定部1的反面F2和葉片32上同樣設(shè)置電極和導(dǎo)電片，連接至第二振蕩電路52。
兩個(gè)振蕩電路51及52的輸出端連接到一個(gè)包括頻率減法器電路6和頻率計(jì)7的差分頻率測(cè)量裝置，頻率計(jì)7測(cè)出的頻率值(f1-f2)表示被測(cè)的加速度。
參照已有技術(shù)加速度計(jì)CA′的機(jī)械設(shè)計(jì)，其兩個(gè)鉸鏈441及442在垂直于本體中剖面pm的敏感方向DS上是可彎曲的。如果加速計(jì)在此敏感方向DS上承受一個(gè)加速度，葉片31及32就會(huì)伸展和壓縮，即它們經(jīng)受了與加速度成比例方向相反的軸向力。因而引起兩個(gè)葉片產(chǎn)生相反符號(hào)的頻率變化，如果兩個(gè)葉片相同，其頻率變化的幅度也相同。另一方面，不真實(shí)的輸入信號(hào)幅度，例如由溫度，在兩個(gè)葉片上產(chǎn)生共模效果，其頻率變化符號(hào)相同。差分輸出(f1-f2)的優(yōu)點(diǎn)是衰減了敏感方向DS上加速度之外的輸入信號(hào)幅度。
鉸鏈441及442特別的階梯形狀，使得可以對(duì)本體CA′進(jìn)行單步驟化學(xué)加工，距平行于平板pm的傳感器本體兩表面F1及F2的加工深度相同。
已有技術(shù)的傳感器CA′的機(jī)械設(shè)計(jì)有缺陷，尤其是有關(guān)兩個(gè)葉片31及32的振動(dòng)。首先，機(jī)械載荷，如兩個(gè)葉片31及32“裝入”固定質(zhì)量部1處且由它們振動(dòng)產(chǎn)生的彎曲力矩和剪切力，造成向附加于其上的基座ba的振動(dòng)機(jī)械能耗散，因而降低了兩葉片31及32各自的振動(dòng)品質(zhì)因數(shù)Q值。其次，兩個(gè)葉片“裝入”可動(dòng)質(zhì)量部2之處及其振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械載荷，使所述可動(dòng)質(zhì)量部產(chǎn)生與兩葉片31及32振動(dòng)頻率相同的小幅度振動(dòng)位移。這導(dǎo)致了兩個(gè)葉片振動(dòng)之間的機(jī)械耦合，從而干擾了它們的振動(dòng)。這兩個(gè)缺陷影響了被測(cè)差頻(f1-f2)的精確度并影響了由其得出的加速度數(shù)值。
圖2所示為專(zhuān)利申請(qǐng)WO 89/10568中公開(kāi)的第二種單體傳感器，該傳感器本體由化學(xué)加工的硅片制成，包括一個(gè)固定部21，一個(gè)慣性質(zhì)量部22和三個(gè)以熱-機(jī)方式激勵(lì)的可彎曲振動(dòng)諧振子(弦)23，24及25，例如采用在每個(gè)諧振子上利用離子注入而獲得的加熱器元件(未示明)。這第二種已有技術(shù)傳感器的敏感方向垂直于硅片表面。傳感器的輸出信號(hào)是三個(gè)諧振子23，24及25的頻率值的線性組合函數(shù)，與垂直于敏感方向的加速度無(wú)關(guān)。
第二種已有技術(shù)的傳感器的主要缺點(diǎn)是三個(gè)諧振子振動(dòng)之間的機(jī)械耦合，這影響了傳感器的精確度。
圖3表示英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2162314公開(kāi)的由化學(xué)加工硅片獲得的第三種單體傳感器。該第三種傳感器包括一具有柔性薄部15的支持框架11和一個(gè)諧振子，諧振子的形式為兩根反相振弦12組成的雙端調(diào)諧叉和連接在支持框架上的兩個(gè)根部13和14。根部14連接到支持框架的固定部16，另一根部13連接到支持框架構(gòu)成慣性質(zhì)量的U形可動(dòng)部17。固定部16與可動(dòng)部17由構(gòu)成鉸鏈的柔性薄部15連接在一起。
第三種已有技術(shù)的傳感器的第一個(gè)缺點(diǎn)是對(duì)于可動(dòng)部17的小質(zhì)量來(lái)說(shuō)，兩根振弦12的振動(dòng)機(jī)械能吸收不足。
第三種已有技術(shù)的傳感器的第二個(gè)缺點(diǎn)是慣性質(zhì)量17的連接部15的位置，在溫度快速變化的情況下有損于傳感器的熱-機(jī)性能。在此情況下，固定部16的溫度θ1和慣性質(zhì)量17的溫度θ2之間出現(xiàn)差值，因?yàn)檫@兩部分是由諧振子12和連接部15連接起來(lái)的，而這兩部分的截面小，可以看作為熱濾波器。諧振子12的平均溫度大致相當(dāng)于連接部15的平均值，約等于(θ1+θ2)/2。連接部15的位置，平行于振弦12，在垂直方向上與諧振子根部14大體上共線，因而U形慣性質(zhì)量部17的平行分支使諧振子總長(zhǎng)度增加。于是，由于諧振子與支持框架11的熱膨脹不平衡，引起了諧振子伸張或壓縮的機(jī)械應(yīng)力，產(chǎn)生頻率變化，被不正確地當(dāng)作加速度。
圖4表示已有技術(shù)的諧振子，用于一種恒溫控制的振蕩器，其特征為低能耗與快速加熱，如法國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2688954所述。與前文所述已有技術(shù)的傳感器不同，這種諧振子被設(shè)計(jì)為傳遞一種信號(hào)，具有盡可能穩(wěn)定的頻率，因此必須對(duì)加速度相對(duì)地不敏感。于是，這種諧振子的函數(shù)與已有發(fā)明的傳感器的那些函數(shù)不同。
從結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)來(lái)看，圖4所示的諧振子包括一個(gè)中心部R1和一個(gè)以小徑向間距圍繞中心部形成一個(gè)環(huán)的外圍部R2，通過(guò)一個(gè)其內(nèi)形成開(kāi)口的中間部R4與外圍部R2相連。外圍部R2由中間部R4的固體部構(gòu)成的單連接橋R3連接到中心部R1，連接橋?qū)挾葍H占中間部R4很小的部分。
中心部R1構(gòu)成諧振子的主動(dòng)振動(dòng)部，外圍部R2由附加固定裝置R5，例如位于外圍部R2上關(guān)于主動(dòng)中心部R1與單連接橋R3相對(duì)區(qū)域的夾持件，將其固定在一個(gè)殼內(nèi)。
具有單連接橋的這種實(shí)施例疏導(dǎo)被導(dǎo)引的熱通量，并由連接橋R3水平位上的溫度傳感器R7和加熱器元件R6實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振子溫度的良好控制。主動(dòng)中心部R1在厚度方向剪切作用下的振動(dòng)頻率為10MHz數(shù)量級(jí)。振動(dòng)機(jī)械能由中心部?jī)蓚€(gè)主面的至少其中之一的凸出形狀吸收于中心部之內(nèi)。
