一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件及測力模塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件及測力模塊，其中一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件包括雙梁音叉，雙梁音叉包括第一叉指和第二叉指，第一叉指和第二叉指的兩端分別連接在施力結構件和底座上；第一叉指和第二叉指表面均涂覆有電極區；第一叉指和第二叉指工作在面內彎曲振動模態，諧振頻率對軸向拉應力、壓應力敏感；施力結構件、雙梁音叉和底座均為一體成型石英結構體。該一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件能夠避免不同材料組裝后導致的熱膨脹系數不同、熱性能不匹配、膠粘劑在溫度變化時發生蠕變以及內應力的存在問題，減少了對該諧振元件的精度帶來影響。
【專利說明】
一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件及測力模塊
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種傳感器檢測領域，特別涉及一種一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件及測力模塊。
【背景技術】
[0002]石英雙端固定音叉，是一種基于面內彎曲振動模態的力頻諧振器，其結構為兩個固定端之間連接有兩個音叉叉指，構成雙梁音叉結構。由于諧振器的兩根梁以180度的相位差反向振動，使得在振梁連接處的固定端部分產生的力和力矩相互抵消，以減少振動能量的損失，獲得很高的品質因數，不需要特殊的隔振系統，利用石英晶體本身的壓電效應，不需要加額外的裝置，就可以激勵和檢測雙梁的振動頻率。該石英雙端固定音叉，具有直接輸出數字信號、溫度特性穩定、動態范圍廣、靈敏度高、可以批量生產等優點，廣泛應用于加速度傳感器和陀螺儀的轉換元件中。
[0003]當石英雙端固定音叉用作為力傳感器，作為加速度傳感器的轉換元件時，其原理是通過質量結構把被測的加速度轉化為慣性力施加到振動梁上，引起振梁諧振頻率的變化，檢測出該頻率就可以計算出相應的加速度。在實際應用過程中，容易出現的問題是，在高精度需求的戰略導航、地震監測等領域，由于溫度漂移會帶來的測量誤差，石英振梁加速度計的性能還不能達到要求。即現有技術一般是將石英雙梁的兩個叉指與中間施力傳動結構采用粘接的方式連接，如采用膠粘劑或玻璃粉等材料進行粘接，由于粘接后的石英音叉諧振元件各材料之間線膨脹系數不同，因此各材料間的熱性能不匹配，膠粘劑在溫度變化時發生蠕變和失效，再加上裝配結構較為復雜以及結構應力集中等因素，均直接對該石英雙梁諧振元件傳感器的精度帶來顯著的影響。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的在于克服現有技術中所存在的現有石英雙梁音叉諧振元件的兩個叉指與中間施力傳動結構采用膠粘劑來粘接連接的方式連接，帶來的各材料之間線膨脹系數不同、熱性能不匹配、膠粘劑在溫度變化時發生蠕變和失效對該諧振元件的精度帶來顯著影響的上述不足，提供一種一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，同時還提供了一種測力模塊。
[0005]為了實現上述實用新型目的，本實用新型提供了以下技術方案:
[0006]—種一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，包括雙梁音叉，所述雙梁音叉包括第一叉指和第二叉指，所述第一叉指和第二叉指的兩端分別連接在施力結構件和底座上;所述第一叉指和第二叉指表面均涂覆有電極區；所述第一叉指和第二叉指工作在面內彎曲振動模態，諧振頻率對軸向拉應力、壓應力敏感;所述施力結構件、雙梁音叉和底座均為一體成型石英結構體。
[0007]本實用新型所述一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，采用施力結構件、雙梁音叉和底座均為微機工藝一體成型，且為石英結構體，雙梁音叉的第一叉指和第二叉指對稱設置在施力結構件和底座之間，有效解決現有的石英雙梁音叉諧振元件因分離元件安裝過程無法避免安裝精度和結構與材料間的應力問題，能夠避免不同材料組裝后導致的熱膨脹系數不同、熱性能不匹配、膠粘劑在溫度變化時發生蠕變以及內應力的存在問題，減少了對該諧振元件的精度帶來影響。該諧振敏感元件在使用時，只需要通過施力結構件進行力的輸入，引起雙梁音叉的雙梁變形，可通過頻率檢測電路將雙梁音叉的兩個叉指串聯形成回路將諧振頻率分別輸出，將外力轉換為電信號，從而完成對力的數字化感應與測量;能夠有效減小溫度變化影響諧振頻率輸出值，進而影響對力的檢測精度和分辨率，能夠提高檢測的穩定性，該諧振敏感元件具有頻率輸出、體積小、敏感度高以及品質因數高等優點。
