阅读说明：本技术 一种耐高温石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法 (High-temperature-resistant quartz flexible accelerometer servo circuit and processing method thereof ) 是由 张明 阮晓明 徐鑫 赵国良 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种耐高温石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法,包括电容电压转换器、跨导/补偿放大器和反馈网络,所述电容电压转换器包括差动电容检测器和积分网络,差动电容检测器与加速度计表头的差动电容传感器连接,差动电容检测器、积分网络和跨导/补偿放大器依次连接,跨导/补偿放大器与加速度计表头的力矩器连接；反馈网络与跨导/补偿放大器连接；所述的伺服电路全部元器件采用耐150℃高温元器件,全部元器件采用厚膜混合集成工艺封装在厚膜陶瓷基板上。通过与耐高温加速度传感器匹配,可提升加速度系统模块器件的耐高温能力,完成极端环境下对加速度的测量。(The invention provides a high-temperature-resistant quartz flexible accelerometer servo circuit and a processing method thereof, and the high-temperature-resistant quartz flexible accelerometer servo circuit comprises a capacitance-voltage converter, a transconductance/compensation amplifier and a feedback network, wherein the capacitance-voltage converter comprises a differential capacitance detector and an integrating network; the feedback network is connected with the transconductance/compensation amplifier; all components of the servo circuit adopt components resistant to high temperature of 150 ℃, and all components are packaged on a thick film ceramic substrate by adopting a thick film hybrid integration process. Through being matched with a high-temperature-resistant acceleration sensor, the high-temperature-resistant capability of the acceleration system module device can be improved, and the measurement of the acceleration under the extreme environment is completed.)

一种耐高温石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法

技术领域

本发明涉及半导体混合集成电路设计技术，具体涉及一种耐高温石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法。

背景技术

加速度是表征物体运动本质的基本物理量，可以通过加速度计测量运动物体的加速度来确认物体的运动状态，包括物体的速度、位置、距离、振动、摇摆及倾斜状态等。石英挠性加速度计是高精度定位定向系统的关键器件之一，可广泛应用于航天航空、武器制导、石油勘探、地质勘探等领域。全球表面资源的枯竭，使得发展勘探技术已经成为解决资源短缺的重要手段，随着勘探深度的增加与钻头工作时间的增强，随钻加速度计的工作环境温度也越来越高。耐高温加速度传感器已经是勘探领域的攻关方向，目前在技术方面已有所突破。由于传统石英挠性加速度计伺服电路在高温环境下电性能不理想，与耐高温加速度传感器相匹配后无法长时间在极端环境下的使用，故研制耐高温石英挠性加速度计伺服电路对提升加速度计系统在高温作业时的性能和可靠性具有重要意义。

传统石英挠性加速度计伺服电路的实现方式存在以下缺点：

1、电路组装工艺在高温环境下可靠性低。

传统石英挠性加速度计伺服电路采用厚膜混合集成组装工艺，工作温度范围为：-40℃～85℃。电路中芯片采用绝缘胶粘接在厚膜陶瓷基板上，厚膜基板同样采用绝缘胶粘接在外壳上，组装过程中使用的绝缘胶的极限温度为150℃。若电路长期处于150℃的高温工作环境温度时，电路中绝缘胶材料性能会退化，使电路在长期临界高温使用过程中可靠性降低，影响加速度计测量稳定性。

2、电路元器件耐高温能力无法满足环境要求。

传统石英挠性加速度计伺服电路中所使用的电子元器件参数均会随温度的升高而变化，高温环境下，传统石英挠性加速度计伺服电路中对电性能参数影响最大的电子元器件为片式瓷介电容器。电路中使用的电容均采用非耐高温材质的常规电容，该材质电容的工作温度范围为：-55℃～125℃。在超过125℃环境下电容容值偏差不可控，耐压能力下降,严重影响伺服电路工作状态。