本發(fā)明的主要目的在于改進(jìn)前述已有技術(shù)傳感器的不足，提供一種在前序部分所述的單體傳感器，尤其是差分加速度計(jì)，它的幾何結(jié)構(gòu)可避免從諧振子到傳感器固定部的振動(dòng)機(jī)械能耗散。其諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q值不會(huì)降低，與另一個(gè)類(lèi)似的諧振子的機(jī)械耦合被消除，從而改善了加速度計(jì)的精確度。
相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的傳感器的特征在于它包括一個(gè)緊固于所述諧振子另一端的第二可動(dòng)質(zhì)量部，一個(gè)圍繞所述兩個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部的柔性框架，一個(gè)將該框架連接到第二可動(dòng)質(zhì)量部的第一連接件和一個(gè)將該框架連接到固定部的第二連接件。
從而，框架的變形能力和框架內(nèi)的兩個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部的位置提供了在諧振子和傳感器固定部之間的機(jī)械濾波器，這個(gè)固定部實(shí)際上不受來(lái)自諧振子的振動(dòng)作用。因此諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q值沒(méi)有實(shí)際的降低，從而相應(yīng)地提高了傳感器提供的測(cè)量精度。
根據(jù)一個(gè)較好的實(shí)施例，柔性框架是矩形的，包括兩個(gè)與諧振子大致平行的邊框和另兩個(gè)與諧振子大致垂直的邊框，它們分別由第一和第二連接件相應(yīng)地連接到第二可動(dòng)質(zhì)量部和固定部，第一連接件的寬度小于第二可動(dòng)質(zhì)量部的寬度，第二連接件的寬度小于其他邊框的長(zhǎng)度，這些寬度為其他邊框縱向的寬度，這些連接件至少其中之一的截面尺寸與框架邊框截面尺寸具有同樣數(shù)量級(jí)。
為了獲得機(jī)械濾波器的最大效率，兩個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部、諧振子、柔性框架和兩個(gè)連接件最好有一個(gè)與框架平面垂直的共同對(duì)稱(chēng)平面，兩個(gè)連接件分別位于框架和對(duì)稱(chēng)平面的截面處。
根據(jù)本發(fā)明的其他特點(diǎn)，傳感器的單體包括兩個(gè)共面的葉片，每個(gè)葉片的端部分別緊固于兩個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部，諧振子的每一側(cè)配置一個(gè)。這些葉片的長(zhǎng)度大體上小于諧振子長(zhǎng)度，以增加傳感器的機(jī)械耐用性。這些葉片位于諧振子長(zhǎng)度方向的中部以防止溫度迅速變化引起有害的機(jī)械應(yīng)力。
為了用一道化學(xué)工序加工均厚板材制成傳感器單體，這些葉片與上述板材的一個(gè)面齊平，即，至少與可動(dòng)質(zhì)量部有一個(gè)共同的平面；諧振子與上述板材的另一個(gè)面齊平，即，另一面至少與可動(dòng)質(zhì)量部共面；并且諧振子與這些葉片在可動(dòng)質(zhì)量部的厚度方向上具有共同的寬度。
固定部可以置于框架內(nèi)以進(jìn)一步減小傳感器的體積。
本發(fā)明也涉及一種包括兩個(gè)本發(fā)明加速度傳感器的差分輸出加速度計(jì)。第二傳感器的位置由第一傳感器繞一條軸線旋轉(zhuǎn)180°導(dǎo)出，該軸線平行于通過(guò)第一傳感器的諧振子端部的軸線，兩個(gè)諧振子的固定部緊固于一個(gè)共同的基體上。
根據(jù)第一個(gè)較好實(shí)施例，這些傳感器關(guān)于一個(gè)平面互相對(duì)稱(chēng)，這個(gè)平面與每一個(gè)傳感器的可動(dòng)質(zhì)量部的共同平面平行。
根據(jù)第二個(gè)較好實(shí)施例，傳感器的固定部、框架和可動(dòng)質(zhì)量部有多個(gè)共同平面，這些傳感器最好繞一條平行于上述共面的軸線互相對(duì)稱(chēng)。
在閱讀過(guò)配有相應(yīng)附圖的若干實(shí)施例的詳細(xì)敘述之后，本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)將更為清晰，這些附圖是
圖1，2和3是三個(gè)已經(jīng)敘述過(guò)的已有技術(shù)傳感器的透視圖；圖4是一個(gè)已經(jīng)敘述過(guò)的已有技術(shù)諧振子的俯視圖；圖5是構(gòu)成本發(fā)明第一實(shí)施例的加速度傳感器的透視圖；圖6A和6B是圖5中的加速度傳感器的前視圖和透視圖，圖中顯示了經(jīng)過(guò)放大的傳感器的諧振子分別受到彎曲振動(dòng)和扭曲振動(dòng)時(shí)傳感器的形變；圖7A，7B和7C是圖5中傳感器諧振子和可動(dòng)部的透視圖，顯示了加速度相應(yīng)三個(gè)空間分量之中每一分量產(chǎn)生的機(jī)械載荷；圖8A，8B和8C是著重于傳感器機(jī)械強(qiáng)度的本發(fā)明其他實(shí)施例的加速度傳感器的透視圖；圖8D是著重于本發(fā)明小型化的一個(gè)另外實(shí)施例的加速度傳感器的透視圖；圖8E是具有振動(dòng)導(dǎo)入裝置的，著重于可彎曲振動(dòng)諧振子，構(gòu)成本發(fā)明另外一個(gè)實(shí)施例的加速度傳感器的透視圖；圖9是本發(fā)明的一個(gè)差分加速度計(jì)的透視圖，由兩個(gè)與圖8E中的傳感器基本相同、具有輔助測(cè)頻裝置的傳感器構(gòu)成；圖10是構(gòu)成本發(fā)明的一個(gè)不同實(shí)施例的差分加速度計(jì)，由在同一板材上加工兩個(gè)傳感器制得。
參見(jiàn)圖5，本發(fā)明的一個(gè)加速度傳感器TA主要包括一個(gè)固定部1，一個(gè)構(gòu)成慣性質(zhì)量的第一可動(dòng)質(zhì)量部2，一個(gè)構(gòu)成敏感元件的諧振子3，一個(gè)第二可動(dòng)質(zhì)量部4，一個(gè)可變形框架5和兩個(gè)連接件6，7。
