CN103033647A

CN103033647A - 闭环控制式加速度计

Info

Publication number: CN103033647A
Application number: CN2012105693394A
Authority: CN
Inventors: 林丙涛; 赵建华; 林日乐; 张巧云; 董宏奎; 翁邦英; 徐洲; 李文蕴; 谢佳维; 满欣; 周倩
Original assignee: CETC 26 Research Institute
Current assignee: CETC 26 Research Institute
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明公开了一种闭环控制式加速度计，包括石英振梁加速度敏感元件和致动器；所述石英振梁加速度敏感元件的质量块与致动器之间相对表面上设置有致动电极对，所述致动电极对，用于通过调整施加在致动电极对之间的电压来改变质量块的位置。致动器包括夹持梁，板状块，及连接夹持梁和板状块的支撑梁，被覆于板状块上产生致动作用力的致动电极。有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，并引起振梁振动频率发生变化，通过检测该变化并调整相应致动电极对之间的电压，使得质量块重新回到平衡位置，实现了加速度计的闭环控制，在保持加速度计检测精度的同时提高了量程和线性度。克服为了提高石英振梁加速度计灵敏度而导致线性度和量程降低的缺点。

Description

闭环控制式加速度计

技术领域

本发明涉及谐振频率识别和可闭环控制的加速度检测领域，特别涉及一种闭环控制式加速度计。

背景技术

随着导航算法及导航计算机的日趋成熟，导航和制导等惯导***的精度越来越受到加速度计和陀螺仪性能的制约。石英振梁加速度计是目前较为常用的一种高精度加速度计，利用振梁受到轴向应力时谐振频率发生变化来检测输入的加速度。

目前石英振梁加速度计有双振梁和单振梁两种结构，代表公司分别为美国的Honeywell和法国的Onera。Honeywell公司采用双振梁结构，且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。该种结构量程范围宽，但是制作工艺繁琐、成本高且成品率较难保证，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100 ug，单个芯片的直径为6 mm，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。

然而，法国Onera的石英振梁加速度计由于采用挠曲型结构，为了获得较高的灵敏度，传感器只能在较小的量程内保持优良的线性，量程和灵敏度成了相互制约的性能参数。在现有的石英振梁加速度计结构中，往往通过增加质量块的质量或者降低振梁和挠性桥的弯曲刚度来提高其灵敏度，造成了传感器线性度和量程的降低；而为了获得较大的量程，则需通过降低质量块的质量或者提高振梁和挠性梁的弯曲刚度来实现，客观上是牺牲了灵敏度性能。

为消除以上的不良情况，法国Onera在现有振梁结构的基础上，提出了中间窄两端宽的新型振梁结构，在小幅提高灵敏度的同时而未改变挠性梁的弯曲刚度，但是这种新型结构对灵敏度的提升非常有限，且对器件的制作工艺提出了更高的要求，使得器件的制作难度进一步加大，有可能会导致器件的成品率降低。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种闭环控制式加速度计，能克服为了提高石英振梁加速度计灵敏度而导致线性度和量程降低的缺点。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的闭环控制式加速度计，包括石英振梁加速度敏感元件和致动器；所述石英振梁加速度敏感元件的质量块与致动器之间相对表面上设置有致动电极对，所述致动电极对，用于通过调整施加在致动电极对之间的电压来改变质量块的位置。

进一步，所述致动器包括上致动器和下致动器；与所述石英振梁加速度敏感元件的质量块上表面相对的上致动器的表面上设置有上致动电极；与所述上致动器的上致动电极相对应的石英振梁加速度敏感元件的质量块表面上设置有第一致动电极；与所述石英振梁加速度敏感元件的质量块下表面相对的下致动器的表面上设置有下致动电极；与所述下致动器的下致动电极相对应的石英振梁加速度敏感元件的质量块表面上设置有第二致动电极。

进一步，所述上致动器和下致动器分别通过设置于外缘的夹持梁与石英振梁加速度敏感元件外缘的固定框接合。

进一步，所述石英振梁加速度敏感元件还包括振梁、振梁激励电极、C形连接块、第一挠性桥、第二挠性桥、隔离框、第一连接梁、第二连接梁和致动电极引脚；所述振梁双端固接于质量块和C形连接块；所述振梁激励电极与振梁连接，用于激励振梁使之起振；所述C形连接块用于支撑质量块；所述质量块一侧通过第一挠性桥与C形连接块的一侧连接；所述质量块另一侧通过第二挠性桥与C形连接块的另一侧连接；所述第一连接梁连接C形连接块和隔离框，所述第二连接梁连接隔离框和固定框；所述致动电极引脚与第一致动电极电连通；所述振梁激励电极设置有第一振梁激励电极引脚和第二振梁激励电极引脚。

