敏感组件应力消除结构及具有其的振梁加速度计

文档序号:1963012 发布日期:2021-12-14 浏览:19次 >En<

阅读说明:本技术 敏感组件应力消除结构及具有其的振梁加速度计 (Sensitive assembly stress relieving structure and vibration beam accelerometer with same ) 是由 刘晓智 孙刚 丁凯 苏翼 杨亚杰 李陈征 于 2021-08-10 设计创作,主要内容包括:本发明提供了一种敏感组件应力消除结构及具有其的振梁加速度计,该结构包括应力消除主体单元、第一和第二应力释放外环,应力消除主体单元具有振梁阻尼腔和摆挠性支撑阻尼腔,振梁阻尼腔与摆挠性支撑阻尼腔呈夹角设置,振梁阻尼腔用于容纳设置振梁叉指组件,摆挠性支撑阻尼腔用于容纳设置摆挠性支撑组件,第一和第二应力释放外环均设置在应力消除主体单元的周缘,第一和第二应力释放外环之间形成应力释放腔。应用本发明的技术方案,以解决现有技术中振梁加速度计的力学环境适应性差、热学环境适应性差以及输出对称性差的技术问题。(The invention provides a sensitive component stress relieving structure and a vibrating beam accelerometer with the same, the structure comprises a stress relieving main body unit, a first stress relieving outer ring and a second stress relieving outer ring, the stress relieving main body unit is provided with a vibrating beam damping cavity and a pendulum flexible supporting damping cavity, the vibrating beam damping cavity and the pendulum flexible supporting damping cavity are arranged at an included angle, the vibrating beam damping cavity is used for accommodating and arranging a vibrating beam interdigital component, the pendulum flexible supporting damping cavity is used for accommodating and arranging the pendulum flexible supporting component, the first stress relieving outer ring and the second stress relieving outer ring are both arranged on the periphery of the stress relieving main body unit, and the stress relieving outer ring and the second stress relieving outer ring form a stress relieving cavity. By applying the technical scheme of the invention, the technical problems of poor mechanical environment adaptability, poor thermal environment adaptability and poor output symmetry of the vibrating beam accelerometer in the prior art are solved.)

敏感组件应力消除结构及具有其的振梁加速度计

技术领域

本发明涉及加速度计技术领域,尤其涉及一种敏感组件应力消除结构及具有其的振梁加速度计。

背景技术

以巡航导弹、远程轰炸机、潜艇、洲际导弹、高超声速飞行器为代表的新一代战略武器,对高精度、高可靠、高稳定性、低成本的小型高精度加速度计的需求极为迫切。典型指标是测量范围±50g,偏值稳定性5μg,标度因数稳定性5ppm。目前采用陀螺摆加速度计(简称PIGA),但其复杂的结构、较大的体积和重量、维护困难等特点难以满足未来战略武器的发展需求。以振梁为原理的MEMS加速度计是当前小型高精度加速度计最重要的技术发展方向,可以覆盖战略领域的应用,是战略武器高精度惯性导航系统的首选核心器件。

振梁加速度计是通过一对精密挠性支撑束缚检测质量块做单自由度运动,在检测质量块的输入轴方向安装一对以推挽方式加载的力敏感振梁,当有加速度输入时,检测质量块产生力效应,并把力传递到振梁上,使得一个振梁承受拉力作用频率升高,另一个振梁承受压力作用频率降低,这两个频率差与输入的加速度成正比,通过晶体振荡器电路检测出这两个频率值,再根据它们之间的数学模型计算出加速度值。

敏感组件是振梁加速度计的重要组成部分,敏感组件在力学环境与热学环境下的应力释放直接影响振梁加速度计的环境适应性,振梁是敏感组件感应与输出加速度信号的关键部件,双振梁的振动环境直接影响振梁加速度计的精度,在目前振梁加速度计设计上需要解决以下问题:

1、力学环境适应性差,外界冲击、振动带来的力学应力直接传递到敏感组件;

2、热学环境适应性差,外界温度带来的热应力直接传递到敏感组件;

3、双振梁工作环境不同,导致输出对称性差。

发明内容

本发明提供了一种敏感组件应力消除结构及具有其的振梁加速度计,能够解决现有技术中振梁加速度计的力学环境适应性差、热学环境适应性差以及输出对称性差的技术问题。

根据本发明的一方面,提供了一种敏感组件应力消除结构,敏感组件应力消除结构包括:应力消除主体单元,应力消除主体单元具有振梁阻尼腔和摆挠性支撑阻尼腔,振梁阻尼腔与摆挠性支撑阻尼腔呈夹角设置,振梁阻尼腔用于容纳设置振梁叉指组件,摆挠性支撑阻尼腔用于容纳设置摆挠性支撑组件;第一应力释放外环和第二应力释放外环,第一应力释放外环和第二应力释放外环均设置在应力消除主体单元的周缘,第一应力释放外环与第二应力释放外环间隔设置,第一应力释放外环和第二应力释放外环之间形成应力释放腔。