圖5所示的實(shí)施例中，傳感器TA形成一個(gè)由均厚E、寬L、高H1+H7+H5的單板材料例如硅或石英加工而成的單體。傳感器TA的一般形狀是平行六面體，沿中央的縱軸Z′Z標(biāo)明的高度方向垂直伸展。軸Z′Z位于與單板平面平行的中平面PM和與單板平面垂直的平面PS內(nèi)。平面PS是傳感器的對(duì)稱(chēng)平面。
固定部1形成一個(gè)平行六面體塊，位于傳感器本體縱向的一端，調(diào)整至由基部BA固定于發(fā)動(dòng)機(jī)(圖中未顯示)結(jié)構(gòu)上。固定部1固定于基部BA，例如以膠接方式。
可動(dòng)部2，4一般均為U形，其平行臂與傳感器中央縱軸Z′Z平行，它們的U形內(nèi)空間垂直于Z′Z軸，互相對(duì)置，可動(dòng)部2比可動(dòng)部4距離固定部1更近。在所示的實(shí)施例中，至少可動(dòng)部2，4的寬度L2和L4是相等的。
在所示的實(shí)施例中，諧振子3是一個(gè)平行于Z′Z軸長(zhǎng)度為H3的平行六面體形葉片，其矩形橫截面的厚度為E3，寬度為L(zhǎng)3，分別相應(yīng)地小于其相同方向上的傳感器TA的厚度E和寬度L。諧振子3的端部緊固于相應(yīng)的可動(dòng)部2，4，位于可動(dòng)部?jī)?nèi)空間的相對(duì)平面上。諧振子3面向本體外側(cè)的面與傳感器TA的部件1，2，4的對(duì)應(yīng)大表面共面，亦即板材的相應(yīng)表面。
諧振子3有多個(gè)電極(未畫(huà)出)，使其按其諧振頻率振動(dòng)并與一個(gè)振蕩器和一個(gè)測(cè)頻電路連接。諧振子3最好能彎曲或扭曲振動(dòng)，因?yàn)檫@樣振動(dòng)的頻率在構(gòu)成慣性質(zhì)量的可動(dòng)質(zhì)量部2受到加速度作用時(shí)，對(duì)縱向施加于諧振子的伸張力或壓縮力高度靈敏。
諧振子3可有圖5所示實(shí)施例的平行六面體葉片以外的構(gòu)成形式。例如諧振子3可為在現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)美國(guó)專(zhuān)利4,594,898(KIRMAN等)和美國(guó)專(zhuān)利4,215,570(EER NISSE)中敘述的具有兩或三個(gè)葉片的雙調(diào)音叉形。
關(guān)于使諧振子3振動(dòng)的電極，根據(jù)構(gòu)成傳感器單體材料的性質(zhì)可以有多種構(gòu)成形式，例如在使用壓電材料如石英的情況下，采用同一申請(qǐng)人的2,685,964號(hào)法國(guó)專(zhuān)利中所述的具有兩或三個(gè)導(dǎo)電帶的電極構(gòu)造是有利的。其他傳遞振動(dòng)的方式，例如利用靜電作用的方式也可同樣好地得到應(yīng)用。
關(guān)于諧振子3和將振動(dòng)傳遞給其的電級(jí)，必須理解，本發(fā)明申請(qǐng)的范圍包括這些變異以及更一般的其它類(lèi)似結(jié)構(gòu)。
圖5所示的實(shí)施例中，柔性框架5有一個(gè)矩形的前輪廓，由平行六面體形邊框51，52，53，54構(gòu)成它的四邊。邊框51，52的長(zhǎng)度方向H5平行于Z′Z軸，它們的矩形截面具有相同厚度L51和相同寬度E，分別與傳感器TA的寬度L和厚度E方向相同。邊框53，54的長(zhǎng)度L在傳感器TA的寬度L方向上，與之相同。邊框53位于傳感器縱向與設(shè)置固定部1相對(duì)的一端。邊框54位于固定部1與第一可動(dòng)部2的芯部之間。邊框53，54的矩形截面由平行于Z′Z軸的厚度H53，H54和與傳感器厚度E同方向的相同寬度E限定。
柔性框架5圍繞著可動(dòng)質(zhì)量部2，4，并由連接件6與可動(dòng)部4連接，由連接件7與固定部1連接。
在圖5所示實(shí)施例中，連接件6是平行六面體塊，其三維尺寸H6，L6及E分別與傳感器的Z′Z軸、寬度L和厚度E方向相同。連接件6與框架5的邊框53和第二可動(dòng)部4連接。
連接件7是平行六面體，其三維尺寸H7，L7及E分別與傳感器的Z′Z軸、寬度L和厚度E方向相同。連接件7與框架5的邊框54和第一固定部1連接。
平面PM和PS是連接件6和7的對(duì)稱(chēng)平面。
傳感器TA的單體還包括兩個(gè)相同并共面的平行六面體形葉片81和82，位于諧振子3的兩側(cè)，每個(gè)葉片81和82的端部各自與可動(dòng)部2和4連接。葉片81，82的長(zhǎng)度H8平行于Z′Z軸，大體上小于諧振子的長(zhǎng)度H3，這使葉片具有很高的彎曲強(qiáng)度，可提高傳感器T的機(jī)械強(qiáng)度。葉片的長(zhǎng)度H8一般在H3/10與H3/2之間。
平行于Z′Z軸的葉片81，82的位置最好基本上位于諧振子3長(zhǎng)度方向H3的中間，以使U形可動(dòng)部2和4平行于Z′Z軸的臂部大致等長(zhǎng)。葉片該位置可使諧振子免受傳感器TA溫度不均勻時(shí)的有害機(jī)械應(yīng)力，即傳感器基部BA受到溫度急劇變化影響的情況。在這種情況下，可動(dòng)部2，4的溫升不同，諧振子的平均溫度大致等于葉片81，82的平均溫度，其值大致等于兩個(gè)可動(dòng)部溫度的平均值。
如果這兩個(gè)葉片不是基本位于諧振子3長(zhǎng)度H3方向的中間位置，葉片和可動(dòng)部沿諧振子Z′Z軸方向的熱膨脹將不平衡。這會(huì)引起諧振子的伸張或壓縮機(jī)械應(yīng)力與相應(yīng)的頻率變化，從而被錯(cuò)誤地當(dāng)作加速度。根據(jù)本發(fā)明，葉片大致位于諧振子長(zhǎng)度H3的中間位置，避免了上述缺點(diǎn)。
在圖5的實(shí)施例中，葉片81，82朝向傳感器本體外的平面與可動(dòng)部2，4的一個(gè)共同平面共面，并且更一般地與板材的一個(gè)面共面，諧振子3朝向本體外的側(cè)面與板材的另一面共面。葉片81，82的厚度E8與板材厚度E方向一致，與諧振子厚度E3相同。此外，葉片和諧振子的厚度E3＝E8小于板材厚度E的一半。厚度E3＝E8一般在E/20至E/4之間。
諧振子和葉片的形狀和尺寸允許用一次化學(xué)加工制成傳感器TA單體。為此，在化學(xué)加工之前，使用具有幾何圖形的掩模保護(hù)板材的兩個(gè)表面，掩模的幾何圖形與傳感器的表面形狀相同。于是，固定部1和可動(dòng)部2，4、柔性框架5和連接件6，7在兩面都受到保護(hù)，而諧振子3和葉片81，82只有它們朝向傳感器本體外的面受到保護(hù)。然后對(duì)板材的兩面同時(shí)進(jìn)行化學(xué)加工至蝕刻深度(E-E3)。因?yàn)镋3小于E的一半，所以蝕刻深度(E-E3)大于E/2，從而足夠多的材料被從板材的兩面除去，例如從柔性框架5的邊框54與可動(dòng)部2之間除去，達(dá)到蝕刻位置。