进一步，所述上下致动器还包括支撑梁和板状块；所述支撑梁连接在夹持梁和板状块之间用于实现对板状块的重量支撑，所述板状块与石英振梁加速度敏感元件的质量块相对放置；所述第一致动电极和第二致动电极被覆于板状块上用于产生致动作用力。

进一步，所述第一致动电极和第二致动电极为直接镀于板状块内侧表面的金属膜致动电极；所述固定框与上下致动器的夹持梁之间通过直接键合或粘接剂粘接固接。

进一步，所述上下致动器为平板状。

进一步，所述夹持梁、支撑梁和板状块为一体式结构，其上被覆的第一致动电极和第二致动电极覆盖整个板状块表面。

进一步，所述第一致动电极、第二致动电极和振梁激励电极材料为铜、金或铝导电材料，所述金属膜为铬、钛或钛钨合金。

进一步，所述上下致动器表面被覆的上致动电极、下致动电极与质量块上被覆的第一致动电极、第二致动电极的形状相同。

本发明的优点在于：本发明将石英振梁加速度敏感元件和一对致动器呈夹层状粘合在一起形成闭环控制式加速度计，克服为了提高石英振梁加速度计灵敏度而导致线性度和量程降低的缺点；该致动器中的致动电极之间通过施加电压产生静电致动力，当有加速度输入时，质量块偏离平衡位置并产生惯性力矩，引起挠性桥挠曲变形和振梁的拉-伸应变及振梁振动频率发生变化，通过外部电路检测振梁频率变化量并改变施加在致动电极上的电压产生静电致动力，使得质量块重新回到平衡位置，实现加速度计的闭环控制；由此可知，本发明的有益效果具体表现在以下方面：

其一，加速度计为闭环控制，输入加速度的大小与施加的静电力成正比，输入加速度值较大时，只需增加致动电极之间的电压，挠性桥始终处于初始位置附近，挠曲变形极小，因而在线性度一定的情况下，提高量程的同时可保证加速度计芯片的高灵敏度不降低。

其二，对于相同结构参数、灵敏度、量程的石英振梁加速度敏感元件，闭环控制式结构相对于开环结构，挠性桥的挠曲变形幅度大大降低，线性度性能大幅提高。

其三，加速度计将石英振梁的频率变化作为挠性桥偏离初始位置的标志，灵敏度较高，具有和相同结构尺寸的石英振梁加速度计相同的精度。

其四，致动器采用整块平板状结构，结构简单、易于加工；致动器的全覆盖致动电极在致动器上，全覆盖布置方式无需进一步光刻，制作更为简单。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是使用本发明的一个实施方式的闭环控制式加速度计的立体分解图；

图2是各组成要素的组装状态的外观图；

图3是沿图2中A-A剖切线的剖面图；

图4是使用本发明的另一个实施方式的闭环控制式加速度计的立体分解图；

图5是各组成要素的组装状态的外观图；

图6是致动器的图形化致动电极在致动器上的布置图；

图7是致动器的全覆盖致动电极在致动器上的布置图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1

图1是使用本发明的一个实施方式的闭环控制式加速度计的立体分解图，图2是各组成要素的组装状态的外观图，图3是沿图2中A-A剖切线的剖面图，图4是使用本发明的另一个实施方式的闭环控制式加速度计的立体分解图，图5是各组成要素的组装状态的外观图，图6是致动器的图形化致动电极在致动器上的布置图，图7是致动器的全覆盖致动电极在致动器上的布置图，如图所示：本发明提供的闭环控制式加速度计，包括石英振梁加速度敏感元件和致动器；所述石英振梁加速度敏感元件的质量块与致动器之间相对表面上设置有致动电极对，所述致动电极对，用于通过调整施加在致动电极对之间的电压来改变质量块的位置。

