一种集成摆式石英谐振加速度计结构及其装配方法
阅读说明：本技术 一种集成摆式石英谐振加速度计结构及其装配方法 (Integrated pendulum quartz resonant accelerometer structure and assembly method thereof ) 是由 张宇航 王建青 党建军 王文一 于 2021-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种集成摆式石英谐振加速度计结构,包括安装基座、外壳、挠性质量块、上隔离限位板、下隔离限位板、谐振电路、谐振梁以及接线柱；安装基座和外壳相互配合,构成一个安装腔室；上隔离限位板、挠性质量块、下隔离限位板均位于所述安装腔室内,且自上而下设置；下隔离限位板的与安装基座之间安装谐振电路；挠性质量块的上下表面均开设有安装谐振梁的谐振梁安装槽；接线柱自下而上穿过安装基座,并与谐振电路接触之后再穿过下隔离限位板后分别与两个谐振梁的金丝连接。本发明的加速度计具有结构紧凑、精度高、可靠性高、密封性好等优点。(The invention discloses an integrated pendulum quartz resonance accelerometer structure, which comprises a mounting base, a shell, a flexible mass block, an upper isolation limiting plate, a lower isolation limiting plate, a resonance circuit, a resonance beam and a wiring terminal, wherein the mounting base is provided with a plurality of mounting holes; the mounting base and the shell are matched with each other to form a mounting chamber; the upper isolation limiting plate, the flexible mass block and the lower isolation limiting plate are all positioned in the installation cavity and are arranged from top to bottom; a resonant circuit is arranged between the lower isolation limiting plate and the mounting base; the upper surface and the lower surface of the flexible mass block are both provided with resonant beam mounting grooves for mounting resonant beams; the binding post penetrates through the mounting base from bottom to top, contacts with the resonant circuit, penetrates through the lower isolation limiting plate and then is respectively connected with gold wires of the two resonant beams. The accelerometer has the advantages of compact structure, high precision, high reliability, good sealing performance and the like.)
技术领域
本发明涉及一种石英加速度计，具体涉及一种集成摆式石英谐振加速度计结构及其装配方法。
背景技术
