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，它用于測量空間的三維線加速度和三維角加速度，在機器人學(xué)、航空航天等多個領(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，但也存在著各種不足，例如，有的存在維間耦合問題，有的需要對輸出信號進行復(fù)雜解耦運算，有的動態(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)成的測力計、夾住該測力計的兩片絕緣電極板，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、無需解耦運算、動態(tài)特性好，以及結(jié)構(gòu)相對簡單、比較易于小型化等優(yōu)點。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、無需解耦運算、動態(tài)特性好，但其結(jié)構(gòu)卻更簡單、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力計，夾住該測力計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；所述測力計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)，有對應(yīng)于各石英晶片的成對電極，每對電極均通過信號引線與所述殼體上的插座連接。其改進之處是，構(gòu)成所述測力計的石英晶片有八片，所述成對電極有八對；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針或順時針地同向布置；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針或順時針方向同向布置；所述的八對電極構(gòu)成八個信號輸出端，并分別地通過信號引線與各自對應(yīng)的一個插座連接；使用時，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°切型石英晶片對應(yīng)的信號輸出端的輸出值，通過減法運算獲得；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°切型石英晶片對應(yīng)的信號輸出端的輸出值，通過減法運算獲得；Z向的線加速度值，由所述的四片χο°切型石英晶片對應(yīng)的信號輸出端的輸出值，通過加法運算獲得；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° 切型石英晶片所對應(yīng)的信號輸出端的輸出值之和與另一邊的兩片χο°切型石英晶片所對應(yīng)的信號輸出端的輸出值之和，通過減法運算獲得；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°切型石英晶片所對應(yīng)的信號輸出端的輸出值之和與另一邊的兩片χο°切型石英晶片所對應(yīng)的信號輸出端的輸出值之和，通過減法運算獲得；Z向的角加速度值，由所述的四片Υ0°切型石英晶片所對應(yīng)的信號輸出端的輸出值，通過加法運算獲得。
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，但由于每一對電極只與各自對應(yīng)的一個插座連接，于是，不但有利于在固定石英晶片時布線，并且還不存在現(xiàn)有技術(shù)那種因有多對電極連接在一個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引線與絕緣電極板上布線之間的信號相互干擾問題。因此，本發(fā)明除保持了現(xiàn)有技術(shù)所具備的優(yōu)點之外，還因其所用石英晶片大大減少而進一步簡化了結(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)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。


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)明輸出信號處理原理框圖。
具體實施方式
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之上的測力計j0，夾住該測力計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；所述測力計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)，有對應(yīng)于各石英晶片的成對電極，每對電極均通過信號引線5與所述殼體2上的插座3連接。在本發(fā)明中，構(gòu)成所述測力計j0的石英晶片(jl j8)有八片(參考圖3)，所述成對電極(dl d8)有八對(參考圖4，由于各對電極是鏡像對稱的，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的圓周逆時針或順時針地同向布置(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 的圓周逆時針或順時針方向同向布置；所述的八對電極(dl d8)構(gòu)成八個信號輸出端( Qi 0)，并分別地通過信號引線5與各自對應(yīng)的一個插座3連接；使用時(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)對應(yīng)的信號輸出端(β、β5)的輸出值，通過減法運算獲得；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)對應(yīng)的信號輸出端(β3、β-)的輸出值，通過減法運算獲得；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)對應(yīng)的信號輸出端(込、込、込、Q )的輸出值， 通過加法運算獲得；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)所對應(yīng)的信號輸出端(a、a)的輸出值之和與另一邊的兩片X0°切型石英晶片(j2、j8)所對應(yīng)的信號輸出端(込、fiU的輸出值之和，通過減法運算獲得；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)所對應(yīng)的信號輸出端(ft、β4)的輸出值之和與另一邊的兩片χο°切型石英晶片(je、js)所對應(yīng)的信號輸出端(gs、a)的輸出值之和，通過減法運算獲得；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)所對應(yīng)的信號輸出端(β ,Q3,Q5, Q-)的輸出值，通過加法運算獲得。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，除用信號引線5把各個信號輸出端(β g)與對應(yīng)的八個插座3連接之外，由于輸出信號為電荷信號的原因，在各個插座3之外，還應(yīng)當(dāng)與對應(yīng)的電荷放大器連接，將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后根據(jù)本發(fā)明提出的運算規(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信號輸出端(α β)測得電荷信號的對應(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，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軸同軸的一個測量用安裝螺孔13。絕緣電極板61和62由聚四氟乙烯為材料的圓環(huán)板，八對電極(dl d8)是用電鍍方式鍍在圓環(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(即本具體實施方式
中的雙頭螺栓71)通過的通孔。在各信號引線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)之上的測力計(j0)，夾住該測力計(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；所述測力計(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)，有對應(yīng)于各石英晶片的成對電極，每對電極均通過信號引線(5)與所述殼體(2)上的插座(3)連接；其特征在于，構(gòu)成所述測力計(j0)的石英晶片(jl j8)有八片，所述成對電極(dl d8)有八對；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)的圓周逆時針或順時針地同向布置；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) 的圓周逆時針或順時針方向同向布置；所述的八對電極(dl d8)構(gòu)成八個信號輸出端( Q ^ )，并分別地通過信號引線(5)與各自對應(yīng)的一個插座(3)連接；使用時，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)對應(yīng)的信號輸出端(β、β5)的輸出值，通過減法運算獲得；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)對應(yīng)的信號輸出端(β、β-)的輸出值，通過減法運算獲得；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)對應(yīng)的信號輸出端(Q2、Q4、Qi、Qg )的輸出值，通過加法運算獲得；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)所對應(yīng)的信號輸出端(a、a)的輸出值之和與另一邊的兩片X0°切型石英晶片(j2、j8)所對應(yīng)的信號輸出端(込、a)的輸出值之和，通過減法運算獲得；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)所對應(yīng)的信號輸出端(β2、a)的輸出值之和與另一邊的兩片X0°切型石英晶片(j6、j8)所對應(yīng)的信號輸出端(込、β)的輸出值之和，通過減法運算獲得；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) 所對應(yīng)的信號輸出端(β、込、β、β，)的輸出值，通過加法運算獲得。
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力計，夾住該測力計兩片絕緣電極板和位于最上面的慣性質(zhì)量塊。其中，測力計由八片石英晶片構(gòu)成，它們在傳感器的工作三維直角坐標(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)，有對應(yīng)于各石英晶片的成對電極，每對電極均通過信號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)點之外，還簡化了結(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G01P15/18GK102520210SQ20111044668
公開日2012年6月27日 申請日期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, 劉俊, 李敏, 李鵬程, 秦嵐, 薛聯(lián) 申請人:重慶大學(xué)