【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及慣性導(dǎo)航的，具體而言，涉及一種低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)。
技術(shù)介紹
1、硅諧振式加速度計(jì)是一種基于諧振原理通過(guò)測(cè)量諧振頻率的變化來(lái)表征加速度的微機(jī)械慣性器件。與傳統(tǒng)電容式加速度計(jì)相比，諧振式加速度計(jì)在加速度敏感信號(hào)進(jìn)入電路前將其調(diào)制在諧振器的頻率上，保證了加速度信號(hào)不易受幅值誤差的影響，更容易實(shí)現(xiàn)高零偏穩(wěn)定性和標(biāo)度因素穩(wěn)定性，且硅諧振式加速度計(jì)同時(shí)具有體積小、價(jià)格低、易于集成、半數(shù)字化輸出等優(yōu)點(diǎn)，擁有向?qū)Ш郊?jí)精度發(fā)展的潛力，在國(guó)防和軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
2、硅諧振式加速度計(jì)一般由敏感質(zhì)量塊，杠桿放大結(jié)構(gòu)、諧振器、支撐機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成。諧振式加速度計(jì)的主要原理是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維持諧振器諧振，當(dāng)外界有加速度輸入時(shí)，敏感質(zhì)量塊將加速度轉(zhuǎn)換為慣性力，再通過(guò)放大杠桿放大作用到諧振器上，諧振器產(chǎn)生受拉或受壓變化，導(dǎo)致其諧振頻率發(fā)生改變，基于諧振器的力頻特性，通過(guò)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)諧振器諧振頻率的變化即可獲取加速度的信息。
3、硅諧振式加速度計(jì)最早起源于美國(guó)draper實(shí)驗(yàn)，其目前所研究出來(lái)的硅諧振式加速度計(jì)仍處于世界領(lǐng)先地位，零偏月穩(wěn)定性可達(dá)。另外，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)放大杠桿機(jī)構(gòu)的硅諧振式加速度計(jì)，標(biāo)度因數(shù)可達(dá)160hz/g，韓國(guó)首爾大學(xué)、意大利米蘭理工、法國(guó)宇航局等國(guó)家也均開(kāi)展了相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京航空航天控制儀器研究、南京理工大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)均積極開(kāi)展了硅諧振式加速度計(jì)的研究，提出了多種硅諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)。盡管?chē)?guó)內(nèi)國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多軸、高靈敏度、大量程
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于：通過(guò)優(yōu)化硅諧振加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少溫度變化帶來(lái)的熱應(yīng)力影響，從而提高其在極端溫變環(huán)境下的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。
2、本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案是：提供了一種低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括：中間層、上層玻璃蓋板和下層玻璃蓋板；
3、中間層包括：質(zhì)量塊、放大杠桿結(jié)構(gòu)、諧振器中心支撐梁、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒、中心錨點(diǎn)和外框架；
4、上層玻璃蓋板和下層玻璃蓋板分別蓋在中間層的外框架兩側(cè)與之鍵合，使中間層真空封裝，另外，上層玻璃蓋板內(nèi)部設(shè)置金屬導(dǎo)線與中間層的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒連接；
5、中心錨點(diǎn)設(shè)置在中間層的正中心并與上層玻璃蓋板鍵合，中間層的機(jī)械結(jié)構(gòu)以中心錨點(diǎn)為中心向兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒的一端通過(guò)諧振器中心支撐梁與中心錨點(diǎn)固定，另一端與上層玻璃蓋板鍵合，放大杠桿結(jié)構(gòu)連接在諧振器中心支撐梁另一端；當(dāng)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)具有加速度時(shí)，質(zhì)量塊在慣性作用下向放大杠桿結(jié)構(gòu)施加慣性力，慣性力通過(guò)放大杠桿結(jié)構(gòu)放大，再基于力頻特性改變驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒的諧振頻率，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒測(cè)量出受慣性力影響的諧振頻率，并通過(guò)金屬導(dǎo)線向外部引出頻率信號(hào)，表征加速度大小。
6、上述任一項(xiàng)技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，中間層還包括：雙端固定音叉式諧振器；
7、雙端固定音叉式諧振器連接在諧振器中心支撐梁上，諧振器中心支撐梁的細(xì)端固定在中心錨點(diǎn)的一側(cè)；
8、兩組放大杠桿結(jié)構(gòu)通過(guò)第三梁分別安裝在諧振器中心支撐梁的粗端兩側(cè)，放大杠桿結(jié)構(gòu)的第二梁與雙端固定音叉式諧振器連接，放大杠桿結(jié)構(gòu)的第一梁與質(zhì)量塊連接。
9、上述任一項(xiàng)技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，雙端固定音叉式諧振器包括：第一諧振器橫梁、第二諧振器橫梁和兩根諧振器側(cè)梁；
10、第一諧振器橫梁和第二諧振器橫梁均固定在諧振器中心支撐梁上，第一諧振器橫梁更靠近中心錨點(diǎn)；兩根諧振器側(cè)梁連接在第一諧振器橫梁和第二諧振器橫梁的端點(diǎn)上形成閉合框架結(jié)構(gòu)，諧振器側(cè)梁靠外側(cè)的中心處安裝驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒。
11、上述任一項(xiàng)技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，諧振器側(cè)梁靠近第一諧振器橫梁的部分剛度較大，靠近第二諧振器橫梁的一側(cè)剛度較小。
12、上述任一項(xiàng)技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒包括：活動(dòng)梳齒、第一固定梳齒、第二固定梳齒、電極；
