一体式四石英音叉谐振敏感元件及测力模块制造技术

本实用新型专利技术公开了一种一体式四石英音叉谐振敏感元件及测力模块，其中谐振敏感元件包括施力结构件，其四周连接四个音叉，四个音叉端部均设有便于安装固定的底座；每个音叉包括两个叉指，每个叉指表面均涂覆有电极区；四个音叉工作在面内弯曲振动模态，其中第一音叉和第二音叉相对设置且谐振频率对应一个方向拉应力、压应力敏感，第三音叉和第四音叉相对设置且谐振频率对应另一个方向拉应力、压应力敏感；四个音叉和施力结构件底座均为一体成型石英结构体。该谐振敏感元件通过检测四个音叉所在轴向谐振频率差值可对不同方向分力进行测量，避免不同材料组装后导致的热膨胀系数不同、胶粘剂在温度变化时发生蠕变以及内应力存在的问题，测力精度高。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种传感器检测领域，特别涉及一种一体式四石英音叉谐振敏感元件及测力模块。
技术介绍
石英双端固定音叉，是一种基于面内弯曲振动模态的力频谐振器，其结构为两个固定端之间连接有两个音叉叉指，构成双梁音叉结构。由于谐振器的两根梁以180度的相位差反向振动，使得在振梁连接处的固定端部分产生的力和力矩相互抵消，以减少振动能量的损失，获得很高的品质因数，不需要特殊的隔振系统，利用石英晶体本身的压电效应，不需要加额外的装置，就可以激励和检测双梁的振动频率。该石英双端固定音叉，具有直接输出数字信号、温度特性稳定、动态范围广、灵敏度高、可以批量生产等优点，广泛应用于加速度传感器和陀螺仪的转换元件中。当石英双端固定音叉用作为力传感器，作为加速度传感器的转换元件时，其原理是通过质量结构把被测的加速度转化为惯性力施加到振动梁上，引起振梁谐振频率的变化，检测出该频率就可以计算出相应的加速度。在实际应用过程中，容易出现的问题是，在高精度需求的战略导航、地震监测等领域，由于温度漂移会带来的测量误差，石英振梁加速度计的性能还不能达到要求。为此，现有的方法一般采用温度补偿方式来克服温度漂移带来的测量误差，即将两个完全相同的石英双梁谐振器进行反向安装在中间施力结构上，两端再分别采用两个端部底座固定，以构成差动结构的双石英音叉谐振元件，通过检测两弯曲梁的频率差来减小温度变化对输出频率的影响。其存在的问题是，现有技术一般是将两个石英双梁谐振器的每个音叉叉指与中间施力传动结构采用粘接的方式连接，如采用胶粘剂或玻璃粉等材料进行粘接，由于粘接后的双石英音叉谐振元件各材料之间线膨胀系数不同，因此各材料间的热性能不匹配，胶粘剂在温度变化时发生蠕变和失效，再加上装配结构较为复杂以及结构应力集中等因素，均直接对该双石英音叉谐振元件传感器的精度带来显著的影响。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术中所存在的现有双石英音叉谐振元件的音叉叉指与中间施力传动结构采用粘接的方式连接，带来的各材料之间线膨胀系数不同、热性能不匹配、胶粘剂在温度变化时发生蠕变和失效对该谐振元件的精度带来显著影响的上述不足，提供一种一体式四石英音叉谐振敏感元件，同时还提供了一种测力模块。为了实现上述技术目的，本技术提供了以下技术方案：一种一体式四石英音叉谐振敏感元件，包括施力结构件，所述施力结构件四周分别连接有第一音叉、第二音叉、第三音叉和第四音叉，所述第一音叉、第二音叉、第三音叉和第四音叉端部均设有便于安装固定的底座；所述第一音叉包括第一叉指和第二叉指，所述第二音叉包括第三叉指和第四叉指，所述第三音叉包括第五叉指和第六叉指，所述第四音叉括第七叉指和第八叉指；所述第一音叉、第二音叉、第三音叉和第四音叉表面均涂覆有电极区；所述第一音叉、第二音叉、第三音叉和第四音叉工作在面内弯曲振动模态，其中所述第一音叉和第二音叉相对设置且谐振频率相对一个方向拉应力、压应力敏感，所述第三音叉和第四音叉相对设置且谐振频率相对另一个方向拉应力、压应力敏感；所述第一音叉、第二音叉、第三音叉、第四音叉和施力结构件底座均为一体成型石英结构体。