伺服控制电路及基于其的石英挠性加速度计和制造方法与流程

本发明属于混合集成电路技术领域，涉及一种伺服控制电路及基于其的石英挠性加速度计和制造方法。

背景技术：

惯性导航技术是一种不依赖外界信息，也不对外辐射能量的自主式导航技术，具有连续性和隐蔽性，是无环境限制的载体运动信息感知技术。其基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，对时间进行积分运算，解算得到载体在导航坐标系中的速度、偏航角以及位置信息。作为惯性导航系统的核心仪表，加速度计指标的优劣直接影响控制系统的整体性能。其中，石英挠性加速度计作为一种经典的高精度机械摆式加速度计，是目前中高精度惯性导航领域应用的关键器件，广泛应用于航空航天飞行控制系统、卫星姿态控制和微重力测量等领域。在惯性导航系统中，导航信息经过积分产生，定位误差会随时间逐渐增大，提高石英挠性加速度计测量精度可以有效抑制积分误差，提高惯性导航系统长期测量精度。因此，高精度石英挠性加速度计是目前重点研究方向。

惯性导航系统一般包含多个石英挠性加速度计、多个陀螺仪、数字计算单元、控制显示装置、专用配电单元以及相关处理电路。惯性导航系统内部电磁环境复杂，电磁干扰源与干扰传播途径种类繁多，电磁干扰会降低石英挠性加速度计测量精度从而影响惯性导航系统整体性能。目前，提高石英挠性加速度计抗干扰能力技术方案一般从电原理设计和工艺实现方面进行设计。具体的，电原理设计方面，通过将加速度计外壳与伺服控制电路地线直接相连；工艺实现方面，通过将混合集成电路基板与金属外壳通过pbsn再流焊工艺连接在一起。

但是，上述技术方案由于存在如下缺点，导致其效果并不理想。具体的，一方面，由于石英挠性加速度计壳体为金属并且暴露在外界环境之中，当外界不慎引入直流干扰电压时，将改变加速度计地线电平，造成加速度计工作异常甚至失效；另一方面，pbsn再流焊工艺只能将混合集成电路基板焊接在表面镀金或镀镍的金属外壳上，由于电路外壳的特殊性，使得混合集成电路基板与外壳焊接接触面积较小，焊接强度不足。此外，石英挠性加速度计表头敏感结构(简称石英表头)壳体为不锈钢，若为保证石英挠性加速度计伺服控制电路氧化铝陶瓷基板与金属外壳的连通性，则金属外壳需进行镀金或镀镍处理，使电路模块与石英表头只能通过环氧胶粘接在一起，从而大大降低了石英挠性加速度计整体密封性能；若为保证石英挠性加速度计整体密封性能，伺服控制电路金属外壳需选择与石英表头壳体相同的不锈钢材质，只能采用导电胶粘接或者电阻焊实现电路氧化铝陶瓷基板与不锈钢外壳的电气互联，但是，导电胶在经历多次温度循环试验后存在胶体开裂现象，从而降低连同可靠性，电阻焊不属于厚膜混合集成电路常规工艺，会提高电路模块制造工艺复杂度，降低产品良率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的石英挠性加速度计抗干扰能力差的缺点，提供一种伺服控制电路及基于其的石英挠性加速度计和制造方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一方面，一种伺服控制电路，用于石英挠性加速度计的伺服控制；所述伺服控制电路包括差动电容检测器、电流积分器、跨导/补偿放大器、阻容反馈网络以及电容；差动电容检测器的输入端用于输入第一信号，第一信号为石英挠性加速度计的差动电容传感器的输出信号，差动电容检测器的输出端依次连接电流积分器和跨导/补偿放大器；跨导/补偿放大器的输出端用于输出第二信号，第二信号为石英挠性加速度计的力矩器的输入信号；阻容反馈网络的输入端连接跨导/补偿放大器的输出端，输出端连接跨导/补偿放大器的输入端；电容一端接地，另一端连接石英挠性加速度计的外壳。