[0008]優選地，所述第一叉指和第二叉指相互平行設置在施力結構件上，便于提高檢測精度。
[0009]優選地，所述第一叉指和第二叉指之間的槽長度短于所述第一叉指和第二叉指長度，以獲得該敏感元件的第一叉指和第二叉指滿足性能要求的彎曲剛度。
[0010]優選地，所述第一叉指和第二叉指的一端通過導電連接線連接，所述第一叉指和第二叉指的另一端分別設置正極接口和負極接口。
[0011]在第一叉指一端和第二叉指的一端通過導電連接線連接，并且第一叉指另一端和第二叉指另一端分別連接正極接口和負極接口，第一叉指和第二叉指上均涂覆有電極區，從而第一叉指和第二叉指實現相互串聯，在對第一叉指和第二叉指進行諧振頻率檢測并輸出時，只需要通過頻率檢測電路將正極接口和負極接口連通即可，連接方便可靠，提高了檢測效率。
[0012]優選地，連接所述第一叉指和第二叉指的導電連接線設于所述施力結構件上。
[0013]優選地，所述第一叉指、第二叉指上的所述正極接口和負極接口均設于底座上，且均為金屬薄膜材質接口。
[0014]優選地，所述第一叉指、第二叉指的四個表面均涂覆有電極區，且每個表面均涂覆的電極區為間隔分布的正電極區和負電極區，每個叉指相對的兩個表面相對正電極區和負電極區的位置相對分布，每個叉指相鄰的兩個表面的正電極區和負電極區交錯分布，避免每個叉指的電極區形成短路。
[0015]優選地，所述施力結構件上設有便于連接施力杠桿的施力孔，所述底座上設有用于安裝的安裝孔。通過外部的施力杠桿與施力結構件的施力孔適配，完成力傳遞到施力結構件上，進而傳遞給雙梁音叉。
[0016]本實用新型還提供了一種測力模塊，包括載體，所述載體上設有上述的一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，以及與所述一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件適配的施力杠桿，所述第一叉指、第二叉指之間電連接有電子振蕩回路和頻率采集模塊。
[0017]該測力模塊，包括用于安裝一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件的載體，載體上設有施力杠桿，同時，載體上設有電連接第一叉指、第二叉指的電子振蕩回路和頻率采集模塊，用于將第一叉指和第二叉指電導通以及輸出雙梁音叉的諧振頻率;該測力模塊能夠方便的將一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件安裝在載體上，能夠通過檢測雙梁音叉的諧振頻率頻偏值來完成力的感應與測量，有效減小溫度變化影響諧振頻率輸出值，進而影響對力的檢測精度和分辨率，能夠提高檢測的穩定性，該測力模塊結構簡單、安裝方便，具有頻率輸出、體積小、敏感度高以及品質因數高的優點。
[0018]優選地，所述載體上設有石英板安裝槽，所述一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件通過石英砂與所述石英板安裝槽燒結在一起。
[0019]通過石英砂將一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件于載體燒結在一起，能夠使一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件更加穩固的連接在載體上，使整個測力模塊的材料熱性能更加匹配，避免了通過現有膠粘劑連接而導致的在溫度變化時發生蠕變以及內應力的存在問題，能夠提高測力模塊的檢測精度。
[0020]與現有技術相比，本實用新型的有益效果:
[0021]1、本實用新型所述一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，采用施力結構件、雙梁音叉和底座均為微機工藝一體成型，且為石英結構體，雙梁音叉的第一叉指和第二叉指對稱設置在施力結構件和底座之間，有效解決現有的石英雙梁音叉諧振元件因分離元件安裝過程無法避免安裝精度和結構與材料間的應力問題，能夠避免不同材料組裝后導致的熱膨脹系數不同、熱性能不匹配、膠粘劑在溫度變化時發生蠕變以及內應力的存在問題，減少了對該諧振元件的精度帶來影響；該諧振敏感元件在使用時，只需要通過施力結構件進行力的輸入，引起雙梁音叉的雙梁變形，可通過頻率檢測電路將雙梁音叉的兩個叉指串聯形成回路將諧振頻率分別輸出，將外力轉換為電信號，從而完成對力的數字化感應與測量;能夠有效減小溫度變化影響諧振頻率輸出值，進而影響對力的檢測精度和分辨率，能夠提高檢測的穩定性，該諧振敏感元件具有頻率輸出、體積小、敏感度高以及品質因數高等優點；