本技术所述一体式四石英音叉谐振敏感元件，采用施力结构件、第一音叉、第二音叉、第三音叉、第四音叉和底座均为微机工艺一体成型，且为石英结构体，第一音叉和第二音叉对称设置在施力结构件两侧形成差动结构，第三音叉和第四音叉对称设置在施力结构件两侧形成差动结构，两对差动结构能够在不同的方向上对拉应力、压应力进行检测，能够有效解决现有的双石英音叉谐振元件因分离元件安装过程无法避免安装精度和结构与材料间的应力问题，能够避免不同材料组装后导致的热膨胀系数不同、热性能不匹配、胶粘剂在温度变化时发生蠕变以及内应力的存在问题，减少了对该谐振元件的精度带来影响。该谐振敏感元件在使用时，只需要通过施力结构件进行力的输入，当引起第一音叉和第二音叉的一对双梁变形，可通过频率检测电路将第一音叉和第二音叉串联形成回路将谐振频率分别输出，将外力转换为电信号，从而完成对该第一音叉和第二音叉所在轴向力的数字化感应与测量；当引起第三音叉和第四音叉的另一对双梁变形，可通过频率检测电路将第三音叉和第四音叉串联形成回路将谐振频率分别输出，将外力转换为电信号，从而完成对该第三音叉和第四音叉所在轴向力的数字化感应与测量；另外，由于该一体式四石英音叉谐振敏感元件是通过检测两对的四个音叉所在轴向谐振频率差值来得到分力的测量，叠加后可获得整个力作用值和方向，能够有效减小温度变化影响谐振频率输出值，提高对力的检测精度和分辨率，稳定性更好，该谐振敏感元件具有频率输出、体积小、敏感度高以及品质因数高等优点。优选地，所述第一音叉、第二音叉相对所述施力结构件的连接方向，与所述第三音叉和第四音叉相对所述施力结构件的连接方向相互垂直。相互垂直设置的第一音叉、第二音叉和第三音叉、第四音叉，分别设于谐振敏感元件的轴向和横向，能够分别检测作用在谐振敏感元件上力相对轴向分力及横向分力的大小，能够通过轴向分力和横向分力来获得作用力大小以及方向，检测精度更高。优选地，所述第一叉指和第二叉指相互平行设置在施力结构件上，所述第三叉指和第四叉指相互平行设置在施力结构件上，所述第五叉指和第六叉指相互平行设置在施力结构件上，所述第七叉指和第八叉指相互平行设置在施力结构件上，提高检测精度。优选地，所述第一叉指和第二叉指之间的槽一长度短于所述第一叉指和第二叉指长度，所述第三叉指和第四叉指之间的槽二长度短于所述第三叉指和第四叉指长度，所述第五叉指和第六叉指之间的槽三长度短于所述第五叉指和第六叉指长度，所述第七叉指和第八叉指之间的槽四长度短于所述第七叉指和第八叉指长度，以获得满足该敏感元件的八个叉指力学性能要求的弯曲刚度。优选地，所述第一叉指和第二叉指的一端通过导电连接线连接，所述第一叉指和第二叉指的另一端分别设置正极接口和负极接口；所述第三叉指和第四叉指的一端通过导电连接线连接，所述第三叉指和第四叉指的另一端分别设置正极接口和负极接口；所述第五叉指和第六叉指的一端通过导电连接线连接，所述第五叉指和第六叉指的另一端分别设置正极接口和负极接口；所述第七叉指和第八叉指的一端通过导电连接线连接，所述第七叉指和第八叉指的另一端分别设置正极接口和负极接口。在第一叉指一端和第二叉指的一端通过导电连接线连接，并且第一叉指另一端和第二叉指另一端分别连接正极接口和负极接口，第一叉指和第二叉指上均涂覆有电极区，从而第一叉指和第二叉指实现相互串联，在对第一叉指和第二叉指进行谐振频率检测并输出时，只需要通过频率检测电路将正极接口和负极接口连通即可，同理，第五叉指和第六叉指，第七叉指和第八叉指结构类似，其连接方便可靠，提高了检测效率。优选地，连接连接所述第一叉指、第二叉指、所述第三叉指、第四叉指、第五叉指、第六叉指、第七叉指和第八叉指上的导电连接线均设于所述施力结构件上。优选地，所述第一叉指、第二叉指、所述第三叉指、第四叉指、第五叉指、第六叉指、第七叉指和第八叉指上的所述正极接口和负极接口均设于底座上，且均为金属薄膜材质接口。