石英谐振加速度计是MEMS结构的加速度计，被业界认为最有可能实现高精度的加速度计，石英谐振加速度计不需要经过模数转换环节，直接数字输出避免了模数转换带来的误差，从而降低了由于模数转换等环节带来的误差，因此石英谐振加速度计具有以下优点：体积小、成本低、大量程、高精度。
石英谐振加速度计的测量原理是谐振梁通过逆压电效应在谐振电路的驱动下起振，外部输入加速度作用在质量块上，通过挠性支撑作用改变谐振梁振动频率，电路检测谐振梁频率的改变得到外部加速度输入值。
惯性制导设备的命中精度大部分取决于惯性导航的精度，石英谐振加速度计作为惯性导航系统中的核心部件，其精度直接决定整个系统的精度水平，石英谐振加速度计理论精度达到1.0E-07量级，因此随着工艺、精度要求的不断提高，石英谐振加速度计具有广阔的应用前景。
如图1所示，现有石英谐振加速度计主要是将石英谐振梁01一端焊接在质量块02上，一端焊接在底座03上，通过底座03和质量块02之前的挠性支撑04改变谐振梁振动频率，但是该结构存在以下缺陷：
1)由于谐振梁是通过焊接方式安装在质量块和底座之间，装配精度难以保证，从而无法满足高精度、高可靠性的使用要求。
2)由于谐振梁是通过焊接方式安装，其长期时间使用可能会出现蠕动现象，其重复使用性较差。
发明内容
为了解决现有石英谐振加速度计精度低、可靠性差以及重复使用性差的问题，本发明提供了一种集成摆式石英谐振加速度计结构及其装配方法。
本发明的具体技术方案是：
提供了一种集成摆式石英谐振加速度计结构，包括安装基座、外壳、挠性质量块、上隔离限位板、下隔离限位板、谐振电路、谐振梁以及接线柱；
安装基座和外壳通过螺纹连接的方式相互配合，构成一个安装腔室；
上隔离限位板、挠性质量块、下隔离限位板均位于所述安装腔室内，且自上而下设置；
上隔离限位板的侧壁上开设有至少一个上定位槽；
下隔离限位板的下端与安装基座固定连接，下隔离限位板的上表面设有一个环形凸起，环形凸起上开设有至少一个下定位槽，下隔离限位板的与安装基座之间安装谐振电路；
挠性质量块包括环形板、固定板、摆动舌、挠性臂、上定位爪以及下定位爪；
环形板上表面设置有至少一个与所述上定位槽配合的上定位爪；
环形板上表面设置有至少一个与所述下定位槽配合的下定位爪；
固定板和摆动舌均位于环形板内部，固定板上表面、摆动舌上表面、环形板的上表面保持平齐，从而形成挠性质量块的第一平面；固定板下表面、摆动舌下表面、环形板的下表面保持平齐，从而形成挠性质量块的第二平面；固定板与环形板内壁固连，摆动舌与环形板之间具有环形间隙；摆动舌通过多个挠性臂与固定板连接；
挠性质量块的第一平面、第二平面上均开设有谐振梁安装槽；
谐振梁的数量为两个，且分别粘接于第一平面、第二平面的谐振梁安装槽内；
接线柱数量为四个，四个接线柱自下而上穿过安装基座，并与谐振电路接触之后再穿过下隔离限位板后分别与两个谐振梁的金丝连接；四个接线柱与安装基座之间设有绝缘套。
进一步地，为了使挠性质量块、上隔离限位板、下隔离限位板装配和更加稳定，上述加速度计结构还包括腹带；所述腹带同轴套设于挠性质量块外部，用于将上隔离限位板、挠性质量块、下隔离限位板夹紧。
进一步地，上述腹带上限位隔离板以及下限位隔离板均采用陶瓷材料制作，这种材料具有较高的绝缘性能，且温度特性良好，机械性能满足惯性级产品的需求。
进一步地，上述安装基座内设置有环形槽，所述下隔离限位板的侧壁卡装于环形槽内，并通过粘接胶将下隔离限位板的侧壁与安装基座进行粘接固定。
进一步地，上述上隔离限位板的侧壁上开设有两个上过线孔，用于将位于第一平面的谐振梁金丝引出后与两个接线柱连接；所述下隔离限位板的环形凸起上开设有两个下过线孔，用于将位于第二平面的谐振梁金丝引出后与另外两个接线柱连接。
进一步地，上述安装基座上设有用于四个绝缘子通过的四个第一通孔，下隔离限位板上表面在对应四个第一通孔的位置开设有四个第二通孔。
进一步地，上述安装基座与外壳均采用不锈钢1Cr18Ni9Ti,这种材料具有较高的强度，力学适应性强，耐冲击，线胀系数低适合惯性器件使用；挠性质量块结构采用单晶硅，谐振梁采用Z切型石英晶体，石英晶体具有较高的稳定性，是高精度谐振式加速度计首选的振子材料。
进一步地，上述上隔离限位板与挠性质量块接触的区域，以及下隔离限位板与挠性质量块接触的区域均采用胶粘接固定。
进一步地，上述安装基座和外壳之间通过螺纹连接结合激光焊接的方式固定密封。
同时，本发明还提供了上述石英谐振加速度计结构的装配方法，其具体步骤如下：