3、传统石英挠性加速度计伺服电路其引出端中未预留温度传感器端口，故不能实现对加速度计温度的测量，使得惯导系统无法实时监控加速度计的温度，不能对加速度计进行温度补偿，影响加速度的测量精度。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种耐高温石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法，该方法针对150℃高温工作环境，石英挠性加速度计伺服电路采用耐高温元器件，以增强电路在高温工作环境下的可靠性。电路采用厚膜混合集成工艺，组装工艺经过耐高温能力改进，该组装工艺生产的耐高温石英挠性加速度计伺服电路工作温度可达150℃，可实现伺服电路在高温环境下对加速度传感器信号的正常处理。

为了达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现：

一种耐高温石英挠性加速度计伺服电路，包括电容电压转换器、跨导/补偿放大器和反馈网络，所述电容电压转换器包括基准三角波发生器、差动电容检测器和积分网络，差动电容检测器与加速度计表头的差动电容传感器连接，差动电容检测器、积分网络和跨导/补偿放大器依次连接，跨导/补偿放大器与加速度计表头的力矩器连接；反馈网络与跨导/补偿放大器连接；所述的伺服电路全部元器件采用耐150℃以上高温元器件，全部元器件采用厚膜混合集成工艺封装在厚膜陶瓷基板上。

所述的电压电容转换器由正三端稳压器和负三端稳压器提供工作电压；正、负三端稳压器、电容电压转换器及跨导/补偿放大器均采用集成电路。

所述的正三端稳压器、负三端稳压器、电容电压转换器、跨导/补偿放大器使用耐高温导电胶粘接在厚膜陶瓷基板上。

所述的厚膜陶瓷基板粘接部位印刷两层或以上高温介质。

所述的伺服电路中的电容均采用高温多层瓷介电容。

所述的高温多层瓷介电容尺寸为1210、1206、或0805。

一种耐高温石英挠性加速度计伺服电路的加工方法，包括以下步骤：

伺服电路采用高温厚膜混合集成工艺，使用电子制版软件对电路版图进行布局布线，形成工艺制作数据，将工艺制作数据转化制作为光绘底片，再根据光绘底片制作厚膜丝网印刷漏版，通过丝网印刷和烧结厚膜工艺在基片上制作无源网络，并在其上组装半导体器件和微型元件；基板背面印刷两层环状钯银浆料，采用再流焊工艺将基片焊接在外壳上，通过键合技术实现芯片与厚膜基板上无源网络的电气互连，并完成电路与外引线的互连，测试合格后进行封帽。

优选地，伺服电路中的电容使用高温多层瓷介电容，电容组装采用再流焊工艺，使用高温焊膏将电容焊接在基片的钯银焊盘上。

优选地，伺服电路引出端预留温度传感器采集端口，用于外接温度传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一种耐高温石英挠性加速度计伺服电路，采用耐高温器件与高温组装工艺，可实现伺服电路在150℃环境下正常工作，解决了伺服电路在高温环境下可靠性问题。伺服电路引出端预留温度传感器端口，可提供系统对加速计温度补偿所需的温度信息。通过与耐高温加速度传感器匹配，可提升加速度系统模块器件的耐高温能力，完成极端环境下对加速度的测量。

附图说明

图1为本发明石英挠性加速度计结构图；

图2为本发明电路结构图；

图3本发明电路工艺流程图；

图4本发明电路背面外形结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施情况做进一步的说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明一种耐高温石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法，加速度计包括表头和伺服电路，表头包括依次连接的力矩器、摆组件动力学模块和差动电容传感器，伺服电路包括依次连接的电容电压转化器、跨导/补偿放大器。电容电压转换器与加速度计表头的差动电容传感器连接，跨导/补偿放大器与加速度计表头的力矩器连接，积分网络、反馈网络与电容电压转换器和跨导/补偿放大器相连。

