專利名稱：一種壓電式六維加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速度傳感器，特別涉及六維加速度傳感器。
技術(shù)背景
六維加速度傳感器，也稱為六軸加速度傳感器，它用于測(cè)量空間的三維線加速度和三維角加速度，在機(jī)器人學(xué)、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前，采用不同敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的六維加速度傳感器已經(jīng)有了很多種，這些六維加速度傳感器雖然均有各自不同的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著各種不足，例如，有的存在維間耦合問題，有的需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜解耦運(yùn)算，有的動(dòng)態(tài)特性較差，有的卻不利于微小型化。為克服這些不足，公告號(hào)為CN100565213C的專利，提出了《一種壓電式六維加速度傳感器》，該傳感器主要由慣性質(zhì)量塊、若干石英晶片(壓電元件)所構(gòu)成的測(cè)力計(jì)、夾住該測(cè)力計(jì)的兩片絕緣電極板，以及基座和殼體等構(gòu)成。該六維加速度傳感器具有無維間耦合、無需解耦運(yùn)算、動(dòng)態(tài)特性好，以及結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、比較易于小型化等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于該現(xiàn)有技術(shù)所用石英晶片多達(dá)十六片， 且絕緣電極板的布線與信號(hào)引線之間存在空間上交叉，因此，在降低制造難度和成本等方面仍然顯得不夠好。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種同樣無維間耦合、無需解耦運(yùn)算、動(dòng)態(tài)特性好，但其結(jié)構(gòu)卻更簡(jiǎn)單、易于微型化、制造成本低、制作難度小的壓電式六維加速度傳感器。
解決所述技術(shù)問題的方案是這樣一種壓電式六維加速度傳感器，它與現(xiàn)有技術(shù)相同的方面是，該傳感器包括帶安裝盤的基座，罩裝在該基座上的帶插座的殼體，在該殼體內(nèi)通過預(yù)緊螺栓固定地安裝在基座安裝盤之上的測(cè)力計(jì)，夾住該測(cè)力計(jì)的兩片絕緣電極板和位于最上面的慣性質(zhì)量塊；其中，所述安裝盤為圓盤，該安裝盤與基座之間通過一段圓柱以三者同軸的狀態(tài)聯(lián)為一個(gè)整體，三者的公共軸線與預(yù)緊螺栓的軸線均與該傳感器的工作三維直角坐標(biāo)系的Z軸共線；所述測(cè)力計(jì)由若干片石英晶片構(gòu)成，這些石英晶片在所述工作三維直角坐標(biāo)系的X、Y平面之內(nèi)均勻布置于一個(gè)Z軸通過其圓心的參考圓的圓周上；在所述的兩片絕緣電極板內(nèi)側(cè)，有對(duì)應(yīng)于各石英晶片的成對(duì)電極，每對(duì)電極均通過信號(hào)引線與所述殼體上的插座連接。其改進(jìn)之處是，構(gòu)成所述測(cè)力計(jì)的石英晶片有八片，所述成對(duì)電極有八對(duì)；這八片石英晶片中的四片為Y0°切型石英晶片，它們布置在所述參考圓與所述工作三維直角坐標(biāo)系的X、Y軸的交點(diǎn)處，其余四片為χο°切型石英晶片；在四片Υ0°切型石英晶片各自的晶片三維直角坐標(biāo)系中，其Y軸均與所述工作三維直角坐標(biāo)系的Z軸平行，其 X軸沿所述參考圓的圓周逆時(shí)針或順時(shí)針地同向布置；在四片χο°切型石英晶片各自的晶片三維直角坐標(biāo)系中，其X軸均與所述工作三維直角坐標(biāo)系的Z軸平行，其Y軸沿所述參考圓的圓周逆時(shí)針或順時(shí)針方向同向布置；所述的八對(duì)電極構(gòu)成八個(gè)信號(hào)輸出端，并分別地通過信號(hào)引線與各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)插座連接；使用時(shí)，X向的線加速度值，由在所述工作三維直角坐標(biāo)系Y軸上的Υ0°切型石英晶片對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端的輸出值，通過減法運(yùn)算獲得；Y向的線加速度值，由在所述工作三維直角坐標(biāo)系X軸上的Y0°切型石英晶片對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端的輸出值，通過減法運(yùn)算獲得；Z向的線加速度值，由所述的四片χο°切型石英晶片對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端的輸出值，通過加法運(yùn)算獲得；X向的角加速度值，以所述工作三維直角坐標(biāo)系的X軸為分界，由一邊的兩片χο° 