步骤1：将两个谐振梁通过粘接方式的安装于挠性质量块的上下两个谐振梁安装槽内；
步骤2：将下隔离限位板放置在安装基座内部，并通过胶粘的方式固定；
步骤3：将已安装谐振梁的挠性质量块安装于下隔离限位板上并将两者接触的部分涂上粘接胶，同时将位于挠性质量块第二平面内谐振梁的金丝从下过线孔穿出后与两个接线柱连接；
步骤4：将上隔离限位板安装于挠性质量块上方，并将两者接触的部分涂上粘接胶，同时将位于挠性质量块第一平面内谐振梁的金丝从上过线孔穿出后与另外两个接线柱焊接；
步骤5：将腹带套设于挠性质量块外部，从而将上隔离限位板、挠性质量块、下隔离限位板夹紧成为一个整体；
步骤6：将外壳通过螺纹连接的方式固定与安装基座上，最后利用激光焊接方式对外壳和安装基座进行密封。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用安装基座、外壳、挠性质量块、上隔离限位板、下隔离限位板、谐振电路以及谐振梁相互配合构成的加速度计，将谐振梁安装于挠性质量块的谐振梁安装槽内，使得整个加速度计的高度下降，更加利于设备小型化，并且结构更加紧凑，同时谐振梁的安装位置可以唯一确定，装配精度大大提升，从而满足了加速度计高精度、高可靠性的使用要求；
通过上隔离限位板、下隔离限位板与挠性质量块通过定位爪和定位槽的配合使得整个加速度计结构的预紧力提高，有利于装配定位，提高装配精度结构更加稳定性；
挠性质量块采用固定板和摆动舌通过多个挠性臂进行连接，提升了产品的灵敏度，并且挠性质量块中的环形板、固定板、摆动舌以及多个挠性臂结构一体成型，确保了产品精度高。
2、本发明在挠性质量块外部卡装腹带，将上隔离限位板、挠性质量块、下隔离限位板夹紧，进一步增强了结构稳定性，有利于产品精度提升。
3、本发明中外壳与安装基座通过螺纹与激光焊接连接，极大的增强了产品的密封性与连接可靠性。
附图说明
图1为现有石英谐振加速度计的结构示意图；
图1的附图标记如下：
01-石英谐振梁、02-质量块、03-底座、04-挠性支撑；
图2为本发明的石英谐振加速度计的结构示意图；
图3为上隔离限位板的结构图；
图4为下隔离限位板的结构图；
图5为图4的俯视图；
图6为挠性质量块的俯视图；
图7为挠性质量块的侧视图；
图8为挠性质量块的立体图；
图9为安装基座的结构图；
图10为图9的A向剖视图。
图2-10的附图标记如下：
1-安装基座、2-外壳、3-挠性质量块、31-环形板、32-固定板、33-摆动舌、34-挠性臂、35-上定位爪、36-下定位爪、37-谐振梁安装槽、4-上隔离限位板、41-上定位槽、42-上过线孔、5-下隔离限位板、6-谐振梁、7-安装腔室、8-环形凸起、81-下定位槽、82-下过线孔、9-腹带、10-环形槽、11-第一通孔、12-第二通孔、13-谐振电路、14-接线柱。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图2所示，本实施例提供了一种集成摆式石英谐振加速度计结构的具体实现形式，实现了谐振加速度计的高集成化、高结构稳定性、高共模的使用要求；该加速度计结构主要包括安装基座1、外壳2、挠性质量块3、上隔离限位板4、下隔离限位板5、谐振梁6、谐振电路13以及接线柱14；
安装基座1和外壳2通过螺纹连接的方式相互配合，构成一个安装腔室7；本实施例中，安装基座1与外壳2均采用不锈钢1Cr18Ni9Ti,这种材料具有较高的强度，力学适应性强，耐冲击，线胀系数低适合惯性器件使用；
上隔离限位板4、挠性质量块3、下隔离限位板5均位于所述安装腔室7内，且自上而下设置；本实施例中上限位隔离板4以及下限位隔离板5均采用陶瓷材料制作；挠性质量块3结构采用单晶硅制作；
如图3所示，上隔离限位板4由顶盖和侧壁组成，其中在侧壁上开设有至少一个上定位槽41(本实施例共设置4个上定位槽，且4个上定位槽41沿圆周方向均布在侧壁上，当然根据需要也可以扩展为8个)；
如图4和5所示，下隔离限位板5由上盖、侧壁以及环形凸起8组成；下隔离限位板5的侧壁下端与安装基座1固定连接，下隔离限位板5的与安装基座之间安装谐振电路13，下隔离限位板5中上盖的上表面设置环形凸起8，环形凸起8上开设有至少一个下定位槽81(本实施例共设置4个下定位槽81，且4个下定位槽81沿圆周方向均布在侧壁上，当然根据需要也可以扩展为8个)；