接下來(lái)參照?qǐng)D6A及6B敘述本傳感器的操作，它表示可動(dòng)件4、柔性框架5和連接件6，7的特殊配置的優(yōu)點(diǎn)；參照?qǐng)D7A，7B和7C它說(shuō)明傳感器經(jīng)受加速度三個(gè)空間分量葉片81，82、諧振子3和可動(dòng)部2的機(jī)械動(dòng)作。
圖6A是圖5傳感器TA在其諧振子3受到平行于板材表面的彎曲振動(dòng)時(shí)的表面視圖。諧振子3、柔性框架5和連接件6，7的形變對(duì)應(yīng)于振動(dòng)幅度，并且被放大以便于理解該圖。
這些振動(dòng)現(xiàn)象的解釋如下當(dāng)諧振子3按其諧振頻率經(jīng)受彎曲振動(dòng)時(shí)，在它的結(jié)合端施加一個(gè)交變的剪切力R并在各可動(dòng)部2，4施加一個(gè)交變彎曲力矩C，因而可動(dòng)部產(chǎn)生一個(gè)交變位移，它的主分量δ是平行于板材平面并垂直于Z′Z軸的平移。為了使圖便于理解，可動(dòng)部的位移δ畫(huà)得大于諧振子的振幅Δ。實(shí)際上，δ比Δ小得多，因?yàn)榭蓜?dòng)部的質(zhì)量比諧振子的質(zhì)量大得多?？蓜?dòng)部2，4的這種小交變位移δ通過(guò)連接件6的中介引起柔性框架5小幅度受迫振動(dòng)。由于可動(dòng)件在框架內(nèi)，框架的受迫振動(dòng)原則上是可變平行四邊形式，即，框架的四個(gè)邊框51，52，53，54基本上承受的是彎曲載荷，而不是可動(dòng)部在框架外的情況下的伸張或壓縮載荷。這四個(gè)邊框是易變形的，固定部1僅受到通過(guò)連接件7傳遞的框架5的交變變形引起的非常小的交變載荷。固定部受到的交變載荷基本上是力r和扭矩c，它們各自的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于諧振子3施加于可動(dòng)部2，4上的剪切力R和彎曲力矩C的幅度。例如，載荷r和c可達(dá)到載荷R和C的百分之一。
相應(yīng)地，框架5的柔性和框架內(nèi)可動(dòng)部2，4的位置構(gòu)成諧振子3和傳感器固定部1之間的機(jī)械濾波器，所述的固定部基本不受諧振子振動(dòng)的影響。因此，諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q實(shí)際上沒(méi)有衰減，傳感器提供的測(cè)量精度因而得到提高。
再參見(jiàn)圖6A，耦合件6，7易于經(jīng)受平行于板材平面、交變且基本上是彎曲的形變。這是因?yàn)檫B接件6和7橫切軸Z′Z的矩形截面(L6.E)和(L7.E)和框架的四個(gè)邊框51，52，53，54的矩形截面(L51.E)、(L53.E)和(H54.E)是同樣尺寸。結(jié)果是，連接件6，7具有可彎曲的變形能力，明顯小于框架的變形，不過(guò)，對(duì)諧振子振動(dòng)的機(jī)械濾波作用有小的影響。
讀者可能記得圖6中表示的交變位移和變形幅度構(gòu)成本傳感器中主要的振動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)際上，它們與較小幅度的其他振動(dòng)共存，例如可動(dòng)部2，4圍繞中央縱軸Z′Z的交變轉(zhuǎn)動(dòng)?？蓜?dòng)部的這種交變轉(zhuǎn)動(dòng)由諧振子3的彎曲振動(dòng)產(chǎn)生，因?yàn)榘l(fā)生這些振動(dòng)的中平面不通過(guò)可動(dòng)部2，4的慣性主軸Z′Z軸?？蓜?dòng)部的交變轉(zhuǎn)動(dòng)使柔性框架5產(chǎn)生繞Z′Z軸交變扭曲，框架的扭曲變形傳遞給固定部1僅僅是一個(gè)非常小的圍繞Z′Z軸的扭矩。它對(duì)諧振子振動(dòng)的機(jī)械濾波作用的影響可以忽略。這個(gè)扭矩的情況在下面扭矩振動(dòng)諧振子的部分再作詳細(xì)解釋。
更一般地說(shuō)，由于框架5的柔性，有效濾除了可動(dòng)件2，4產(chǎn)生的、作用于連接件6的大部分交變機(jī)械載荷。盡管如此，為了更有效地進(jìn)行機(jī)械濾波，可動(dòng)件2，4、諧振子3、框架5和連接件6、7最好具有共同的對(duì)稱(chēng)平面PS，垂直于板材表面并通過(guò)Z′Z軸，如圖5所示。在一個(gè)沒(méi)有這樣對(duì)稱(chēng)性的變型中，無(wú)論是出于有意的選擇還是制造缺陷，通過(guò)固定部1傳遞的機(jī)械載荷比對(duì)稱(chēng)型結(jié)構(gòu)要大，但是一般大體上低于由諧振子3產(chǎn)生并施加到各可動(dòng)部2，4的較低的交變載荷R和C。上述特征表明有效的機(jī)械濾波較能容許制造缺陷，并且本發(fā)明的傳感器更適于降低生產(chǎn)成本。
圖5所示傳感器的實(shí)施例同樣可以很好地采用一個(gè)接受平面PS內(nèi)的，即橫切板材表面的彎曲振動(dòng)的諧振子3。
在這種情況下，諧振子施加于可動(dòng)件2，4上的交變機(jī)械載荷平行于平面PS，且所述可動(dòng)件受小的交變位移作用，位移的主分量為垂直于板材表面的平移。通過(guò)連接件6的中介作用，可動(dòng)件的這些小交變位移使柔性框架5產(chǎn)生小幅度交變形變，框架的邊框51，52主要的彎曲變形平行于平面PS，邊框53，54主要扭曲變形圍繞它們各自的中央縱軸。邊框51，52，53，54可以彎曲和扭曲變形，固定部1只受到通過(guò)連接件7傳遞的框架5交變形變產(chǎn)生的非常小的交變機(jī)械載荷的作用，固定部1所受交變機(jī)械載荷的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于諧振子施加于可動(dòng)部2，4的載荷。于是，與諧振子經(jīng)受平行于板材表面的彎曲變形相類(lèi)似，固定部1僅受到諧振子振動(dòng)的輕微影響，從而諧振子3的品質(zhì)因數(shù)Q實(shí)際上沒(méi)有降低。
圖6B是圖5中的傳感器TA的透視圖，其中的諧振子3經(jīng)受關(guān)于它的平行于Z′Z軸的中央縱軸的彎曲振動(dòng)。如圖6A，諧振子3、柔性框架5和連接件6，7的相對(duì)于振動(dòng)幅度的形變被加以放大以便于理解。