13、活動(dòng)梳齒固定在諧振器側(cè)梁上，電極分別連接在第一固定梳齒和第二固定梳齒的一端，第一固定梳齒和第二固定梳齒均通過(guò)各自連接的電極與上層玻璃蓋板鍵合；活動(dòng)梳齒和第一固定梳齒的梳齒相互交錯(cuò)，形成驅(qū)動(dòng)電容，第一固定梳齒在活動(dòng)梳齒上施加靜電力驅(qū)動(dòng)其移動(dòng)，進(jìn)而使得諧振器側(cè)梁諧振；同時(shí)，第二固定梳齒與活動(dòng)梳齒形成檢測(cè)電容，通過(guò)第二固定梳齒檢測(cè)電容變化，從而測(cè)量出諧振器側(cè)梁的諧振頻率，表征加速度大小。
14、上述任一項(xiàng)技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，中間層還包括：質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)、質(zhì)量塊支撐梁；
15、質(zhì)量塊通過(guò)四個(gè)質(zhì)量塊支撐梁與四個(gè)質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)連接，四個(gè)質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)設(shè)置在外框架的四個(gè)框角內(nèi)，與上層玻璃蓋板鍵合。
16、上述任一項(xiàng)技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，質(zhì)量塊支撐梁為u型梁結(jié)構(gòu)。
17、上述任一項(xiàng)技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，諧振器側(cè)梁受到壓力或拉力后諧振頻率發(fā)生改變，單根諧振器側(cè)梁的諧振頻率可表示為：
18、
19、式中，ff為諧振器側(cè)梁受力后的諧振頻率，e為單晶硅的楊氏模量，w為諧振器側(cè)梁寬度，lf為諧振器側(cè)梁長(zhǎng)度，h為中間層厚度，f為單根諧振器側(cè)梁受到的壓力，若為拉力則為負(fù)值，ρ為單晶硅密度，m為諧振器側(cè)梁連接的活動(dòng)梳齒的質(zhì)量；
20、上式可由泰勒展開(kāi)，消除高次項(xiàng)得：
21、
22、式中，fn為不受拉壓應(yīng)力時(shí)，諧振器側(cè)梁的諧振頻率；因此諧振器側(cè)梁的諧振頻率與所受力呈線性關(guān)系，進(jìn)而可用于表征加速度大小。
23、本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果是：
24、本專(zhuān)利技術(shù)中通過(guò)設(shè)計(jì)中心支撐梁和中心錨點(diǎn)，將雙端固定音叉式諧振器的支撐點(diǎn)集中在加速度計(jì)的幾何中心，有效地減少了由于溫度變化引起的熱膨脹不匹配和熱應(yīng)力的影響。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得敏感部分(如諧振器)在溫度變化時(shí)接近自由熱膨脹狀態(tài)，減少了溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，顯著降低了溫度漂移(低溫漂)。
25、由于溫度變化對(duì)熱應(yīng)力的抑制，本專(zhuān)利技術(shù)使得加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性得到顯著提高。加速度計(jì)在極端溫變環(huán)境下仍能保持高度穩(wěn)定的性能，適用于高精度導(dǎo)航和慣性測(cè)量系統(tǒng)。
26、通過(guò)優(yōu)化支撐梁和支撐錨點(diǎn)的布局，本專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)的加速度計(jì)減少了不必要的支撐點(diǎn)，使得整體結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后，加工工藝要求降低，從而減小了因加工不精確而引入的共模誤差，進(jìn)一步提升了加速度計(jì)的穩(wěn)定性和性能。
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1.一種低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括：中間層、上層玻璃蓋板和下層玻璃蓋板；
2.如權(quán)利要求1所述的低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述中間層還包括：雙端固定音叉式諧振器(3)；
3.如權(quán)利要求2所述的低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述雙端固定音叉式諧振器(3)包括：第一諧振器橫梁(13)、第二諧振器橫梁(14)和兩根諧振器側(cè)梁(15)；
4.如權(quán)利要求3所述的低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述諧振器側(cè)梁(15)靠近第一諧振器橫梁(13)的部分剛度較大，靠近第二諧振器橫梁(14)的一側(cè)剛度較小。
5.如權(quán)利要求4所述的低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒(5)包括：活動(dòng)梳齒(18)、第一固定梳齒(19)、第二固定梳齒(20)、電極(21)；
6.如權(quán)利要求1所述的低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述中間層還包括：質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)(7)、質(zhì)量塊支撐梁(8)；
7.如權(quán)利要求6所述的低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述質(zhì)量塊支撐梁(8)為U型梁結(jié)
8.如權(quán)利要求5所述的低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述諧振器側(cè)梁(15)受到壓力或拉力后諧振頻率發(fā)生改變，單根諧振器側(cè)梁(15)的諧振頻率可表示為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括：中間層、上層玻璃蓋板和下層玻璃蓋板；
2.如權(quán)利要求1所述的低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述中間層還包括：雙端固定音叉式諧振器(3)；
3.如權(quán)利要求2所述的低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述雙端固定音叉式諧振器(3)包括：第一諧振器橫梁(13)、第二諧振器橫梁(14)和兩根諧振器側(cè)梁(15)；
4.如權(quán)利要求3所述的低溫漂硅諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述諧振器側(cè)梁(15)靠近第一諧振器橫梁(13)的部分剛度較大，靠近第二諧振器橫梁(14)的一側(cè)剛度較小。
<...【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：姜潮，陳盼，姚中洋，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：湖南大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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