一种集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感检测领域，具体涉及一种集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器。
【背景技术】
[0002]石英双端固定音叉是一种基于面内弯曲振动模态的力频谐振器，具有直接输出数字信号、温度特性稳定、动态范围广、灵敏度高、可以批量生产等优点。谐振器的两根梁以180度的相位差反向振动，使得在振梁连接处的固定部分产生的力和力矩相互抵消，减少振动能量的损失，获得很高的品质因数，不需要特殊的隔振系统。利用石英晶体本身的压电效应，不需要加额外的装置，就可以激励和检测双梁的振动频率，因此又具有结构简单的优点。
[0003]石英双端固定音叉本身既可以作为力传感器，又常用作加速度传感器的转换元件。通过质量结构把被测的加速度转化为惯性力施加到振动梁上，引起振梁谐振频率的变化，检测出该频率就可以计算出相应的加速度。由于上述各种优点，基于石英双端固定音叉力频谐振器的加速度传感器在民用、军工等中高精度领域都有广泛的应用。在高精度需求的战略导航、地震监测等领域，由于温度漂移带来的测量误差，石英振梁加速度计的性能还不能达到要求。
[0004]传统的温度补偿方式有两种:(I)将两个完全相同的加速度计反向安装，构成差动结构，检测两弯曲梁的频率差来减小温度变化对输出频率的影响。当周围环境温度变化缓慢时，这种温度补偿方式是有效的。当周围温度剧烈变化时，两个加速度计结构间存在温度场梯度，会使测量精度下降；(2)在传感器的封装壳内壁加温度补偿模块，根据温度的影响采用软件或硬件的方式进行频率补偿。同样，当周围环境温度变化缓慢时，这种温度补偿方式也是有效的。但当温度剧烈变化时，封装盒内部的空间温度梯度很大，测得的温度可能是外壳的温度，并不能真正反映加速度计上的温度，不能对加速度计上温度进行实时准确的测量和补偿。同时，外加温度传感器会大大增加加速度计的体积和封装成本。
【发明内容】
[0005]发明目的:为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，主要解决周围温度剧烈变化时加速度计性能下降的问题，通过在双梁结合底座上集成一个温度敏感谐振器，能够对石英双梁上的温度进行实时精确的测量和补偿。
[0006]技术方案:为实现上述技术方案，本发明提出了一种集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，包括石英双梁力频谐振器部分和温度敏感部分，两者呈一体式结构，其中，
[0007]所述石英双梁力频谐振器部分由石英双梁和双梁结合底座组成，所述石英双梁力频谐振器部分工作在面内弯曲振动模态，其谐振频率对双梁的轴向拉、压应力(拉应力和压应力)敏感，而对温度不敏感。其中，在轴向拉应力的作用下，其振动频率增加；反之，在轴向压应力的作用下，其振动频率降低；
[0008]所述温度敏感部分由依次相互连接的第一连接固定部分、扭转叉指、第二连接固定部分和音叉结合底座组成，所述第一连接固定部分与所述双梁结合底座的一端固定连接。其中，所述温度敏感部分工作在扭转模态，其扭转频率是温度的函数，所述温度敏感部分对温度敏感，而对轴向拉、压应力不敏感；
[0009]所述温度敏感部分的谐振频率与石英双梁力频谐振器部分的谐振模态和谐振频率不同，两者可以共存且互不干扰。
[0010]其中，所述扭转叉指包括两个结构对称的叉指，两个叉指的方向垂直于所述石英双梁且工作时两个叉指扭转方向相反。
[0011]在一种实施方案中，所述石英双梁力频谐振器部分和所述温度敏感部分的厚度相同。
[0012]优选地，所述石英双梁采用中间宽度被削薄的变截面双梁结构。
[0013]作为另一种实施方式，所述石英双梁采用不变截面双梁。
[0014]其中，所述石英双梁上连接实现石英双梁的面内弯曲振动的电子振荡回路；所述扭转叉指上连接实现扭转叉指扭转振动的电子振荡回路。优选地，所述石英双梁和所述扭转叉指采用金属薄膜电极分别激励面内弯曲振动和扭转振动。