[0022]2、本實用新型所述一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，在第一叉指一端和第二叉指的一端通過導電連接線連接，并且第一叉指另一端和第二叉指另一端分別連接正極接口和負極接口，第一叉指和第二叉指上均涂覆有電極區，從而第一叉指和第二叉指實現相互串聯，在對第一叉指和第二叉指進行諧振頻率檢測并輸出時，只需要通過頻率檢測電路將正極接口和負極接口連通即可，連接方便可靠，提高了檢測效率；
[0023]3、本實用新型所述一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，在施力結構件上設有便于連接施力杠桿的施力孔，通過外部的施力杠桿與施力結構件的施力孔適配，完成力傳遞到施力結構件上，進而傳遞給雙梁音叉；
[0024]4、本實用新型所述一種測力模塊，包括用于安裝一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件的載體，載體上設有施力杠桿，同時，載體上設有電連接第一叉指、第二叉指的電子振蕩回路和頻率采集模塊，用于將第一叉指和第二叉指電導通以及輸出雙梁音叉的諧振頻率；該測力模塊能夠方便的將一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件安裝在載體上，能夠通過檢測雙梁音叉的諧振頻率頻偏值來完成力的感應與測量，有效減小溫度變化影響諧振頻率輸出值，進而影響對力的檢測精度和分辨率，能夠提高檢測的穩定性，該測力模塊結構簡單、安裝方便，具有頻率輸出、體積小、敏感度高以及品質因數高的優點。
【附圖說明】
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[0025]圖1為本實用新型所述一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件的結構示意圖；
[0026]圖2為圖1中雙梁音叉工作在面內彎曲振動模態的示意圖；
[0027]圖3為圖1中雙梁音叉的第一叉指和第二叉指表面電極區分布示意圖；
[0028]圖4為圖3的左視圖；
[0029]圖5為圖1中施力結構件與施力杠桿適配的示意圖；
[0030]圖6為本實用新型所述一種測力模塊的結構示意圖。
[0031]圖中標記:
[0032]1、雙梁音叉，11、第一叉指，12、第二叉指，2、槽，3、施力結構件，31、施力孔，4、底座，41、安裝孔，51、正電極區，52、負電極區，61、連接線，62、正極接口，63、負極接口，7、施力杠桿，8、載體，9、安裝槽。
【具體實施方式】
[0033]下面結合試驗例及【具體實施方式】對本實用新型作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本實用新型上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本【實用新型內容】所實現的技術均屬于本實用新型的范圍。
[0034]實施例1
[0035]如圖1所示，一種一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，包括雙梁音叉I，施力結構件3，雙梁音叉I包括第一叉指11和第二叉指12，第一叉指11和第二叉指12的兩端分別連接在施力結構件3和底座4上;第一叉指11和第二叉指12表面均涂覆有電極區；第一叉指11和第二叉指12工作在面內彎曲振動模態，諧振頻率對軸向拉應力、壓應力敏感;施力結構件3、雙梁音叉I和底座4均為一體成型石英結構體。
[0036]如圖2所示，該一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件沿軸向長度方向為Y軸方向，雙梁音叉I的寬度方向為X軸方向，為了防止兩個叉指的振動模態互相干擾，位于雙梁音叉I支架的施力結構件3的尺寸遠大于兩個叉指(即第一叉指11、第二叉指12)的尺寸。另外，第一叉指11、第二叉指12端部連接在底座4上連接方式，均為采用與石英材料溫度系數相匹配的玻璃粉封接，此結構可使該諧振敏感元件材料間的熱性能匹配，而且玻璃粉作為膠粘劑不易失效。
[0037]上述第一叉指11和第二叉指12相互平行設置在施力結構件3上，能夠提高檢測精度。另外，第一叉指11和第二叉指12之間的槽2長度短于第一叉指11和第二叉指12長度，以獲得該敏感元件的第一叉指11和第二叉指12滿足性能要求的彎曲剛度。
[0038]如圖3、4所示，在第一叉指11一端和第二叉指12的一端通過導電連接線61連接，并且第一叉指11另一端和第二叉指12另一端分別連接正極接口 62和負極接口 63，第一叉指11和第二叉指12上均涂覆有電極區，從而第一叉指11和第二叉指12實現相互串聯，以形成雙梁音叉I獨立的正負電極，可以采集對應的雙梁音叉I的諧振頻率信號；如在對第一叉指11和第二叉指12進行諧振頻率檢測并輸出時，只需要通過頻率檢測電路將正極接口 62和負極接口63連通即可，連接方便可靠，提高了檢測效率。進一步的，可將連接第一叉指11和第二叉指12的導電連接線61設于施力結構件3上;第一叉指11、第二叉指12上的正極接口 62和負極接口 63均設于底座4上，且均為金屬薄膜材質接口。