本发明伺服控制电路进一步的改进在于：

还包括rc低通滤波器，电流积分器与跨导/补偿放大器通过rc低通滤波器连接。

所述电容为片式瓷介电容器。

本发明第二方面，一种石英挠性加速度计，包括连接石英表头以及伺服组件；

石英表头包括壳体，壳体内同轴设置差动电容传感器和力矩器；伺服组件包括外壳；外壳与壳体连接，外壳与壳体之间设置基板，基板一侧与外壳连接，另一侧上设置上述的伺服控制电路以及罩在在伺服控制电路外部的盖板；差动电容检测器的输入端连接差动电容传感器的输出端，跨导/补偿放大器的输出端连接力矩器的输入端；外壳上设置第一接线柱、厚膜焊盘以及若干第二接线柱，第一接线柱和第二接线柱上均电镀金层，第一接线柱的一端与外壳靠近基板的一侧表面连接，另一端通过金丝超声键合与厚膜焊盘一端连接，厚膜焊盘另一端连接电容，第二接线柱的一端穿过外壳，另一端通过基板与伺服控制电路连接；第二接线柱与外壳之间设置玻璃绝缘子。

本发明石英挠性加速度计进一步的改进在于：

所述基板为氧化铝陶瓷基板，所述基板与外壳通过环氧胶粘接连接。

所述盖板通过环氧树脂粘接在基板上。

所述外壳为不锈钢外壳，外壳与壳体采用激光焊接方式连接。

还包括若干盖片；所述外壳上开设若干的接线孔，接线孔用于差动电容传感器和力矩器与伺服控制电路的接线，若干盖片用于密封若干接线孔。

本发明第三方面，一种石英挠性加速度计的制造方法，包括以下步骤：

s1：根据上述的伺服控制电路的电路拓扑，在基板上对伺服控制电路连接版图进行布局，通过厚膜丝网印刷形成无源电阻网络，并在基板上安装伺服控制电路的电子元器件；

s2：将基板粘接在外壳上，在外壳上设置第一接线柱以及若干第二接线柱；其中，第一接线柱的一端与外壳靠近基板的一侧表面连接；

s3：通过金丝超声键合技术，按照预设连接要求，将伺服控制电路、无源电阻网络、第一接线柱以及若干第二接线柱进行电气互连；

s4：将盖板罩设在伺服控制电路外部并与基板粘接；

s5：将外壳与石英表头的壳体激光焊接，将石英表头的接线柱通过基板上设置的焊盘与伺服控制电路连接。

本发明石英挠性加速度计的制造方法进一步的改进在于：

在基板上安装伺服控制电路的电容时，通过厚膜丝网印刷工艺将钯银焊盘烧结在基板上，采用pbsn再流焊工艺将电容焊接在钯银焊盘上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明伺服控制电路中，通过设置电容，且电容一端接地，另一端连接石英挠性加速度计的外壳，使得石英挠性加速度计的外壳与电源地相连，电源地与石英挠性加速度计的外壳形成直流断路与交流通路，当外界交流电磁干扰通过石英挠性加速度计的外壳引入时，会直接被该电容旁路到电源地中；当外界有直流电平不慎接触到石英挠性加速度计的外壳时，该电容便会发挥隔断作用，避免内部电子元器件损坏，从而可以有效的增强伺服控制电路的抗电磁干扰能力。

进一步的，该伺服控制电路还包括rc低通滤波器，电流积分器与跨导/补偿放大器通过rc低通滤波器连接。电流积分器输出的电压经过rc低通滤波器进行滤波整形，在不明显增加电路结构复杂度的基础上，可有效滤除由石英挠性加速度计的石英表头与差动电容检测器的非线性工作产生的高次谐波分量，提高伺服控制电路的工作稳定性，降低伺服控制电路输出噪声电压，提高石英挠性加速度计测量精度。

本发明石英挠性加速度计，通过在外壳内部设计特殊的第一接线柱，该第一引线柱与外壳为一体，并进行镀金处理，该方法保证了内部基板与第一接线柱可以采用金丝超声键合工艺完成电气互连，从而降低了伺服控制电路制造工艺复杂度；同时，外壳的局部电镀没有破坏其其他部位的材料特性，使外壳与壳体连接时可采用激光焊接工艺，从而提高石英挠性加速度计整体密封性。