[0015]优选地，所述温度敏感部分的扭转模态频率通过设计所述扭转叉指的尺寸以及在所述扭转叉指端部附加质量块进行调整。
[0016]优选地，所述石英双梁力频谐振器部分和所述温度敏感部分的制作材料均为石英材料。
[0017]优选地，所述温度敏感部分包括两个，分别位于所述双梁结合底座的左右两边。
[0018]本发明同时提出了一种加速度传感器，该传感器由上述集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器和质量-挠性-底座构成，其中，上述集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器作为惯性力的转换元件，所述质量-挠性-底座可采用石英、硅和金属。
[0019]发明原理:本发明在传统石英双梁力频谐振器的基础上集成了一个温度敏感谐振器，两者构成一体式结构。石英双梁力频谐振器工作于面内弯曲振动模态，在振梁长度方向的轴向拉力作用下谐振频率增加，在轴向压力作用下频率降低。作为力频敏感元件，石英双梁力频谐振器可以用作力或应力传感器，在配合了质量-挠性结构后又可以用于转换惯性力的加速度传感器。基于扭转振动模态的温度敏感谐振器的叉指长度方向与石英双梁力频谐振器的叉指长度方向垂直，两个叉指分别位于结合部的两端。两种谐振器的结合部固连于一体，且两个谐振器均为独立谐振。石英双梁力频谐振器的谐振频率对双梁轴向拉、压应力敏感，而对温度不敏感。温度敏感谐振器的谐振频率是温度的函数，对温度敏感，而对轴向拉压力不敏感。温度敏感谐振器的谐振频率与石英双梁力频谐振的频率、模态不同，两者可以共存且互不干扰。当外界温度缓慢变化时，同传统温度补偿方式一样能够保证加速度计性能的稳定。当外界温度剧烈变化时，能够克服传统温度补偿方式的缺点。温度敏感谐振器的频率和频率变化能够实时精确的反应石英双梁力频谐振器的温度及温度变化情况，实时监控石英器件本体的温度，从而完成由于温度变化带来的石英双梁力频谐振器谐振频率漂移的实时补偿。同时温度敏感传感器输出数字信号，便于信号的处理。而且集成后的一体式结构可利用光刻、石英腐蚀等微加工技术一次、批量完成，成本低。
[0020]有益效果:本发明与现有技术相比，本发明的石英双梁力频谐振器通过集成温度敏感单元，将用于温度测量的石英音叉与石英双梁力频谐振器为一体式结构，因此能够实时、准确地反映力频谐振器的真实温度及温度变化情况，并且温度敏感音叉输出数字信号，便于信号的处理，同时具有小型化的优势。
【附图说明】
[0021]图1是本发明的结构示意图；
[0022]图2是本发明石英双梁力频谐振器弯曲振动的示意图；
[0023]图3是本发明温度敏感单元叉指扭转振动的示意图；
[0024]图4是本发明温度敏感单元激励电极的分布示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图详细说明本发明。
[0026]如图1所示，本发明的集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器包括石英双梁力频谐振器部分和温度敏感部分，两部分是一体式结构。石英双梁力频谐振器部分由石英双梁I和分别设置于石英双梁I两端的双梁结合底座2组成。石英双梁力频谐振器部分的长度方向为石英结晶的Y轴方向(图1的水平方向)，宽度方向为石英结晶的X轴方向(图1的竖直方向)，厚度方向为石英结晶的Z轴方向(图1的垂直面内方向)。石英双梁I可采用不变截面振梁结构。但为了提高双梁的力-频灵敏度，石英双梁I也可采用中间宽度被削薄的变截面振梁结构。
[0027]温度敏感部分由第一连接固定部分3、扭转叉指4、第二连接固定部分5和音叉结合底座6组成，石英双梁力频谐振器部分通过第一连接固定部分3与温度敏感部分固定连接。扭转叉指4的宽度方向为石英结晶的Y轴方向(图1的水平方向)，长度方向为石英结晶的X轴方向(图1的竖直方向)，厚度方向为石英结晶的Z轴方向(图1的垂直面内方向)。温度敏感部分和石英双梁力频谐振器部分的厚度相同。