[0039]另外，為了提高雙梁音叉I獨立正負電極電連通的可靠性，在第一叉指11、第二叉指12表面均涂覆有電極區，且每個表面均涂覆的電極區為間隔分布的正電極區51和負電極區52，每個叉指相對的兩個表面相對正電極區51和負電極區52的位置相對分布，每個叉指相鄰的兩個表面的正電極區51和負電極區52交錯分布，避免每個叉指的電極區形成短路。每個叉指上的正電極區51和負電極區52均為面電極的方式進行濺射鍍膜。
[0040]如圖5所示，該施力結構件3上還設有便于連接施力杠桿7的施力孔31，施力孔31采用端面三角形的通孔結構，施力孔31的三個角采用倒圓弧的設計避免應力集中，兩個底座4上設有用于安裝的安裝孔41。通過外部的施力杠桿7與施力結構件3的施力孔31適配，即外部三棱柱形狀的施力杠桿7置放如施力孔31中，三棱柱形狀的施力杠桿7的三個側面與施力孔31的內壁接觸，從而完成施力杠桿7與施力結構件3的相互連接，力通過施力杠桿7傳遞到施力結構件3上，進而傳遞給雙梁音叉I和第二音叉2。
[0041]該一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件的工作原理是，在施力作用下，該一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件將以一定的頻率振動，即當外力通過施力杠桿7作用在施力結構件3上時，施力結構件3的施力孔31的兩個側壁的形變使連接在兩端的雙梁音叉I的第一叉指11和第二叉指12發生形變，其中雙梁音叉I的第一叉指11和第二叉指12被壓縮時，對應的雙梁音叉I諧振頻率增加，當雙梁音叉I的第一叉指11和第二叉指12被拉伸時，對應的雙梁音叉I諧振頻率降低，通過檢測雙梁音叉I的諧振頻率偏移量，達到力測量的目的。
[0042]—體式石英雙梁音叉諧振敏感元件的雙梁音叉I工作在面內彎曲振動模態，其諧振頻率對雙梁的軸向拉應力、壓應力(即拉應力和壓應力)敏感。其中，在軸向拉應力的作用下，其雙梁音叉I振動頻率增加;反之，在軸向壓應力的作用下，其雙梁音叉I振動頻率降低。
[0043]本實用新型所述一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，采用施力結構件3、雙梁音叉I和底座4均為微機工藝一體成型，且為石英結構體，雙梁音叉I的第一叉指11和第二叉指12對稱設置在施力結構件3和底座4之間，有效解決現有的石英雙梁音叉諧振元件因分離元件安裝過程無法避免安裝精度和結構與材料間的應力問題，能夠避免不同材料組裝后導致的熱膨脹系數不同、熱性能不匹配、膠粘劑在溫度變化時發生蠕變以及內應力的存在問題，減少了對該諧振元件的精度帶來影響；該諧振敏感元件在使用時，只需要通過施力結構件進行力的輸入，引起雙梁音叉I的雙梁變形，可通過頻率檢測電路將雙梁音叉I的兩個叉指串聯形成回路將諧振頻率分別輸出，將外力轉換為電信號，從而完成對力的數字化感應與測量;能夠有效減小溫度變化影響諧振頻率輸出值，進而影響對力的檢測精度和分辨率，能夠提尚檢測的穩定性，該諧振敏感兀件具有頻率輸出、體積小、敏感度尚以及品質因數尚等優點。
[0044]實施例2
[0045]如圖6所示，本實施例還提供了一種測力模塊，包括載體8，其中載體8上設有如實施例I中的一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，以及與該一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件適配的施力杠桿7，該一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件包括雙梁音叉I，雙梁音叉I端部均設有便于安裝固定的底座4，其中雙梁音叉I包括連接在施力結構件3和底座4之間的第一叉指11和第二叉指12，且第一叉指11、第二叉指12對稱分別在施力結構件3和底座4之間；其中第一叉指11、第二叉指12之間電連接有電子振蕩回路和頻率采集模塊。
[0046]其中，上述載體8上設有石英板安裝槽9，一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件通過石英砂與石英板安裝槽9燒結在一起。通過石英砂將一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件于載體8燒結在一起，能夠使一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件更加穩固的連接在載體8上，使整個測力模塊的材料熱性能更加匹配，避免了通過現有膠粘劑連接而導致的在溫度變化時發生蠕變以及內應力的存在問題，能夠提高測力模塊的檢測精度。