进一步的，基板为氧化铝陶瓷基板，所述基板与外壳通过环氧胶粘接连接，所述盖板通过环氧树脂粘接在基板上，该类工艺成熟稳定，便于实现，稳定性好。

进一步的，所述外壳为不锈钢外壳，外壳与壳体采用激光焊接方式连接，伺服组件与石英表头连接时采用激光焊接工艺，从而提高石英挠性加速度计整体密封性。

进一步的，还包括若干盖片；所述外壳上开设若干的接线孔，接线孔用于差动电容传感器和力矩器与伺服控制电路的接线，若干盖片用于密封若干接线孔。通过接线孔的设计，能够实现在将石英表头与伺服组件扣装在一起后，再进行石英表头与伺服组件的接线，这样能够在保证伺服组件密封性的基础上，显著降低内部连接线的长度，避免线路干扰，降低器件成本。

本发明石英挠性加速度计的制造方法，伺服组件制造流程均采用厚膜混合集成电路常规工艺，工艺成熟可靠，采用金丝超声键合工艺进行伺服控制电路、无源电阻网络、第一接线柱以及若干第二接线柱的电气互连，从而简化了该型伺服组件的批量生产流程。

进一步的，电容通过钯银焊盘与基板连接，电容采用pbsn再流焊工艺焊接在钯银焊盘上，电源地与外壳之间的电容可以提升石英挠性加速度计抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明实施例的伺服控制电路的结构及与石英表头的连接示意图；

图2为本发明实施例的壳体结构一侧面示意图；

图3为本发明实施例的壳体结构另一侧面示意图；

图4为本发明实施例的安装电容的基板结构示意图；

图5为本发明实施例的伺服组件一侧面结构示意图；

图6为本发明实施例的伺服组件另一侧面结构示意图；

图7为本发明实施例的石英表头一侧面结构示意图；

图8为本发明实施例的石英表头另一侧面结构示意图；

图9为本发明实施例的盖片结构示意图。

其中：1-差动电容检测器；2-电流积分器；3-rc低通滤波器；4-跨导/补偿放大器；5-电容；6-阻容反馈网络；7-采样电阻；8-力矩器；9-摆片；10-差动电容传感器；11-第二接线柱；12-外壳；13-接线孔；14-第一接线柱；15-基板；16-钯银焊盘；17-盖板；18-壳体；19-盖片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明一个实施例中，公开了一种伺服控制电路，用于石英挠性加速度计的伺服控制；所述伺服控制电路包括差动电容检测器1、电流积分器2、跨导/补偿放大器4、阻容反馈网络6以及电容5；差动电容检测器1的输入端用于输入第一信号，第一信号为石英挠性加速度计的差动电容传感器10的输出信号，差动电容检测器1的输出端依次连接电流积分器2和跨导/补偿放大器4；跨导/补偿放大器4的输出端用于输出第二信号，第二信号为石英挠性加速度计的力矩器8的输入信号；阻容反馈网络6的输入端连接跨导/补偿放大器4的输出端，输出端连接跨导/补偿放大器4的输入端；电容5一端接地，另一端连接石英挠性加速度计的外壳12。

下面结合伺服控制电路的原理分析本发明伺服控制电路。

具体的，当外界不存在加速度作用时，石英表头中位于差动电容传感器10中心位置的摆片9处于中心位置，其与差动电容传感器10的两个电容5极板距离相等，因此摆片9与两个电容5极板形成的平板电容5的容值相等，差动电容5变化量为零；当外界沿石英表头敏感轴存在加速度ai作用时，摆片9偏离中心位置，从而使摆片9与两个电容5极板的距离发生变化，摆片9与上下电容5极板形成的差动电容5变化量近似为2δc，伺服控制电路中的差动电容检测器1检测到该电容5变化量转换为电流量，电流由电流积分器2积分后输出电压，随后，由跨导/补偿放大器4将电压转换放大为电流i输出，输出电流i经过石英表头的力矩器8线圈，在磁场作用下产生再平衡力矩，以平衡因ai引起的惯性力矩，驱动石英表头中的摆片9返回平衡位置。输出电流i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，从而完成外界加速度的测量。另外，跨导/补偿放大器4的另外一个输出端输出与电流i成比例的电流分量进入π型的阻容反馈网络6中，产生比例积分微分(pid)控制量，调节跨导/补偿放大器4动态放大增益与系统响应时间，使整体石英挠性加速度计系统静、动态参数满足工程应用需求。

