[发明专利]闭环控制式加速度计

说明书

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，导航和制导等惯导系统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。