當(dāng)諧振子3受到諧振頻率的扭曲振動(dòng)時(shí)，在它的嵌入端將一個(gè)交變扭矩T分別施加于各可動(dòng)部2，4，于是它們便經(jīng)受交變位移，且其主分量ω為繞Z′Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，該軸是所述可動(dòng)件的慣性主軸。為了便于圖解，可動(dòng)部的轉(zhuǎn)動(dòng)量ω被表示為大致與諧振子扭曲振動(dòng)幅度Ω相等。實(shí)際上，ω比Ω小得多，因?yàn)榭蓜?dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性比諧振子的扭曲慣性大得多。通過(guò)連接件6作用，可動(dòng)件繞Z′Z軸的小轉(zhuǎn)動(dòng)量ω使柔性框架5產(chǎn)生小幅度受迫振動(dòng)，繞Z′Z軸產(chǎn)生扭曲。
框架的這種扭曲變形主要包括，對(duì)于各邊框51，52，53，54，繞中央縱軸Z′Z的扭曲變形和垂直于板材表面的彎曲變形。上述四個(gè)邊框可以扭曲和彎曲，固定件1僅受到通過(guò)連接件7由框架5交變形變引起的非常小的載荷。固定件受到的交變載荷主要是扭矩t，它的幅度比諧振子3施加到各可動(dòng)部2，4的扭矩T小得多。因此，固定部1僅受到諧振子振動(dòng)的輕微影響，它的品質(zhì)因數(shù)Q實(shí)際上沒(méi)有衰減。
仍參見(jiàn)圖6B，連接個(gè)6，7主要受?chē)@Z′Z軸的交變扭曲變形。這些耦合件的扭曲變形，盡管明顯小于柔性框架的扭曲變形，仍對(duì)諧振子振動(dòng)的機(jī)械濾波效果產(chǎn)生小的影響。
以對(duì)諧振子彎曲振動(dòng)的同樣方式，對(duì)于可動(dòng)件2，4、諧振子3、柔性框架5和連接件6及7，最好有同樣的對(duì)稱(chēng)平面PS，如圖5所示，以使扭曲振動(dòng)的機(jī)械濾波盡可能高效。
由于柔性框架5的作用，對(duì)于固定部1在諧振子3的諧振頻率(幾十千赫)處的彎曲振動(dòng)和扭曲振動(dòng)能量耗散減少得一樣多。然而，傳感器在工作頻帶(從D.C至幾百千赫)的機(jī)械強(qiáng)度沒(méi)有減弱。
圖7A，7B，7C是圖5中傳感器TA的局部透視圖，限于諧振子3、葉片81，82和可動(dòng)部2，4，試圖顯示傳感器經(jīng)受加速度三個(gè)空間分量中每一分量時(shí)，可動(dòng)部2施加給諧振子的主要機(jī)械載荷?？紤]可動(dòng)部2施加的機(jī)械載荷，未示出的部分，即固定部1、柔性框架5和兩個(gè)連接件6，7沒(méi)有實(shí)際影響，因此，可動(dòng)部4可被認(rèn)為直接作用于例如一個(gè)基座上。
參照?qǐng)D7A，垂直施于板材表面的加速度Γ1對(duì)諧振子3施加一個(gè)縱向張力P1，并對(duì)每個(gè)葉片81，82施加一個(gè)縱向壓縮力Q1、一個(gè)橫向彎曲力N1和一個(gè)橫向彎曲扭矩V1。由可動(dòng)部2作用于諧振子和葉片的其他機(jī)械載荷(未示出)對(duì)于傳感器的操作是不重要的，這些其他的力在此被忽略以簡(jiǎn)化現(xiàn)象的敘述。
力P1的表達(dá)式由解一個(gè)方程組得到，該方程組代表可動(dòng)件2的平衡和葉片體81，82的機(jī)械動(dòng)作，由此獲得一個(gè)成比例于加速度Γ1的力，且約為P1＝[HG/(E-E3)]MΓ1此處，HG是垂直于Z′Z軸的兩平面之間的距離，第一平面位于葉片81，82的中線，第二平面通過(guò)可動(dòng)部2的重心G；M是可動(dòng)部2的質(zhì)量。
比值[HG/(E-E3)]，即力P1表達(dá)式中的系數(shù)MΓ1可以高達(dá)若干單位，例如5。
還應(yīng)注意到力P1的表達(dá)式是代數(shù)式，表示事實(shí)上當(dāng)加速度Γ1改變方向時(shí)，力P1改變方向，變成一個(gè)縱向壓縮力加到諧振子3上。
作用于諧振子上的伸張或壓縮力P1使諧振頻率F分別提高或降低一個(gè)變量(ΔF)1(ΔF)1＝kP1＝k[HG/(E-E3)]MΓ1此處k是系數(shù)，依賴(lài)于諧振子振動(dòng)的性質(zhì)，例如彎曲或扭曲，諧振子的幾何形狀和材料特性，例如石英或硅。
頻率F的變化比例于垂直施加于板材表面的加速度Γ1。例如設(shè)計(jì)測(cè)量上限為100g的傳感器和經(jīng)受50,000Hz彎曲振動(dòng)的諧振子，可能產(chǎn)生20Hz/g的頻率變化。參見(jiàn)圖5，該傳感器單體的尺寸為H1+H7+H5＝6mm；L＝4mm；E＝0.4mm參見(jiàn)圖7B，平行于Z′Z軸的加速度Γ2主要施加到諧振子3上一個(gè)縱向伸張力P2，約等于(1/2)MΓ2，同時(shí)向葉片81，82各自施加一個(gè)縱向力Q2，約等于(1/4)Γ2。當(dāng)加速度Γ2改變方向時(shí)，這些力也改變方向。
以對(duì)加速度Γ1前面情況的同樣方式，作用于諧振子的伸張或壓縮力P2分別引起其諧振頻率F提高或降低一個(gè)變量(ΔF)2
(ΔF)2＝kP2＝k(1/2)MΓ2在加速度Γ1和加速度Γ2的幅度相同時(shí)，頻率變量(ΔF)2一般小于頻率變量(ΔF)1。于是，回想到前例(ΔF)1＝20Hz/g，有可能得到(ΔF)2＝2Hz/g。
參見(jiàn)圖7C，垂直施加于傳感器的平面PS的加速度Γ3實(shí)質(zhì)上分別向各個(gè)葉片施加垂直于Z′Z軸的力N3Z和V3Z，而實(shí)際上未向諧振子施加任何伸張或壓縮力。結(jié)果它的頻率F實(shí)質(zhì)上沒(méi)有頻移(ΔF)3。
了解了加速度三個(gè)分量Γ1、Γ2和Γ3對(duì)于諧振子頻率F的改變，將本發(fā)明的兩個(gè)傳感器結(jié)合是有優(yōu)點(diǎn)的。第二傳感器的位置根據(jù)第一傳感器繞一個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°的位置導(dǎo)出，該軸平行于Z′Z軸，并且兩個(gè)傳感器的固定部固定于同一基座上。根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)傳感器的結(jié)合構(gòu)成一個(gè)差分輸出加速度計(jì)，它的敏感方向垂直于兩塊板材的表面，與已有技術(shù)的差分加速度計(jì)相比，具有消除兩個(gè)傳感器包含的諧振子振動(dòng)之間的機(jī)械耦合的優(yōu)點(diǎn)。這樣上述振動(dòng)不再互相干擾，因而提高了差分頻率測(cè)量精度以及由此得到的加速度的精度。以此方式將本發(fā)明的兩個(gè)傳感器結(jié)合的這些特點(diǎn)還將在下面進(jìn)一步說(shuō)明。
圖8A，8B，8C，8D和8E表示本發(fā)明傳感器的其他實(shí)施例。