优选地，所述第一叉指、第二叉指、第三叉指、第四叉指、第五叉指、第六叉指、第七叉指和第八叉指的四个表面均涂覆有电极区，且每个表面均涂覆的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种一体式四石英音叉谐振敏感元件，包括施力结构件(7)，其特征在于，所述施力结构件(7)四周分别连接有第一音叉(1)、第二音叉(2)、第三音叉(3)和第四音叉(4)，所述第一音叉(1)、第二音叉(2)、第三音叉(3)和第四音叉(4)端部均设有便于安装固定的底座(8)；所述第一音叉(1)包括第一叉指(11)和第二叉指(12)，所述第二音叉(2)包括第三叉指(21)和第四叉指(22)，所述第三音叉(3)包括第五叉指(31)和第六叉指(32)，所述第四音叉(4)包括第七叉指(41)和第八叉指(42)；所述第一音叉(1)、第二音叉(2)、第三音叉(3)和第四音叉(4)表面均涂覆有电极区；所述第一音叉(1)、第二音叉(2)、第三音叉(3)和第四音叉(4)工作在面内弯曲振动模态，其中所述第一音叉(1)和第二音叉(2)相对设置且谐振频率相对一个方向拉应力、压应力敏感，所述第三音叉(3)和第四音叉(4)相对设置且谐振频率相对另一个方向拉应力、压应力敏感；所述第一音叉(1)、第二音叉(2)、第三音叉(3)、第四音叉(4)和施力结构件(7)、底座(8)均为一体成型石英结构体。

【技术特征摘要】
1.一种一体式四石英音叉谐振敏感元件，包括施力结构件(7)，其特征在于，所述施力结构件(7)四周分别连接有第一音叉(1)、第二音叉(2)、第三音叉(3)和第四音叉(4)，所述第一音叉(1)、第二音叉(2)、第三音叉(3)和第四音叉(4)端部均设有便于安装固定的底座(8)；所述第一音叉(1)包括第一叉指(11)和第二叉指(12)，所述第二音叉(2)包括第三叉指(21)和第四叉指(22)，所述第三音叉(3)包括第五叉指(31)和第六叉指(32)，所述第四音叉(4)包括第七叉指(41)和第八叉指(42)；所述第一音叉(1)、第二音叉(2)、第三音叉(3)和第四音叉(4)表面均涂覆有电极区；所述第一音叉(1)、第二音叉(2)、第三音叉(3)和第四音叉(4)工作在面内弯曲振动模态，其中所述第一音叉(1)和第二音叉(2)相对设置且谐振频率相对一个方向拉应力、压应力敏感，所述第三音叉(3)和第四音叉(4)相对设置且谐振频率相对另一个方向拉应力、压应力敏感；所述第一音叉(1)、第二音叉(2)、第三音叉(3)、第四音叉(4)和施力结构件(7)、底座(8)均为一体成型石英结构体。2.根据权利要求1所述的一体式四石英音叉谐振敏感元件，其特征在于，所述第一音叉(1)、第二音叉(2)相对所述施力结构件(7)的连接方向，与所述第三音叉(3)和第四音叉(4)相对所述施力结构件(7)的连接方向相互垂直。3.根据权利要求2所述的一体式四石英音叉谐振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)之间的槽一(13)长度短于所述第一叉指(11)和第二叉指(12)长度，所述第三叉指(21)和第四叉指(22)之间的槽二(23)长度短于所述第三叉指(21)和第四叉指(22)长度，所述第五叉指(31)和第六叉指(32)之间的槽三(33)长度短于所述第五叉指(31)和第六叉指(32)长度，所述第七叉指(41)和第八叉指(42)之间的槽四(43)长度短于所述第七叉指(41)和第八叉指(42)长度。4.根据权利要求1所述的一体式四石英音叉谐振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的一端通过导电连接线(61)连接，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的另一端分别设置正极接口(62)和负极接口(63)；所述第三叉指(21)和第四叉指(22)的一端通过导电连接线(61)连接，所述第三叉指(21)和第四叉指(22)的另一端分别设置正极接口(62)和负极接口(63)；所述第五叉指(31)和第六叉指(32)的一端通过导电连接线(61)连接，所述第五叉指(31)和第六叉指(32)的另一端分别设置正极接口(62)和负极接口(63)；所述第七叉指(41)和第八叉指(42)的一端通过导电连接线(61)连接，所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘静，
申请(专利权)人：成都皆为科技有限公司，
类型：新型
国别省市：四川;51