[发明专利]一种全对称解耦的直接输出频率加速度计

说明书

本发明公开了一种全对称解耦的直接输出频率加速度计，所述加速度计结构为整体呈全对称分布；包括质量块(1)、第一检测弹性梁(2)、第二检测弹性梁(3)、第三检测弹性梁(4)、第四检测弹性梁(5)、第一谐振音叉(6)、第二谐振音叉(7)和外框架(8)；这种加速度计的设计特点在于：(1)采用直接输出频率，极大地减少信号损失，实现微弱信号检测。(2)采用全对称解耦结构，可以降低正交误差，提高加速度计的信噪比。(3)采用差动谐振结构，可以增加灵敏度，抑制大多数类型的共模干扰。(4)平面方案设计，易于适应线切割加工或MEMS相关工艺，易于小型化。

技术领域

本发明涉及一种直接输出频率加速度计，特别是一种全对称解耦的直接输出频率加速度计结构，属于谐振式加速度计设计领域的总体结构设计方向。

背景技术

近年来，随着微机械技术的发展，制造价格便宜体积小并且性能良好的微机械加速度计正成为研究的热点。研究人员为提高微机械加速度计的性能，采用了一系列如设计新型结构，驱动与检测电路的优化控制，真空封装等方法。虽然这些方法会一定程度提高灵敏度，同时也会带来一些新的问题，特别是工艺精度不高的情况下，工艺偏差使机械耦合更加严重；真空封装虽然可以提高加速度计系统的品质因子，但是增加工艺难度和制作成本的同时也降低了器件长期工作稳定性。最关键的是信号检测时都是利用电容检测微小的电容变化量从而解调出被测信号，电容信号是一种典型的微弱模拟信号，不仅不容易精确检测而且受环境干扰很大。于此，降低信号之间的耦合，被测信号受干扰程度小易检测是微机械加速度计的技术难点。因此，研制一种能实现信号容易检测，灵敏度高，在常压下稳定工作的微机械加速度计，是目前微机械加速度计敏感结构亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种直接输出频率的加速度计，以提高加速度计的输出信号抗干扰能力；提出一种全对称解耦结构，以提高加速度计的灵敏度。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种全对称解耦的直接输出频率加速度计，所述加速度计结构为整体呈全对称分布；包括质量块、第一检测弹性梁、第二检测弹性梁、第三检测弹性梁、第四检测弹性梁、第一谐振音叉、第二谐振音叉和外框架；第一谐振音叉和第二谐振音叉组成驱动谐振系统；质量块、第一检测弹性梁、第二检测弹性梁、第三检测弹性梁、第四检测弹性梁、第一谐振音叉和第二谐振音叉组成检测系统；第一检测弹性梁和第二检测弹性梁对称且沿y方向，第三检测弹性梁和第四检测弹性梁对称且沿y方向；第一检测弹性梁和第二检测弹性梁连接于质量块与外框架的顶部；第三检测弹性梁和第四检测弹性梁连接于质量块与外框架的底部；第一谐振音叉和第二谐振音叉沿x方向水平放置于外框架与质量块的中心；第一谐振音叉和第二谐振音叉通过谐振频率的改变感受从质量块传递的惯性力。

所述陀螺的结构设计针对线切割机械加工工艺或者MEMS硅微加工工艺，整块原料加工一体成型，部件之间是一个整体，直接连接在一起，无可拆卸零件。

所述整体呈全对称分布是指呈x和y方向全对称。

所述质量块结构呈“工”型。

所述第一谐振音叉和第二谐振音叉形成一对差动谐振体，在同一时刻一个谐振音叉的谐振频率增高时，另一个谐振频率降低。

本发明利用框架机构和质量块将惯性力传递为谐振音叉的轴向力。第一谐振音叉和第二谐振音叉为检测谐振系统，交变的惯性力改变谐振梁的自然角频率，通过谐振音叉的自激振荡系统，谐振音叉可以跟踪自身自然角频率点的变化。输出信号的频率量就是谐振音叉自身的自然角频率大小。由于谐振音叉自然角频率同惯性力大小呈线性关系，检测输出信号的频率就可以解算出加速度外载荷的大小。