參見(jiàn)圖8A，傳感器TAa不同于圖5傳感器TA之處在于，連接件6A在傳感器TAa的寬度La方向的尺寸L6a明顯地大于尺寸L6。尺寸L6a在La方向上明顯地小于傳感器TAa的可動(dòng)件4a的尺寸L4a。這個(gè)實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是傳感器TAa的連接件6A的高剛性增加了傳感器單體的機(jī)械強(qiáng)度，并具有較高的傳感器本體固有頻率。與此優(yōu)點(diǎn)相抵的是，傳感器TAa的諧振子3a振動(dòng)的機(jī)械濾波效果不如傳感器TA的諧振子3，但無(wú)論如何也明顯地大于已有技術(shù)的加速度計(jì)。
圖8B表示的傳感器TAb不同于圖5的傳感器TA之處在于，連接件7b在傳感器TAb的寬度方向Lb的尺寸L7b實(shí)質(zhì)上小于傳感器寬度Lb。這第三個(gè)實(shí)施例與傳感器TA相比的優(yōu)缺點(diǎn)實(shí)質(zhì)上與圖8A中傳感器TAa的優(yōu)缺點(diǎn)相同。
在機(jī)械強(qiáng)度作為基本準(zhǔn)則的場(chǎng)合，配置一個(gè)圖8C所示的傳感器TAc是有利的，其中兩個(gè)連接件6C及7C分別與圖8A中傳感器TAa的連接件6a和圖8B中傳感器TAb的連接件7b形狀相同。因此，傳感器TAc的諧振子3C的機(jī)械濾波作用幾乎全部由傳感器TAc的框架5C的邊框51C和52C的柔性來(lái)實(shí)現(xiàn)，仍然比現(xiàn)有技術(shù)加速度計(jì)的濾波作用更有效。
圖8D表示的傳感器TAd適用于微型化作為重要準(zhǔn)則的場(chǎng)合。傳感器TAd不同于圖5中傳感器TA之處主要是固定部1d位于柔性框架5d內(nèi)并在傳感器TAd的可動(dòng)部2d和邊框54d之間。于是，上述框架5d構(gòu)成傳感器TAd的外輪廓。這種結(jié)構(gòu)減小了傳感器的尺寸，同時(shí)保持了邊框51d和52d的足夠長(zhǎng)度H5，使之保留所需要的柔性以實(shí)現(xiàn)傳感器TAd諧振子3d振動(dòng)的很好的機(jī)械濾波作用。
因此，諧振子振動(dòng)的機(jī)械濾波效果很大程度上取決于平行于傳感器的中央縱軸Z′Z(即平行于通過(guò)諧振子端部的軸)的兩個(gè)柔性框架邊框的彈性。與其他柔性框架的兩個(gè)邊框及兩個(gè)連接件相比，這兩個(gè)邊框?qū)τ谥C振子振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力具有更大的柔韌性。更概括地說(shuō)，本發(fā)明的傳感器的正確運(yùn)作要求至少有兩個(gè)其縱軸平行于貫穿諧振子兩端的軸大致為平行六面體的柔性邊框。環(huán)形框架，如同圖4所示已有技術(shù)諧振子的外圍部R2，不能使本發(fā)明傳感器正常工作。
圖8E表示具有石英單體的傳感器TAe，傳感器TAe的諧振子3e振動(dòng)的傳遞方式類(lèi)似于圖1中所示第一個(gè)已有技術(shù)加速度計(jì)CA′的振動(dòng)葉片31和32的方式，因而特別適用于平行于板材表面的彎曲振動(dòng)。傳感器TAe不同于圖5中傳感器TA之處主要在于它的盤(pán)狀外形、柔性框架5e的邊框53e和54e的部分環(huán)狀外形和固定部1e的U形。這個(gè)固定部包括一個(gè)基部10e，其形狀為一個(gè)基本上沿柔性框架的邊框54e伸展的不完全的環(huán)，與連接件7e固定，還包括兩個(gè)盤(pán)狀扇形的分支11e和12e，分別從基部10e的端部沿框架的邊框51e和52e伸展。相應(yīng)地，柔性框架5e位于固定部1e的U形之內(nèi)。
盤(pán)形分支11e和12e固定于外殼基部BAe例如用膠接方式。
傳感器TAe固定部1e的U形與圖5中所示傳感器TA的固定部1的平行六面體形相比有如下優(yōu)點(diǎn)對(duì)于同樣的外形整體尺寸，傳感器TAe安裝于基部BAe的平面被更明確地限定；如果需要增加傳感器的機(jī)械強(qiáng)度，可以方便地用兩個(gè)法蘭安裝到盤(pán)形分支11e和12e的表面并將可動(dòng)部2e的位移限于一個(gè)預(yù)定值；把傳感器TAe固定到基部BAe非常便利，由于傳感器的質(zhì)量中心位于正對(duì)基部的兩表面之間，勿須用裝置將傳感器系于基部。
考慮傳感器TAe的諧振子3的彎曲振動(dòng)的機(jī)械濾波作用，傳感器TAe的效果大致與傳感器TA的效果相同，由于邊框51e和52e足夠的彈性。
如圖8E所示，將振動(dòng)傳遞給諧振子3e的方式是以一對(duì)相反極性的金屬電極31e和32e，由壓電效應(yīng)激勵(lì)諧振子的彎曲振動(dòng)進(jìn)行的。電極31e和32e被置于諧振子3e朝向傳感器本體外的一側(cè)，它們的“三軌”結(jié)構(gòu)在同一申請(qǐng)人的法國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2,685,964中描述過(guò)。電極31e和32e之間的電連接和外殼基部?jī)?nèi)的密封饋線(圖中未示出)設(shè)置在固定分支11e和12e的水平面上，以焊接方式接到大致成矩形的各自的金屬焊盤(pán)33e和34e上。如圖8E所示，金屬焊盤(pán)33e和34e由可動(dòng)部4e、柔性框架5e、連接件6e及7e和基部10e的可視表面承載的金屬導(dǎo)電帶35e及36e分別連接至相應(yīng)的電極31e和32e。
電極、導(dǎo)電帶和焊盤(pán)用傳統(tǒng)的光刻工藝對(duì)附著于石英板可視表面的金屬層同時(shí)蝕刻獲得的。這個(gè)附著金屬層可以方便地利用先前作為加工傳感器單體時(shí)的保護(hù)掩膜。
連接至電極31e和32e的殼體基部的密封饋線電連接至振蕩電路(圖中未示出)的兩端，在振蕩電路的輸出端產(chǎn)生一個(gè)具有頻率變化的交變信號(hào)，反映施加于傳感器上的加速度的變化。
如前所示，本發(fā)明還涉及一種包括兩個(gè)本發(fā)明的加速度傳感器的差分輸出加速度計(jì)，第二傳感器的位置根據(jù)第一傳感器繞一個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°的位置導(dǎo)出，該軸平行于一個(gè)通過(guò)諧振子的兩端的軸，兩個(gè)傳感器的固定部固定于同一基部。在圖5，8A，8B，8C，8D和8E所示的實(shí)施例中，通過(guò)諧振子端部的軸平行于傳感器的Z′Z軸。因此，在兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的結(jié)合中，第二傳感器的位置根據(jù)第一傳感器繞一個(gè)平行于Z′Z軸的軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°的位置導(dǎo)出。