石英挠性加速度计伺服电路主要由电容电压转换器，跨导/补偿放大器等部分组成。石英挠性加速度计结构图如图1所示。当沿加速度计的输入轴有加速度ai作用时，差动电容传感器摆片偏离中心位置，产生电容变化量为2ΔC,伺服电路中的电容电压转换器检测这一变化而输出电流，该电流由电流积分器积分后输出电压，然后由跨导/补偿放大器把电压放大并变换成电流，该电流的大小与输入加速度成正比，极性取决于输入加速度的方向，输出电流被加到表头的力矩器上，于是产生再平衡力矩，以平衡因ai引起的惯性力矩。该电路中，正三端稳压器、负三端稳压器为差动电容电压转换器提供工作电压，如图2。

本发明的加工方法为：伺服电路采用高温厚膜混合集成工艺，使用电子制版软件对电路版图进行合理布局布线，形成工艺制作数据，将工艺制作数据转化制作为光绘底片，再根据光绘底片制作厚膜丝网印刷漏版，通过丝网印刷和烧结等厚膜工艺在基片上制作无源网络，并在其上组装半导体器件和微型元件。正三端稳压器、负三端稳压器、电容电压转换器、跨导/补偿放大器为专用集成电路，使用高温导电胶粘接在厚膜陶瓷基板上，粘接部位印刷两层高温介质。使用1210、1206、0805尺寸高温多层瓷介电容，电容组装采用再流焊工艺，使用高温焊膏将电容焊接在基片的钯银焊盘上。基板背面印刷两层钯银，采用再流焊工艺将基片焊接在外壳上，通过键合技术实现芯片与厚膜基板上无源网络的电气互连，并完成电路与外引线的互连，电路在未封帽前进行电性能测试，电性能测试合格后进行封帽。电路组装完成后，对电路进行高温测试筛选，保证电路的质量。电路工艺流程如图3。

本发明的原理为：一种耐高温石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法采用厚膜混合集成工艺，通过丝网印刷和烧结等厚膜工艺在基片上制作无源网络，并在其上组装半导体器件和微型元件。专用集成电路芯片使用高温导电胶粘接在厚膜陶瓷基片上，并通过键合丝实现与厚膜基片上无源网络的电气互连。使用高温多层瓷介电容，该类电容工作温度为：-55℃～200℃，电容组装采用再流焊焊接工艺。基板背面印刷环状钯银焊盘，采用再流焊焊接工艺将基片焊接在外壳上。电容焊接和基板焊接均采用高温焊料，保证了电路高温环境下的可靠性。

伺服电路引出端预留温度传感器采集端，可外接温度传感器，用于对石英挠性加速度计进行温度采集，并将温度信息传递给系统，伺服电路引出端功能定义见表1，背面外形结构如图4。

表1

序号	符号	引出端功能
			1	M<sub>L</sub>	接力矩器低端
2	M<sub>H</sub>	接力矩器高端
			3	V<sub>S-</sub>	负电源端
4	V<sub>S+</sub>	正电源端
			5	GND	地线
6	Tesf	自检端
			7	C<sub>+</sub>	差动电容检测端1
8	C<sub>-</sub>	差动电容检测端2
			9	T1	温度传感器端口1
10	T2	温度传感器端口2

本发明一种耐高温石英挠性加速度计伺服电路及其加工方法，包括电容电压转换器、跨导/补偿放大器和反馈网络，所述电容电压转换器包括基准三角波发生器、差动电容检测器和积分网络，差动电容检测器与加速度计表头的差动电容传感器连接，差动电容检测器、积分网络和跨导/补偿放大器依次连接，跨导/补偿放大器与加速度计表头的力矩器连接，反馈网络与跨导/补偿放大器连接；所述的伺服电路全部元器件采用耐150℃高温元器件，全部元器件采用厚膜混合集成工艺封装在厚膜陶瓷基板上；所述的伺服电路可通过外接温度传感器接口提供系统对加速计温度补偿所需的温度信息。通过与耐高温加速度传感器匹配，可提升加速度系统模块器件的耐高温能力，完成极端环境下对加速度的测量。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。