进而，在本发明伺服控制电路中，通过设置电容5，且电容5一端接地，另一端连接石英挠性加速度计的外壳12，使得石英挠性加速度计的外壳12与电源地相连，电源地与石英挠性加速度计的外壳12形成直流断路与交流通路，当外界交流电磁干扰通过石英挠性加速度计的外壳12引入时，会直接被该电容5旁路到电源地中；当外界有直流电平不慎接触到石英挠性加速度计的外壳12时，该电容5便会发挥隔断作用，避免内部电子元器件损坏，从而可以有效的增强伺服控制电路的抗电磁干扰能力。

优选的，该伺服控制电路还包括rc低通滤波器3，电流积分器2与跨导/补偿放大器4通过rc低通滤波器3连接。电流积分器2输出的电压经过rc低通滤波器3进行滤波整形，在不明显增加电路结构复杂度的基础上，可有效滤除由石英挠性加速度计的石英表头与差动电容检测器1的非线性工作产生的高次谐波分量，提高伺服控制电路的工作稳定性，降低伺服控制电路输出噪声电压，提高石英挠性加速度计测量精度。

优选的，所述电容5为片式瓷介电容5器，本实施例中，选用容值为0.1μf、耐电压为200v的片式瓷介电容5，能够较好的实现交流短路和直流断路。

参见图1至9，本发明再一个实施例中，公开了一种石英挠性加速度计，包括连接石英表头以及伺服组件。

其中，石英表头包括壳体18，壳体18内同轴设置差动电容传感器10和力矩器8。

伺服组件包括外壳12；外壳12与壳体18连接，外壳12与壳体18之间设置基板15，基板15一侧与外壳12连接，另一侧上设置上述的伺服控制电路以及罩在在伺服控制电路外部的盖板17；差动电容检测器1的输入端连接差动电容传感器10的输出端，跨导/补偿放大器4的输出端连接力矩器8的输入端；外壳12上设置第一接线柱14、厚膜焊盘以及若干第二接线柱11，第一接线柱14和第二接线柱11上均电镀金层，第一接线柱14的一端与外壳12靠近基板15的一侧表面连接，另一端通过金丝超声键合与厚膜焊盘一端连接，厚膜焊盘另一端连接电容5，第二接线柱11的一端穿过外壳12，另一端通过基板15与伺服控制电路连接；第二接线柱11与外壳12之间设置玻璃绝缘子。

通过在外壳12内部上设计特殊的第一引线柱，该第一引线柱与外壳12为一体，并进行镀金处理，该方法既保证了内部基板15与第一引线柱可以采用金丝超声键合工艺完成电气互连，从而降低了伺服控制电路制造工艺复杂度；同时，外壳12的局部电镀没有破坏其其他部位的材料特性，使外壳12与壳体18连接时可采用激光焊接工艺，从而提高石英挠性加速度计整体密封性。

优选的，基板15为氧化铝陶瓷基板15，所述基板15与外壳12通过环氧胶粘接连接，所述盖板17通过环氧树脂粘接在基板15上，该类工艺成熟稳定，便于实现，稳定性好。

优选的，所述外壳12为不锈钢外壳，外壳12与壳体18采用激光焊接方式连接，伺服组件与石英表头连接时采用激光焊接工艺，从而提高石英挠性加速度计整体密封性。

优选的，还包括若干盖片19；所述外壳12上开设若干的接线孔13，接线孔13用于差动电容传感器10和力矩器8与伺服控制电路，以及差动电容传感器10和力矩器8的地线与伺服控制电路地线的接线，若干盖片19用于密封若干接线孔13。通过接线孔13的设计，能够实现在将石英表头与伺服组件扣装在一起后，再进行石英表头与伺服组件的接线，即通过手工焊将漆包线一端焊接在石英表头的石英表头接线柱上，石英表头接线柱与石英表头壳体18内设置的差动电容传感器10、力矩器8以及差动电容传感器10和力矩器8的地线连接，另一端穿过接线孔13焊接在基板15背面上设置的焊盘16上，然后通过盖片19将连接孔密封，这样能够在保证伺服组件密封性的基础上，可以显著降低内部连接线的长度，避免线路干扰，降低器件成本。