[0047]該測力模塊，包括用于安裝一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件的載體8，載體8上設有施力杠桿7，同時，載體8上設有電連接第一叉指11、第二叉指12的電子振蕩回路和頻率采集模塊，用于將第一叉指11和第二叉指12電導通以及輸出雙梁音叉I的諧振頻率;該測力模塊能夠方便的將一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件安裝在載體上，能夠通過檢測雙梁音叉的諧振頻率頻偏值來完成力的感應與測量，有效減小溫度變化影響諧振頻率輸出值，進而影響對力的檢測精度和分辨率，能夠提高檢測的穩定性，該測力模塊結構簡單、安裝方便，具有頻率輸出、體積小、敏感度高以及品質因數高的優點。
[0048]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，包括雙梁音叉(I)，所述雙梁音叉(I)包括第一叉指(11)和第二叉指(12)，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的兩端分別連接在施力結構件(3)和底座上;所述第一叉指(11)和第二叉指(12)表面均涂覆有電極區;所述第一叉指(11)和第二叉指(12)工作在面內彎曲振動模態，諧振頻率對軸向拉應力、壓應力敏感;所述施力結構件(3)、雙梁音叉(I)和底座(4)均為一體成型石英結構體。2.根據權利要求1所述的一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)相互平行設置在所述施力結構件(3)上。3.根據權利要求2所述的一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)之間的槽(2)長度短于所述第一叉指(11)和第二叉指(12)長度。4.根據權利要求1所述的一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的一端通過導電連接線(61)連接，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的另一端分別設置正極接口(62)和負極接口(63)。5.根據權利要求4所述的一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，其特征在于，連接所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的導電連接線(61)設于所述施力結構件(3)上。6.根據權利要求5所述的一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)、第二叉指(12)的所述正極接口(62)和負極接口(63)均設于底座(4)上，且均為金屬薄膜材質接口。7.根據權利要求1所述的一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)、第二叉指(12)的四個表面均涂覆有電極區，且每個表面均涂覆的電極區為間隔分布的正電極區(51)和負電極區(52)，每個叉指相對的兩個表面相對正電極區(51)和負電極區(52)的位置相對分布，每個叉指相鄰的兩個表面的正電極區(51)和負電極區(52)交錯分布。8.根據權利要求1-7任一所述的一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，其特征在于，所述施力結構件(3)上設有便于連接施力杠桿(7)的施力孔(31)，所述底座(4)上設有用于安裝的安裝孔(41)。9.一種測力模塊，包括載體(8)，其特征在于，所述載體(8)上設有如權利要求1-8任一所述的一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件，以及與所述一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件適配的施力杠桿(7)，所述第一叉指(11)、第二叉指(12)之間電連接有電子振蕩回路和頻率采集模塊。10.根據權利要求9所述的一種測力模塊，其特征在于，所述載體(8)上設有石英板安裝槽(9)，所述一體式石英雙梁音叉諧振敏感元件通過石英砂與所述石英板安裝槽(9)燒結在一起。
【文檔編號】G01L1/10GK205562087SQ201620387853
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】潘靜
【申請人】成都皆為科技有限公司