參見(jiàn)圖9，一個(gè)差分加速度計(jì)AD包括兩個(gè)傳感器TAe1和傳感器TAe2，它們基本與圖8E中傳感器TAe相同，傳感器TAe1的盤(pán)形分支11e1和12e1和傳感器TAe2的盤(pán)形分支11e2和12e2緊固于同一基座BAe。在圖9中說(shuō)明的實(shí)施例中，傳感器TAe1和傳感器TAe2關(guān)于一個(gè)平行于兩個(gè)板材表面的平面互相對(duì)稱(chēng)。其配置構(gòu)成一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的配置的特殊情況，但不應(yīng)認(rèn)為限定本發(fā)明。同樣，傳感器TAe以示例方式選定。本發(fā)明應(yīng)用范圍包括與圖5，8A，8B，8C和8D中分別所述的傳感器TA，TAa，TAb，TAc和TAd之中任一種大體相同的兩個(gè)傳感器的結(jié)合，并且更一般地為根據(jù)本發(fā)明的任何兩個(gè)傳感器的結(jié)合。
再參見(jiàn)圖9，傳感器TAe1的金屬焊盤(pán)33e1和34e1由兩根導(dǎo)線371和381連接至振蕩電路911的兩個(gè)第一端子。傳感器TAe2的圖中不可見(jiàn)面上的電極、導(dǎo)電帶和焊盤(pán)的同樣配置與第二振蕩電路912有關(guān)。
兩個(gè)電路911和922的輸出連接至一個(gè)差分測(cè)頻裝置，該裝置包括一個(gè)頻率減法器電路92和一個(gè)頻率計(jì)93，頻率計(jì)93測(cè)出的頻率(F1-F2)代表被測(cè)加速度。
差分加速度計(jì)AD的運(yùn)行現(xiàn)聯(lián)系參照?qǐng)D7A，7B，7C的前述說(shuō)明加以描述。
再參見(jiàn)圖9，垂直于兩個(gè)板材表面施加的加速度Γ1向諧振子3e1和3e2分別施加縱向伸張和壓縮力(圖中未示出)，如果傳感器Tae1和傳感器TAe2相同，伸張力和壓縮力的大小也相等。這些縱向力導(dǎo)致諧振子3e1的頻率F1產(chǎn)生一個(gè)增加(ΔF)1，并導(dǎo)致諧振子3e2的頻率F2產(chǎn)生同幅度減小。
頻率變化(ΔF)1的表達(dá)式前面已記為傳感器的機(jī)械和幾何特性的函數(shù)。
因而，頻差(F1-F2)產(chǎn)生一增量等于Δ(F1-F2)＝2(ΔF)1平行于傳感器TAe1和傳感器Tae2的軸線Z1′Z和Z2′Z2施加的加速度Γ2向諧振子3e1和3e2施加同樣幅度的縱向伸張力(圖中未示出)，在它們的諧振頻率內(nèi)產(chǎn)生相等的增量(ΔF)2。
因而，差頻(F1-F2)對(duì)于加速度Γ2不產(chǎn)生任何變化。
垂直于前述兩個(gè)加速度方向施加的加速度Γ3對(duì)諧振子3e1和3e2不產(chǎn)生縱向力，于是，頻率F1和F2和差頻(F1-F2)相對(duì)于加速度Γ3沒(méi)有變化。
所以，差分加速度AD的敏感方向垂直于兩個(gè)板材的表面。
因?yàn)楦髦C振子3e1和3e2振動(dòng)的機(jī)械濾波作用，差分加速度計(jì)AD比前述已有技術(shù)加速度計(jì)多兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其一是諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q值沒(méi)有降低，其二是消除了它們振動(dòng)之間的機(jī)械耦合。這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)提高了加速度計(jì)AD的精度。
圖10表示一個(gè)差分加速度計(jì)AD′，包括兩個(gè)從同一等厚板材制造的實(shí)質(zhì)相同的傳感器TA′1和TA′2。它們與圖5的傳感器構(gòu)造相似。在圖10的實(shí)施例中，差分加速度計(jì)AD′構(gòu)成一般為平行六面體的單體。可動(dòng)部21，41和22，42，框架51和52以及這兩個(gè)傳感器TA′1和TA′2的固定部1′具有與板材的兩面相一致的共同平面。傳感器TA′1的諧振子31與另一傳感器TA′2的葉片812和822由板材的兩表面之一加工而成；同樣，另一傳感器TA′2的諧振子32與第一傳感器TA′1的葉片811及821，從板材的另一表面加工而成。中軸Y′Y平行于板材表面，構(gòu)成加速度計(jì)AD′的對(duì)稱(chēng)軸。在所示的實(shí)施例中，相應(yīng)傳感器TA′1和TA′2的縱軸Z1′Z1和Z2′Z2平行于Y′Y軸，并且傳感器TA′1和TA′2關(guān)于Y′Y軸對(duì)稱(chēng)，構(gòu)成一個(gè)根據(jù)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的特例。在已說(shuō)明的實(shí)施例中，差分加速度計(jì)AD′的固定部1′前輪廓呈I形，縱向分支沿Y′Y軸居中，其橫向分支之一分別固定傳感器TA′1和TA′2。這種I形固定部1′的優(yōu)點(diǎn)與圖8E中傳感器TAe的U形固定部1e的優(yōu)點(diǎn)相似明確的安裝平面，便于用兩個(gè)法蘭支撐，并易于將所述固定部固定到基體上。
參考圖9中的差分加速度計(jì)AD，差分加速度計(jì)AD′的敏感方向垂直于板材表面，其優(yōu)點(diǎn)是比已有技術(shù)加速度計(jì)精度更高。
與加速度計(jì)AD相比，將加速度計(jì)AD′并入殼體內(nèi)的過(guò)程得以簡(jiǎn)化，在微型化和低成本為決定性因素時(shí)是有益的。
從另一面來(lái)看，加速度計(jì)AD具有能夠選擇構(gòu)成它的兩個(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)，目的是進(jìn)一步提高其測(cè)量精度。
權(quán)利要求