切型石英晶片所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端的輸出值之和與另一邊的兩片χο°切型石英晶片所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端的輸出值之和，通過減法運(yùn)算獲得；Y向的角加速度值，以所述工作三維直角坐標(biāo)系的Y軸為分界，由一邊的兩片χο°切型石英晶片所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端的輸出值之和與另一邊的兩片χο°切型石英晶片所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端的輸出值之和，通過減法運(yùn)算獲得；Z向的角加速度值，由所述的四片Υ0°切型石英晶片所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端的輸出值，通過加法運(yùn)算獲得。
從方案中可以看出，本發(fā)明所用石英晶片所用石英晶片僅僅只有八片，比現(xiàn)有技術(shù)整整少了一半。雖然本發(fā)明的插座比現(xiàn)有技術(shù)的多一個(gè)，但由于每一對(duì)電極只與各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)插座連接，于是，不但有利于在固定石英晶片時(shí)布線，并且還不存在現(xiàn)有技術(shù)那種因有多對(duì)電極連接在一個(gè)插座上而帶來的傳感器絕緣電極板上電極和插座之間的信號(hào)引線與絕緣電極板上布線之間的信號(hào)相互干擾問題。因此，本發(fā)明除保持了現(xiàn)有技術(shù)所具備的優(yōu)點(diǎn)之外，還因其所用石英晶片大大減少而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、降低了制作難度，制造成本當(dāng)然也大幅度降低，還尤其適用于MEMS工藝加工而得到微型化的六維加速度傳感器。
下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。


圖1——本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2——圖1的俯視圖；圖3——本發(fā)明中各石英晶片的布置圖； 圖4——本發(fā)明的一塊絕緣電極板上的電極布置圖； 圖5——本發(fā)明輸出信號(hào)處理原理框圖。
具體實(shí)施方式
一種壓電式六維加速度傳感器(參考圖1、2、3、4)，該傳感器包括帶安裝盤11的基座1，罩裝在該基座1上的帶插座3的殼體2，在該殼體2內(nèi)通過預(yù)緊螺栓固定地安裝在基座安裝盤11之上的測(cè)力計(jì)j0，夾住該測(cè)力計(jì)j0的兩片絕緣電極板(61、62)和位于最上面的慣性質(zhì)量塊4 ；其中，所述安裝盤11為圓盤，該安裝盤11與基座1之間通過一段圓柱12以三者同軸的狀態(tài)聯(lián)為一個(gè)整體，三者的公共軸線與預(yù)緊螺栓的軸線均與該傳感器的工作三維直角坐標(biāo)系的Z軸共線；所述測(cè)力計(jì)j0由若干片石英晶片構(gòu)成，這些石英晶片在所述工作三維直角坐標(biāo)系的X、Y平面之內(nèi)均勻布置于一個(gè)Z軸通過其圓心的參考圓ck的圓周上；在所述的兩片絕緣電極板(61、62)內(nèi)側(cè)，有對(duì)應(yīng)于各石英晶片的成對(duì)電極，每對(duì)電極均通過信號(hào)引線5與所述殼體2上的插座3連接。在本發(fā)明中，構(gòu)成所述測(cè)力計(jì)j0的石英晶片(jl j8)有八片(參考圖3)，所述成對(duì)電極(dl d8)有八對(duì)(參考圖4，由于各對(duì)電極是鏡像對(duì)稱的，故在圖4中僅繪制了一片絕緣電極板及其電極)；這八片石英晶片中的四片為Y0°切型石英晶片(jl、j3、j5、j7)，它們布置在所述參考圓ck與所述工作三維直角坐標(biāo)系的X、Y軸的交點(diǎn)處，其余四片為X0°切型石英晶片 (j2、j4、j6、j8)；在四片Y0°切型石英晶片(jl、j3、j5、j7)各自的晶片三維直角坐標(biāo)系中，其Y軸均與所述工作三維直角坐標(biāo)系的Z軸平行，其X軸沿所述參考圓ck的圓周逆時(shí)針或順時(shí)針地同向布置(本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，Z軸的方向要么均根據(jù)左手定則確定、 要么均根據(jù)右手定則確定)；在四片X0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8)各自的晶片三維直角坐標(biāo)系中，其X軸均與所述工作三維直角坐標(biāo)系的Z軸平行，其Y軸沿所述參考圓ck 的圓周逆時(shí)針或順時(shí)針方向同向布置；所述的八對(duì)電極(dl d8)構(gòu)成八個(gè)信號(hào)輸出端( Qi 0)，并分別地通過信號(hào)引線5與各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)插座3連接；使用時(shí)(參考圖5)，X向的線加速度值aFx ,由在所述工作三維直角坐標(biāo)系Y軸上的 