[发明专利]一种一体式三梁石英音叉谐振力敏单元

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器检测领域，特别涉及一种一体式三梁石英音叉谐振力敏单元。

背景技术

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。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时，其原理是通过结构把被测的外力施加到振动梁上，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外力大小。但是由于这样的结构无法避免振梁连接处的固定端部分产生的力矩，导致振动能量的损失，从而降低了力敏单元的品质因数。

因此本发明提出全石英一体式三梁结构的力敏单元，该结构有着双梁结构同样的工作特性外同时可以很好的解决振梁扭力的存在达到更好的平衡，提升器件的品质因数，保证灵敏度的情况下，量程提高10倍以上。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的现有双梁石英音叉谐振元件的音叉叉指无法避免的扭力作用外，同时双梁石英音叉谐振元件的音叉叉指在振动时受到固定块部分的强固定导致波容易反射产生寄生干扰，从而显现出部件的品质因数下降等上述不足，提供一种一体式三梁结构的压电石英力敏单元。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案。

一种一体式三梁石英音叉谐振力敏单元，包括三梁音叉，所述三梁音叉包括第一叉指、第二叉指和第三音叉，所述第一叉指、第二叉指和第三音叉的两端分别连接在凸台上；所述第一叉指、第二叉指和第三音叉表面均涂覆有电极区；所述第一叉指、第二叉指和第三音叉工作在面内弯曲振动模态，谐振频率对轴向拉应力、压应力敏感；所述三梁音叉、凸台和底座均为一体成型石英结构体。

本发明所述一种一体式三梁石英音叉谐振力敏单元，采用施力结构件、第一音叉、第二音叉、第三音叉和凸台及底座均为微机工艺一体成型，且为石英结构体，第一音叉、第二音叉和第三音叉平行的连接在凸台上。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，引起第一音叉、第二音叉和第三音叉的三梁变形，可通过频率检测电路将第一音叉、第二音叉和第三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，从而完成对力的数字化感应与测量；另外，由于该一体式三梁石英音叉谐振力敏单元是通过检测三个音叉的谐振频率差值来得到力的测量，能够有效减小梁与梁之间的振动干扰和扭力的干扰，进而影响对力的检测精度和分辨率，能够提高检测的稳定性，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。

优选的，所述第一叉指、第二叉指和第三音叉相互平行设置在施力结构件上，便于提高检测精度。

优选的，所述第一叉指、第二叉指的宽度相同，二者的宽度为第三叉指宽度的一半。这样形成了振动平衡状态有助于消除双叉指件的扭力作用，提高单元的品质因数。

优选的，所述第一叉指、第二叉指和第三叉指相互平行设置在所述凸台上。该凸台的设计有助于弱化基座的强连接，有助于降低叉指根部对梁的振动反射从而形成寄生振动，降低力敏单元的品质因数。

优选的，三梁力敏单元采用一体式结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果。

1、本发明所述一种一体式三梁石英音叉谐振力敏单元，采用第一音叉、第二音叉、第三叉指、凸台和底座均为微机工艺一体成型，且为石英结构体。其中第一叉指、第二叉指的宽度相同，二者的宽度为第三叉指宽度的一半。这样形成了振动平衡状态有助于消除双叉指件的扭力作用，提高单元的品质因数。

2、本发明所述一种一体式三梁石英音叉谐振力敏单元，在第一叉指、第二叉指和第三叉指相互平行设置在所述两端凸台上而不是直接与基座连接。该凸台的设计有助于弱化基座的强连接，有助于降低叉指根部对梁的振动反射抑制寄生振动的干扰，有助于提升力敏单元的品质因数。

附图说明：

图1为本发明所述一种一体式三梁石英音叉谐振力敏单元的结构示意图。

图2为图1中三梁音叉工作在面内弯曲振动模态的示意图。

图中标记：

1、音叉，11、第一叉指，12、第二叉指，13、第三叉指，2、槽，21、槽一，22、槽二，3、凸台，4、基座。

具体实施方式