1.一種單體加速度傳感器，包括一固定部(1)、一可動(dòng)質(zhì)量部(2)和一諧振子(3)，該諧振子(3)的兩端之一固定于可動(dòng)質(zhì)量部(2)，其特征在于它包括一第二可動(dòng)質(zhì)量部(4)，固定于諧振子(3)的另一端，一圍繞這兩個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部(2，4)的柔性框架(5)，一將該框架(5)連接于第二可動(dòng)質(zhì)量部(4)的第一連接件(6)，和一將該框架(5)連接于固定部(1)的第二連接件(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中的柔性框架(5)為矩形，并包括兩個(gè)大致平行于諧振子(3)的邊框(51，52)，和另外兩個(gè)大致垂直于諧振子(3)的邊框(53，54)，分別由第一和第二連接件(6，7)連接于第二可動(dòng)質(zhì)量部(4)和固定部(1)，第一連接件(6)的寬度(L6，L6a)小于第二可動(dòng)質(zhì)量部(4)的寬度(L4，L4a)，第二連接件(7)的寬度(L7，L7b)小于所述另外邊框(53，54)的長(zhǎng)度，所述寬度(L6，L6a；L4，L4a；L7，L7b)是所述另外邊框(53，54)的長(zhǎng)度方向的寬度(L，La，Lb)，連接件(6，7)至少其中之一最好有一個(gè)橫截面(L6.E；L7.E)與框架的邊框橫截面(L51.E；H53.E；H54.E)的尺寸具有相同數(shù)量級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其中的可動(dòng)質(zhì)量部(2，3)、諧振子(3)、柔性框架(5)和連接件(6，7)具有垂直于所述框架的平面(PM)的一個(gè)共同的對(duì)稱(chēng)平面(PS)，連接件(6，7)位于所述對(duì)稱(chēng)平面和框架的相應(yīng)截面處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求的傳感器，包括兩個(gè)共面的葉片(81，82)，各自端部分別固定于兩個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部(2，4)，并分別位于諧振子(3)兩側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中的葉片(81，82)的長(zhǎng)度(H8)實(shí)質(zhì)上小于諧振子(3)的長(zhǎng)度(H3)，最好在諧振子長(zhǎng)度(H3)的1/10至1/2之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的傳感器，其中的葉片(81，82)的位置大致處于諧振子(3)長(zhǎng)度(H3)的中間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中的葉片(81，82)與兩個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部(2，4)的一個(gè)共同平面齊平，諧振子(3)與這兩個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部的另一個(gè)共同平面齊平，諧振子與葉片在可動(dòng)質(zhì)量部的厚度(E)方向上具有共同的寬度(E8＝E3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中的固定部(1d)在框架(5d)之內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中的固定部(1e)具有U形形狀，圍繞除去與第一連接件(6e)連接的框架邊框(53e)之外的框架(5e)，并包括一個(gè)環(huán)形底邊框(10e)，其中部與第二連接件(7e)連接，兩個(gè)分支(11e，12e)固定于底邊框(10e)的相應(yīng)端，從而將傳感器TAe固定于一個(gè)基部BAe。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求的傳感器，包括由諧振子(3e)承載的兩個(gè)電極(31e，32e)；由固定部(1e)承載的兩個(gè)焊盤(pán)(33e，34e)；由第二可動(dòng)部(4e)承載的導(dǎo)電帶(35e，36e)；第一連接件(6e)；框架(5e)；第二連接件(7e)和固定部(1e)分別將兩個(gè)電極(31e，32e)連接到兩個(gè)焊盤(pán)(33e，34e)上。
11.一種加速度計(jì)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一權(quán)利要求所述的第一和第二單體加速度傳感器，第二傳感器(TAe2；TA′2)的位置由第一傳感器(TAe1；TA′1)的位置繞平行于通過(guò)第一傳感器的諧振子(3e1；31)端部軸線的軸(Y′Y)轉(zhuǎn)動(dòng)180°導(dǎo)出，兩個(gè)傳感器的固定部(1e1，1e2；1′)固定在一起。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的加速度計(jì)，其中的傳感器(TAe1，TAe2)關(guān)于平行于各傳感器的可動(dòng)質(zhì)量部(2e1，4e1；2e2，4e2)共面表面的平面互相對(duì)稱(chēng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的加速度計(jì)，其中傳感器(TA′1；TA′2)的可動(dòng)質(zhì)量部(21，41，22，42)、框架(51，52)和固定部(11，12)有共面表面，所述傳感器最好關(guān)于平行于上述共面表面的軸(Y′Y)互相對(duì)稱(chēng)。
全文摘要
一種單體加速度傳感器包括:一固定部;兩個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部和一個(gè)端部固定于所述可動(dòng)質(zhì)量部的諧振子;一個(gè)圍繞這兩個(gè)可動(dòng)質(zhì)量部的柔性框架;以及兩個(gè)將該框架連接于第二可動(dòng)質(zhì)量部和連接于固定部的連接件。框架在諧振子和固定部之間提供一個(gè)機(jī)械濾波器,且固定部不受諧振子振動(dòng)的影響。諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q值不降低且由此傳感器提供的測(cè)量更精確。在一個(gè)差分輸出加速度計(jì)中,傳感器的位置由另一個(gè)傳感器的位置導(dǎo)出,相同傳感器繞平行于諧振子的一條軸線轉(zhuǎn)動(dòng)180°,這些傳感器的多個(gè)固定部固定在一起。
文檔編號(hào)H01L29/84GK1197513SQ9619721
公開(kāi)日1998年10月28日 申請(qǐng)日期1996年9月23日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月26日
發(fā)明者奧利維爾·勒·特勞恩, 丹尼斯·詹尼奧德, 瑟奇·馬勒 申請(qǐng)人:國(guó)家航空與空間研究事務(wù)局