Y0°切型石英晶片(jl、j5)對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(β、β5)的輸出值，通過減法運(yùn)算獲得；Y向的線加速度值aFy,由在所述工作三維直角坐標(biāo)系X軸上的Υ0°切型石英晶片(j3、j7)對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(β3、β-)的輸出值，通過減法運(yùn)算獲得；Z向的線加速度值aFz ,由所述的四片Χ0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8)對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(込、込、込、Q )的輸出值， 通過加法運(yùn)算獲得；X向的角加速度值％^ ,以所述工作三維直角坐標(biāo)系的X軸為分界，由一邊的兩片χο°切型石英晶片(j4、j6)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(a、a)的輸出值之和與另一邊的兩片X0°切型石英晶片(j2、j8)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(込、fiU的輸出值之和，通過減法運(yùn)算獲得；Y向的角加速度值aMy,以所述工作三維直角坐標(biāo)系的Y軸為分界，由一邊的兩片X0°切型石英晶片(j2、j4)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(ft、β4)的輸出值之和與另一邊的兩片χο°切型石英晶片(je、js)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(gs、a)的輸出值之和，通過減法運(yùn)算獲得；Z向的角加速度值aMz,由所述的四片Y0°切型石英晶片(jl、j3、j5、j7)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(β ,Q3,Q5, Q-)的輸出值，通過加法運(yùn)算獲得。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，除用信號(hào)引線5把各個(gè)信號(hào)輸出端(β g)與對(duì)應(yīng)的八個(gè)插座3連接之外，由于輸出信號(hào)為電荷信號(hào)的原因，在各個(gè)插座3之外，還應(yīng)當(dāng)與對(duì)應(yīng)的電荷放大器連接，將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后根據(jù)本發(fā)明提出的運(yùn)算規(guī)則連接相應(yīng)的加法器、乃至減法器(參考圖5)。
為使披露更加清楚，現(xiàn)把本發(fā)明中的三維力和三維力矩與各個(gè)信號(hào)輸出端(α β)測(cè)得電荷信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再用數(shù)學(xué)式描述如下aF. χ (O’ + O4 + Qi + Og) 1^fcx-[(04 + ^)-(0,+0,)1 ° ；%%· x^a +04)-(^ +Ss)!ι ^t3cCfl+a+a+2-)
在本具體實(shí)施方式
中，所用預(yù)緊螺栓由一根雙頭螺栓71和螺母72組成(參考圖1)。顯然，在必要時(shí)，在該螺母72與慣性質(zhì)量塊4之間，還可以加上平墊圈和/或彈性墊圈 (由于顯見，圖中未畫)。
在本具體實(shí)施方式
中，在基座1的底部還設(shè)置有與傳感器的工作三維直角坐標(biāo)系的Z軸同軸的一個(gè)測(cè)量用安裝螺孔13。絕緣電極板61和62由聚四氟乙烯為材料的圓環(huán)板，八對(duì)電極(dl d8)是用電鍍方式鍍?cè)趫A環(huán)板上的；該聚四氟乙烯圓環(huán)板的外徑不大于安裝盤11的外徑，它的中間有讓預(yù)緊螺栓(即本具體實(shí)施方式
中的雙頭螺栓71)通過的通孔。在各信號(hào)引線5之間填充有使它們各自固定并相互絕緣的絕緣填充材料8。絕緣填充材料8與安裝盤11之間的間距控制在0. 3mm Imm之間，且高度低于兩塊絕緣電極板中上面一塊絕緣電極板61位置。該絕緣填充材料8是包括聚四氟乙烯填充材料在內(nèi)的各種絕緣填充料。
權(quán)利要求
1. 一種壓電式六維加速度傳感器，該傳感器包括帶安裝盤(11)的基座(1)，罩裝在該基座(1)上的帶插座(3)的殼體(2)，在該殼體(2)內(nèi)通過預(yù)緊螺栓固定地安裝在基座安裝盤(11)之上的測(cè)力計(jì)(j0)，夾住該測(cè)力計(jì)(j0)的兩片絕緣電極板(61、62)和位于最上面的慣性質(zhì)量塊(4)；其中，所述安裝盤(11)為圓盤，該安裝盤(11)與基座(1)之間通過一段圓柱(12)以三者同軸的狀態(tài)聯(lián)為一個(gè)整體，三者的公共軸線與預(yù)緊螺栓的軸線均與該傳感器的工作三維直角坐標(biāo)系的Z軸共線；所述測(cè)力計(jì)(j0)由若干片石英晶片構(gòu)成， 