作为本发明实施例的另一优选方案，所述致动器包括上致动器和下致动器；与所述石英振梁加速度敏感元件的质量块上表面相对的上致动器的表面上设置有上致动电极；与所述上致动器的上致动电极相对应的石英振梁加速度敏感元件的质量块表面上设置有第一致动电极；与所述石英振梁加速度敏感元件的质量块下表面相对的下致动器的表面上设置有下致动电极；与所述下致动器的下致动电极相对应的石英振梁加速度敏感元件的质量块表面上设置有第二致动电极。

作为本发明实施例的另一优选方案，所述上致动器和下致动器分别通过设置于外缘的夹持梁与石英振梁加速度敏感元件外缘的固定框接合。

作为本发明实施例的另一优选方案，所述石英振梁加速度敏感元件还包括振梁、振梁激励电极、C形连接块、第一挠性桥、第二挠性桥、隔离框、第一连接梁、第二连接梁和致动电极引脚；所述振梁双端固接于质量块和C形连接块；所述振梁激励电极与振梁连接，用于激励振梁使之起振；所述C形连接块用于支撑质量块；所述质量块一侧通过第一挠性桥与C形连接块的一侧连接；所述质量块另一侧通过第二挠性桥与C形连接块的另一侧连接；所述第一连接梁连接C形连接块和隔离框，所述第二连接梁连接隔离框和固定框；所述致动电极引脚与第一致动电极电连通；所述振梁激励电极设置有第一振梁激励电极引脚和第二振梁激励电极引脚。

作为本发明实施例的另一优选方案，所述上、下致动器有相同的结构，所述上、下致动器还分别包括支撑梁和板状块；所述支撑梁连接在夹持梁和板状块之间用于实现对板状块的重量支撑，所述板状块与石英振梁加速度敏感元件的质量块相对放置；所述第一致动电极和第二致动电极被覆于板状块上用于产生致动作用力。

作为本发明实施例的另一优选方案，所述第一致动电极和第二致动电极为直接镀于板状块内侧表面的金属膜致动电极；所述固定框与上下致动器的夹持梁之间通过直接键合或粘接剂粘接固接。

作为本发明实施例的另一优选方案，所述上下致动器为平板状。

作为本发明实施例的另一优选方案，所述夹持梁、支撑梁和板状块为一体式结构，其上被覆的第一致动电极和第二致动电极覆盖整个板状块表面。

作为本发明实施例的另一优选方案，所述第一致动电极、第二致动电极和振梁激励电极材料为铜、金或铝导电材料，所述金属膜为铬、钛或钛钨合金。

作为本发明实施例的另一优选方案，所述上下致动器表面被覆的上致动电极、下致动电极与质量块上被覆的第一致动电极、第二致动电极的形状相同。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：

本发明实施例提供的闭环控制式加速度计1具有这样的结构：将石英振梁加速度敏感元件2和一对致动器20呈夹层状通过粘接层30粘合在一起。即闭环控制式加速度计具有：石英振梁加速度敏感元件2；一对致动器20，它们通过其外缘的夹持梁21接合石英振梁加速度敏感元件2外缘的固定框11。

石英振梁加速度敏感元件2具有：振梁5，工作在平行于芯片表面的弯曲振动模式，对振梁施加长度方向的拉伸或压缩应力时，其振动频率增加或降低；振梁激励电极10，用于激励振梁5使之起振；质量块4，有加速度输入时产生相应的惯性力作用；第一和第二致动电极12a、12b，直接镀覆于质量块4的上下表面；C形连接块7，实现对质量块4的支撑作用；第一和第二挠性桥6a、6b，连接质量块4和C形连接块7；隔离框9，减小振梁5与外部的振动耦合；固定框11，支撑整个石英振梁加速度敏感元件2的重量，与致动器20接合实现石英振梁加速度敏感元件2的安装固定；第一和第二连接梁8a、8b，分别连接C形连接块7和隔离框9、隔离框9和固定框11；致动电极引脚3a，与致动电极12a电连通；振梁激励电极第一和第二引脚3b、3c，分别与振梁激励电极10的一对电极电连通。

在该实施方式中，致动器20具有：夹持梁21，用来对石英振梁加速度敏感元件2进行夹持固定；板状块23，与石英振梁加速度敏感元件2的质量块4相对放置；支撑梁22，连接在夹持梁21和板状块23之间实现对板状块23的重量支撑；致动电极24，为直接镀于板状块23内侧表面的金属膜，与石英振梁加速度敏感元件2的质量块4上的第一致动电极12a（或第二致动电极12b）之间施加电压值产生静电致动力。