进一步地,振梁阻尼腔包括第一振梁阻尼腔单元和第二振梁阻尼腔单元,振梁叉指组件包括第一振梁叉指和第二振梁叉指,第一振梁阻尼腔单元和第二振梁阻尼腔单元相对于应力消除主体单元的中心轴线对称设置,第一振梁阻尼腔单元用于容纳设置第一振梁叉指,第二振梁阻尼腔单元用于容纳设置第二振梁叉指。

进一步地,摆挠性支撑阻尼腔包括第一摆挠性支撑阻尼腔单元和第二摆挠性支撑阻尼腔单元,摆挠性支撑组件包括第一摆挠性支撑和第二摆挠性支撑,第一摆挠性支撑阻尼腔单元和第二摆挠性支撑阻尼腔单元相对于应力消除主体单元的中心轴线对称设置,第一摆挠性支撑阻尼腔单元用于容纳设置第一摆挠性支撑,第二摆挠性支撑阻尼腔单元用于容纳设置第二摆挠性支撑。

进一步地,应力消除主体单元的材质包括石英或金属。

进一步地,振梁阻尼腔和摆挠性支撑阻尼腔均为长条形结构腔体。

进一步地,应力消除主体单元、第一应力释放外环和第二应力释放外环一体制成。

根据本发明的又一方面,提供了一种振梁加速度计,振梁加速度计包括敏感组件应力消除结构和敏感组件,敏感组件应力消除结构设置在敏感组件上,敏感组件应力消除结构为如上所示的敏感组件应力消除结构。

进一步地,振梁加速度计包括两个敏感组件应力消除结构,第一敏感组件应力消除结构设置在敏感组件的一侧,第二敏感组件应力消除结构设置在敏感组件的另一侧。

进一步地,敏感组件包括敏感组件本体、振梁叉指组件和摆挠性支撑组件,敏感组件本体与敏感组件应力消除结构的应力消除主体单元固定连接,振梁叉指组件设置在摆挠性支撑阻尼腔内,摆挠性支撑组件设置在摆挠性支撑阻尼腔内。

进一步地,振梁叉指组件包括第一振梁叉指和第二振梁叉指,第一振梁叉指设置在第一振梁阻尼腔单元内,第二振梁叉指设置在第二振梁阻尼腔单元内,第一振梁叉指和第二振梁叉指相对于应力消除主体单元的中心轴线对称设置;摆挠性支撑组件包括第一摆挠性支撑和第二摆挠性支撑,第一摆挠性支撑设置在第一摆挠性支撑阻尼腔单元内,第二摆挠性支撑设置在第二摆挠性支撑阻尼腔单元内,第一摆挠性支撑和第二摆挠性支撑相对于应力消除主体单元的中心轴线对称设置。

应用本发明的技术方案,提供了一种敏感组件应力消除结构,该敏感组件应力消除结构通过设置第一应力释放外环和第二应力释放外环,第一应力释放外环和第二应力释放外环之间形成应力释放腔,此种方式一方面能够释放外界冲击、振动带来的力学应力,提高加速度计力学环境适应性;另一方面能够隔离外界热力学带来的应力,提高加速度计热学环境适应性;通过振梁阻尼腔为两振梁提供相同的振动空间,从而提供相同的阻尼环境,提高双梁对称性;通过摆挠性支撑阻尼腔为摆片两挠性支撑提供相同的振动空间,从而提供相同的阻尼环境,提高加速度计精度。因此,本发明所提供的敏感组件应力消除结构与现有技术相比,能够有效提高加速度计力学环境适应性及热学环境适应性,同时能够提供相同的阻尼环境,提高双梁对称性以及加速度计精度。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解,其构成了说明书的一部分,用于例示本发明的实施例,并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的敏感组件应力消除结构的主视图;

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的敏感组件应力消除结构的剖视图;

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的敏感组件应力消除结构与敏感组件装配的主视图;

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的敏感组件应力消除结构与敏感组件装配的左视图。

其中,上述附图包括以下附图标记:

10、应力消除主体单元;10a、振梁阻尼腔;101a、第一振梁阻尼腔单元;102a、第二振梁阻尼腔单元;10b、摆挠性支撑阻尼腔;101b、第一摆挠性支撑阻尼腔单元;102b、第二摆挠性支撑阻尼腔单元;20、第一应力释放外环;30、第二应力释放外环;20a、应力释放腔;30a、应力释放腔;100、敏感组件应力消除结构;200、敏感组件;210、敏感组件本体;220、振梁叉指组件;221、第一振梁叉指;222、第二振梁叉指;230、摆挠性支撑组件;231、第一摆挠性支撑;232、第二摆挠性支撑。

具体实施方式

需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时,应当明白,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图4所示,根据本发明的具体实施例提供了一种敏感组件应力消除结构,该敏感组件应力消除结构包括应力消除主体单元10、第一应力释放外环20和第二应力释放外环30,应力消除主体单元10具有振梁阻尼腔10a和摆挠性支撑阻尼腔10b,振梁阻尼腔10a与摆挠性支撑阻尼腔10b呈夹角设置,振梁阻尼腔10a用于容纳设置振梁叉指组件,摆挠性支撑阻尼腔10b用于容纳设置摆挠性支撑组件,第一应力释放外环20和第二应力释放外环30均设置在应力消除主体单元10的周缘,第一应力释放外环20与第二应力释放外环30间隔设置,第一应力释放外环20和第二应力释放外环30之间形成应力释放腔。

应用此种配置方式,提供了一种敏感组件应力消除结构,该敏感组件应力消除结构通过设置第一应力释放外环和第二应力释放外环,第一应力释放外环和第二应力释放外环之间形成应力释放腔,此种方式一方面能够释放外界冲击、振动带来的力学应力,提高加速度计力学环境适应性;另一方面能够隔离外界热力学带来的应力,提高加速度计热学环境适应性;通过振梁阻尼腔为两振梁提供相同的振动空间,从而提供相同的阻尼环境,提高双梁对称性;通过摆挠性支撑阻尼腔为摆片两挠性支撑提供相同的振动空间,从而提供相同的阻尼环境,提高加速度计精度。因此,本发明所提供的敏感组件应力消除结构与现有技术相比,能够有效提高加速度计力学环境适应性及热学环境适应性,同时能够提供相同的阻尼环境,提高双梁对称性以及加速度计精度。

进一步地,在本发明中,当敏感组件的振梁带有两个振梁叉指时,为了向两振梁叉指提供相同的振动空间以提高双梁对称性,可将振梁阻尼腔10a配置为包括第一振梁阻尼腔单元101a和第二振梁阻尼腔单元102a,振梁叉指组件包括第一振梁叉指和第二振梁叉指,第一振梁阻尼腔单元101a和第二振梁阻尼腔单元102a相对于应力消除主体单元10的中心轴线对称设置,第一振梁阻尼腔单元101a用于容纳设置第一振梁叉指,第二振梁阻尼腔单元102a用于容纳设置第二振梁叉指。

在本发明中,为了向两摆挠性支撑提供相同的振动空间以提高加速度计精度,可将摆挠性支撑阻尼腔10b配置为包括第一摆挠性支撑阻尼腔单元101b和第二摆挠性支撑阻尼腔单元102b,摆挠性支撑组件包括第一摆挠性支撑和第二摆挠性支撑,第一摆挠性支撑阻尼腔单元101b和第二摆挠性支撑阻尼腔单元102b相对于应力消除主体单元10的中心轴线对称设置,第一摆挠性支撑阻尼腔单元101b用于容纳设置第一摆挠性支撑,第二摆挠性支撑阻尼腔单元102b用于容纳设置第二摆挠性支撑。

进一步地,在本发明中,考虑实际应用情况,应力消除主体单元10的材质包括石英或金属。此外,考虑实际加工情况,振梁阻尼腔10a和摆挠性支撑阻尼腔10b均为长条形结构腔体。

在本发明中,考虑敏感组件应力消除结构的结构强度,可将应力消除主体单元10、第一应力释放外环20和第二应力释放外环30配置为一体制成。在制作时,通过在圆环形结构的外圆周挖去一圈实体后留下的两侧薄壁结构即为第一应力释放外环和第二应力释放环。

根据本发明的另一方面,提供了一种振梁加速度计,该振梁加速度计包括敏感组件应力消除结构100和敏感组件200,敏感组件应力消除结构100设置在敏感组件200上,敏感组件应力消除结构100为如上所述的敏感组件应力消除结构100。

应用此种配置方式,提供了一种振梁加速度计,由于本发明的敏感组件应力消除结构通过设置第一应力释放外环和第二应力释放外环,第一应力释放外环和第二应力释放外环之间形成应力释放腔,此种方式一方面能够释放外界冲击、振动带来的力学应力,提高加速度计力学环境适应性;另一方面能够隔离外界热力学带来的应力,提高加速度计热学环境适应性;通过振梁阻尼腔为两振梁提供相同的振动空间,从而提供相同的阻尼环境,提高双梁对称性;通过摆挠性支撑阻尼腔为摆片两挠性支撑提供相同的振动空间,从而提供相同的阻尼环境,提高加速度计精度。因此,将本发明所提供的敏感组件应力消除结构用于振梁加速度计中,能够极大地提高振梁加速度计的工作性能。