這些石英晶片在所述工作三維直角坐標(biāo)系的X、Y平面之內(nèi)均勻布置于一個(gè)Z軸通過其圓心的參考圓(ck)的圓周上；在所述的兩片絕緣電極板(61、62)內(nèi)側(cè)，有對(duì)應(yīng)于各石英晶片的成對(duì)電極，每對(duì)電極均通過信號(hào)引線(5)與所述殼體(2)上的插座(3)連接；其特征在于，構(gòu)成所述測(cè)力計(jì)(j0)的石英晶片(jl j8)有八片，所述成對(duì)電極(dl d8)有八對(duì)；這八片石英晶片中的四片為Y0°切型石英晶片(jl、j3、j5、j7)，它們布置在所述參考圓(ck)與所述工作三維直角坐標(biāo)系的X、Y軸的交點(diǎn)處，其余四片為X0°切型石英晶片 (j2、j4、j6、j8)；在四片Y0°切型石英晶片(jl、j3、j5、j7)各自的晶片三維直角坐標(biāo)系中，其Y軸均與所述工作三維直角坐標(biāo)系的Z軸平行，其X軸沿所述參考圓(ck)的圓周逆時(shí)針或順時(shí)針地同向布置；在四片X0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8)各自的晶片三維直角坐標(biāo)系中，其X軸均與所述工作三維直角坐標(biāo)系的Z軸平行，其Y軸沿所述參考圓(ck) 的圓周逆時(shí)針或順時(shí)針方向同向布置；所述的八對(duì)電極(dl d8)構(gòu)成八個(gè)信號(hào)輸出端( Q ^ )，并分別地通過信號(hào)引線(5)與各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)插座(3)連接；使用時(shí)，X向的線加速度值(aR),由在所述工作三維直角坐標(biāo)系Y軸上的Y0°切型石英晶片(jl、j5)對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(β、β5)的輸出值，通過減法運(yùn)算獲得；Y向的線加速度值(aFy),由在所述工作三維直角坐標(biāo)系X軸上的Υ0°切型石英晶片(j3、j7)對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(β、β-)的輸出值，通過減法運(yùn)算獲得；Z向的線加速度值(aR )，由所述的四片 XO0切型石英晶片(j2、j4、j6、j8)對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(Q2、Q4、Qi、Qg )的輸出值，通過加法運(yùn)算獲得；X向的角加速度值(aMt )，以所述工作三維直角坐標(biāo)系的X軸為分界，由一邊的兩片χο°切型石英晶片(j4、j6)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(a、a)的輸出值之和與另一邊的兩片X0°切型石英晶片(j2、j8)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(込、a)的輸出值之和，通過減法運(yùn)算獲得；Y向的角加速度值(a^%)，以所述工作三維直角坐標(biāo)系的Y軸為分界，由一邊的兩片X0°切型石英晶片(j2、j4)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(β2、a)的輸出值之和與另一邊的兩片X0°切型石英晶片(j6、j8)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(込、β)的輸出值之和，通過減法運(yùn)算獲得；Z向的角加速度值(aMz)，由所述的四片Υ0°切型石英晶片(jl、j3、j5、j7) 所對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端(β、込、β、β，)的輸出值，通過加法運(yùn)算獲得。
全文摘要
一種壓電式六維加速度傳感器，該傳感器包括帶安裝盤的基座，罩裝在該基座上的帶插座的殼體，在該殼體內(nèi)通過預(yù)緊螺栓固定地安裝在基座安裝盤之上的測(cè)力計(jì)，夾住該測(cè)力計(jì)兩片絕緣電極板和位于最上面的慣性質(zhì)量塊。其中，測(cè)力計(jì)由八片石英晶片構(gòu)成，它們?cè)趥鞲衅鞯墓ぷ魅S直角坐標(biāo)系的X、Y平面之內(nèi)均勻布置于一個(gè)Z軸通過其圓心的參考圓的圓周上；在兩片絕緣電極板內(nèi)側(cè)，有對(duì)應(yīng)于各石英晶片的成對(duì)電極，每對(duì)電極均通過信號(hào)引線與殼體上的插座連接。本發(fā)明除保持了現(xiàn)有技術(shù)所具備的優(yōu)點(diǎn)之外，還簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、降低了加工工藝要求，制造成本大幅度降低，尤其適用于MEMS工藝加工而得到微型化了的可靠性更高的傳感器。
文檔編號(hào)G01P15/18GK102520210SQ20111044668
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者劉京誠(chéng), 劉俊, 李敏, 李鵬程, 秦嵐, 薛聯(lián) 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)