如图6-8所示，挠性质量块3包括环形板31、固定板32、摆动舌33、挠性臂34、上定位爪35以及下定位爪36；环形板31上表面设置有至少一个与所述上定位槽41配合的上定位爪35(本实施例中设置4个上定位爪35)；环形板31上表面设置有至少一个与所述下定位槽81配合的下定位爪36(本实施例中设置4个下定位爪36)；
固定板32和摆动舌33均位于环形板31内部，固定板32上表面、摆动舌33上表面、环形板31的上表面保持平齐，从而形成挠性质量块3的第一平面；固定板32下表面、摆动舌33下表面、环形板31的下表面保持平齐，从而形成挠性质量块3的第二平面；固定板32与环形板31内壁固连，摆动舌33与环形板31之间具有环形间隙；摆动舌33通过多个挠性臂34与固定板32连接；
挠性质量块3的第一平面、第二平面上均开设有谐振梁安装槽37(谐振梁安装槽与谐振梁的形状、尺寸相适配)；谐振梁6的数量为两个，且分别粘接于第一平面、第二平面的谐振梁安装槽37内；本实施例中谐振梁6采用Z切型石英晶体，石英晶体具有较高的稳定性，是高精度谐振式加速度计首选的振子材料；
此处需要强调的是：为了确保精度，挠性质量块3中环形板31、固定板32、摆动舌33、挠性臂34均采用一体加工的方式成型，即就是如图5所示，在一块圆形板材的A、B、C三处开设通槽，从而形成了环形板31、固定板32、摆动舌33、挠性臂34的结构。
接线柱13数量为四个，四个接线柱13自下而上穿过安装基座1，并与谐振电路14接触(实现电连接)之后再穿过下隔离限位板5后分别与两个谐振梁6的金丝连接；四个接线柱13与安装基座1之间。
在上述结构的基础上，本实施例还做出了一下优化设计：
1、为了使挠性质量块3、上隔离限位板4、下隔离限位板5装配和更加稳定，上述加速度计结构还包括腹带9；所述腹带9同轴套设于挠性质量块3外部，用于将上隔离限位板4、挠性质量块3、下隔离限位板5夹紧，从而进一步增强了结构稳定性，有利于产品精度提升
并且腹带9采用与上限位隔离板4以及下限位隔离板5相同的陶瓷材料制作，这种材料具有较高的绝缘性能，且温度特性良好，机械性能满足惯性级产品的需求。
2、如图9和10所示，为了使下隔离限位板5粘接更加稳固，安装基座1内设置有环形槽10，下隔离限位板5的侧壁卡装于环形槽10内，并通过粘接胶将下隔离限位板5的侧壁与安装基座1进行粘接固定。
3、如图3-5所示，上隔离限位板4的侧壁上开设有两个上过线孔42，用于将位于第一平面的谐振梁6金丝引出后与两个接线柱连接；下隔离限位板5的环形凸起8上开设有两个下过线孔82，用于将位于第二平面的谐振梁6金丝引出后与另外两个接线柱连接。
4、如图9和10所示，安装基座1上设有用于四个绝缘子通过的四个第一通孔11，下隔离限位板5上表面在对应四个第一通孔11的位置开设有四个第二通孔12。这样的结构设计使得本实施例中四个绝缘子不仅起到导通引线作用而且有定位作用。
5、为了整个加速度计结构更加稳定，上隔离限位板4与挠性质量块3接触的区域，以及下隔离限位板5与挠性质量块3接触的区域均采用胶粘接固定。
6、安装基座1和外壳2之间通过螺纹连接结合激光焊接的方式固定密封，极大的增强了产品的密封性与连接可靠性。
基于以上对本实施例的结构描述，现对该加速度计的具体装配过程进行介绍：
步骤1：将两个谐振梁通过粘接方式的安装于挠性质量块的上下两个谐振梁安装槽内；
步骤2：将下隔离限位板放置在安装基座内部，并通过胶粘的方式固定；
步骤3：将已安装谐振梁的挠性质量块安装于下隔离限位板上并将两者接触的部分涂上粘接胶，同时将位于挠性质量块第二平面内谐振梁的金丝从下过线孔穿出后与两个两个接线柱连接；
步骤4：将上隔离限位板安装于挠性质量块上方，并将两者接触的部分涂上粘接胶，同时将位于挠性质量块第一平面内谐振梁的金丝从上过线孔穿出后与另外两个两个接线柱连接；
步骤5：将腹带套设于挠性质量块外部，从而将上隔离限位板、挠性质量块、下隔离限位板夹紧成为一个整体；
步骤6：将外壳通过螺纹连接的方式固定与安装基座上，最后利用激光焊接方式对外壳和安装基座进行密封。
该加速度计的工作原理为：通电后谐振梁在谐振电路的作用下起振，当外部有加速度输入时，加速度作用在挠性质量块上，带动两个谐振梁的谐振频率发生改变，谐振电路通过检测谐振梁频率的变化得到外部加速度输入值。