本发明再一个实施例中，提供了一种石英挠性加速度计的制造方法，包括以下步骤：

s1：根据权利要求1至3任一项所述的伺服控制电路的电路拓扑，在基板15上对伺服控制电路连接版图进行布局，通过厚膜丝网印刷形成无源电阻网络，并在基板15上安装伺服控制电路的电子元器件。

s2：将基板15粘接在外壳12上，在外壳12上设置第一接线柱14以及若干第二接线柱11；其中，第一接线柱14的一端与外壳12靠近基板15的一侧表面连接。

s3：通过金丝超声键合技术，按照预设连接要求，将伺服控制电路、无源电阻网络、第一接线柱14以及若干第二接线柱11进行电气互连。

s4：将盖板17罩设在伺服控制电路外部并与基板15粘接。

s5：将外壳12与石英表头的壳体18激光焊接，将石英表头的接线柱通过基板15上设置的焊盘16与伺服控制电路连接。

优选的，通过厚膜丝网印刷工艺将钯银焊盘烧结在基板上，采用pbsn再流焊工艺将电容5焊接在钯银焊盘上。

具体的，使用电子制版软件对伺服控制电路连接版图进行布局，通过软件形成工艺制造数据，将制造数据转化为光绘底版，根据光绘底版制造厚膜丝网印刷漏版，通过丝网印刷、烘干、和高温烧结等将有机金属导体浆料、电阻浆料、绝缘介质浆料烧结在氧化铝陶瓷基板15上，形成无源电阻连接网络，并在氧化铝陶瓷基板15上组装伺服控制电路的电子元器件，具体的，将差动电容转换器5、跨导/补偿放大器4、阻容反馈网络6的薄膜电阻采用绝缘胶粘接在基板15上；电容5采用pbsn再流焊工艺焊接在钯银焊盘上，钯银焊盘与基板15连接。

组装完成的基板15采用环氧胶粘接在304#圆形不锈钢外壳12上；通过φ30μm金丝超声键合技术实现伺服控制电路与氧化铝陶瓷基板15无源电阻网络以及金属外壳12引线的电气互连，电路完成金丝键合后进行无损拉克测试，以保证键合强度；然后，将半圆形的陶瓷材质的盖板17采用环氧树脂粘接在氧化铝陶瓷基板15上，该盖板17与氧化铝陶瓷基板15形成的密闭空腔用来保护内部的半导体裸芯片和金丝引线。

其中，由于外壳12选用304#不锈钢材质，不能采用pbsn再流焊或超声键合等工艺方法将氧化铝陶瓷基板15与外壳12直接进行电气连接。因此，本发明中通过设计第一接线柱14，该第一接线柱14直接加工在不锈钢外壳12的基底材料上，与不锈钢壳体12为一个整体，并且该第一接线柱14只向基板15侧延伸，外壳12外部外观与传统石英挠性加速度计保持一致，没有多余引出端。同时，为使该第一接线柱14具有工艺可操作性，该第一接线柱14电镀金层，使该第一接线柱14可直接采用金丝超声键合工艺使氧化铝陶瓷基板15与外壳12实现电气连接。同时，为完成伺服控制电路电源地线、电容5及外壳12的电气连接，采用容值为0.1μf、耐电压为200v的片式瓷介电容5，通过pbsn再流焊工艺焊接在氧化铝陶瓷基板15的钯银焊盘16上，电容5一端通过钯银导带与伺服控制电路的电源地线金焊盘连接，另外一端通过钯银导带与基板15的第一接线柱14旁边的金焊盘连接，最后通过金丝超声键合完成第一接线柱14与氧化铝陶瓷基板15金焊盘的电气连接。此外，本发明可推广至φ25.4mm、φ18.9mm以及其他同类异形石英挠性加速度计，具有通用性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。