进一步地,在本发明中,为了向双振梁提供相同的振动空间,如图4所示,振梁加速度计包括两个敏感组件应力消除结构100,第一敏感组件应力消除结构100设置在敏感组件200的一侧,第二敏感组件应力消除结构100设置在敏感组件200的另一侧。

此外,在本发明中,敏感组件200包括敏感组件本体210、振梁叉指组件220和摆挠性支撑组件230,为了有效提高加速度计力学环境适应性及热学环境适应性,同时提供相同的阻尼环境,提高双梁对称性以及加速度计精度,敏感组件本体210与敏感组件应力消除结构100的应力消除主体单元10固定连接,振梁叉指组件220设置在摆挠性支撑阻尼腔10b内,摆挠性支撑组件230设置在摆挠性支撑阻尼腔10b内。

作为本发明的一个具体实施例,振梁叉指组件220包括第一振梁叉指221和第二振梁叉指222,第一振梁叉指221设置在第一振梁阻尼腔单元101a内,第二振梁叉指222设置在第二振梁阻尼腔单元102a内,第一振梁叉指221和第二振梁叉指222相对于应力消除主体单元10的中心轴线对称设置;摆挠性支撑组件230包括第一摆挠性支撑231和第二摆挠性支撑232,第一摆挠性支撑231设置在第一摆挠性支撑阻尼腔单元101b内,第二摆挠性支撑232设置在第二摆挠性支撑阻尼腔单元102b内,第一摆挠性支撑231和第二摆挠性支撑232相对于应力消除主体单元10的中心轴线对称设置。

为了对本发明有进一步地了解,下面结合图1至图4对本发明所提供的敏感组件应力消除结构进行详细说明。

如图1至图4所示,根据本发明的具体实施例提供了一种敏感组件应力消除结构,该敏感组件应力消除结构包括应力消除主体单元10、第一应力释放外环20和第二应力释放外环30,应力消除主体单元10具有振梁阻尼腔10a和摆挠性支撑阻尼腔10b,振梁阻尼腔10a与摆挠性支撑阻尼腔10b垂直设置,振梁阻尼腔10a用于容纳设置振梁叉指组件,摆挠性支撑阻尼腔10b用于容纳设置摆挠性支撑组件,第一应力释放外环20和第二应力释放外环30均设置在应力消除主体单元10的周缘,第一应力释放外环20与第二应力释放外环30间隔设置,第一应力释放外环20和第二应力释放外环30之间形成应力释放腔20a(30a)。

在本实施例中,应力消除主体单元10为一体化平面结构,典型外形为圆形。振梁阻尼腔10a为长条形孔结构,摆挠性支撑阻尼腔10b为长条形孔结构,第一应力释放外环20和第二应力释放外环30为应力消除主体单元10侧面中间去除一圈实体后留下的两侧薄壁结构。振梁阻尼腔10a的长度不小于振梁叉指长度,宽度大于振梁宽度,且为轴对称结构,对称轴与应力消除主体单元10的中心轴线重合。摆挠性支撑阻尼腔10b的长度不小于摆挠性支撑的长度,且为轴对称结构,对称轴与应力消除主体单元10的中心轴线重合。应力消除主体单元10的应力释放外环一侧薄壁与敏感组件固连,敏感组件的两侧对称安装敏感组件应力消除结构。

综上所述,本发明提供了一种敏感组件应力消除结构,该敏感组件应力消除结构通过设置第一应力释放外环和第二应力释放外环,第一应力释放外环和第二应力释放外环之间形成应力释放腔,此种方式一方面能够释放外界冲击、振动带来的力学应力,提高加速度计力学环境适应性;另一方面能够隔离外界热力学带来的应力,提高加速度计热学环境适应性;通过振梁阻尼腔为两振梁提供相同的振动空间,从而提供相同的阻尼环境,提高双梁对称性;通过摆挠性支撑阻尼腔为摆片两挠性支撑提供相同的振动空间,从而提供相同的阻尼环境,提高加速度计精度。因此,本发明所提供的敏感组件应力消除结构与现有技术相比,能够有效提高加速度计力学环境适应性及热学环境适应性,同时能够提供相同的阻尼环境,提高双梁对称性以及加速度计精度。

为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位),并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外,需要说明的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对相应零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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