有加速度输入时，质量块4偏离平衡位置，第一和第二挠性桥6a、6b发生挠曲变形，并引起振梁5振动频率发生变化，通过检测该频率变化并调整相应致动电极对（24和12a、24和12b）之间的电压，使得质量块4重新回到平衡位置，实现了加速度计的闭环控制，提高了加速度计的量程和线性度。

本实施方式的致动器20可以制作为整块平板状结构，而整块的平板状结构具有结构简单、易于加工的优点。

实施例3

本实施例与实施例2的区别仅在于：

作为一种实施方式，被覆于致动器20上的致动电极24的形状可以制作成与被覆于质量块4上的第一致动电极12a图形相同。作为另外一种实施方式，被覆于致动器20上的致动电极24的形状可以制作成与整个致动器20表面外廓相同，相对于上一种实施方式中的致动电极24图形化布置方式，全覆盖布置方式无需进一步光刻，制作方法更为简单。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1. 闭环控制式加速度计，其特征在于：包括石英振梁加速度敏感元件和致动器；所述石英振梁加速度敏感元件的质量块与致动器之间相对表面上设置有致动电极对，所述致动电极对，用于通过调整施加在致动电极对之间的电压来改变质量块的位置。

2. 根据权利要求1所述的闭环控制式加速度计，其特征在于：所述致动器包括上致动器和下致动器；与所述石英振梁加速度敏感元件的质量块上表面相对的上致动器的表面上设置有上致动电极；与所述上致动器的上致动电极相对应的石英振梁加速度敏感元件的质量块表面上设置有第一致动电极；与所述石英振梁加速度敏感元件的质量块下表面相对的下致动器的表面上设置有下致动电极；与所述下致动器的下致动电极相对应的石英振梁加速度敏感元件的质量块表面上设置有第二致动电极。

3. 根据权利要求2所述的闭环控制式加速度计，其特征在于：所述上致动器和下致动器分别通过设置于外缘的夹持梁与石英振梁加速度敏感元件外缘的固定框接合。

4. 根据权利要求1所述的闭环控制式加速度计，其特征在于：所述石英振梁加速度敏感元件还包括振梁、振梁激励电极、C形连接块、第一挠性桥、第二挠性桥、隔离框、第一连接梁、第二连接梁和致动电极引脚；所述振梁双端固接于质量块和C形连接块；所述振梁激励电极与振梁连接，用于激励振梁使之起振；所述C形连接块用于支撑质量块；所述质量块一侧通过第一挠性桥与C形连接块的一侧连接；所述质量块另一侧通过第二挠性桥与C形连接块的另一侧连接；所述第一连接梁连接C形连接块和隔离框，所述第二连接梁连接隔离框和固定框；所述致动电极引脚与第一致动电极电连通；所述振梁激励电极设置有第一振梁激励电极引脚和第二振梁激励电极引脚。

5. 根据权利要求2所述的闭环控制式加速度计，其特征在于：所述上、下致动器还包括支撑梁和板状块；所述支撑梁连接在夹持梁和板状块之间用于实现对板状块的重量支撑，所述板状块与石英振梁加速度敏感元件的质量块相对放置；所述第一致动电极和第二致动电极被覆于板状块上用于产生致动作用力。

6. 根据权利要求2所述的闭环控制式加速度计，其特征在于：所述第一致动电极和第二致动电极为直接镀于板状块内侧表面的金属膜致动电极；所述固定框与上下致动器的夹持梁之间通过直接键合或粘接剂粘接固接。

7. 根据权利要求2所述的闭环控制式加速度计，其特征在于：所述上下致动器为平板状。

8. 根据权利要求5所述的闭环控制式加速度计，其特征在于：所述夹持梁、支撑梁和板状块为一体式结构，其上被覆的第一致动电极和第二致动电极覆盖整个板状块表面。

9. 根据权利要求6所述的闭环控制式加速度计，其特征在于：所述第一致动电极、第二致动电极和振梁激励电极材料为铜、金或铝导电材料，所述金属膜为铬、钛或钛钨合金。

10. 根据权利要求2所述的闭环控制式加速度计，其特征在于：所述上下致动器表面被覆的上致动电极、下致动电极与质量块上被覆的第一致动电极、第二致动电极的形状相同。