專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型機(jī)械電子系統(tǒng)加速度計(jì)量領(lǐng)域，特別涉及一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)。
背景技術(shù)：
侵徹武器在進(jìn)攻地面、巖石、混凝土或是其他目標(biāo)的時(shí)候，產(chǎn)生的加速度信號(hào)是硬目標(biāo)侵徹引信安全系統(tǒng)解除保險(xiǎn)裝置并起爆控制系統(tǒng)的主要參考依據(jù)。在侵徹過(guò)程中產(chǎn)生的加速度可以達(dá)到重力加速度的幾萬(wàn)倍到幾十萬(wàn)倍，因此要求高g值加速度計(jì)能夠準(zhǔn)確地測(cè)量該加速度值，此外高g值加速度計(jì)還要有良好的過(guò)載能力。高g值加速度計(jì)有多種信號(hào)轉(zhuǎn)換方式，目前最常用的主要有三種電容式、壓電式和電阻式。電容式加速度計(jì)的信號(hào)處理電路比較復(fù)雜，回零慢，不適合連續(xù)測(cè)試。壓電式加·速度計(jì)基于壓電效應(yīng)，其敏感元件由壓電材料制成，壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷，信號(hào)處理電路復(fù)雜。壓阻式加速度計(jì)基于壓阻效應(yīng)，此類(lèi)型加速度計(jì)制作工藝和信號(hào)處理簡(jiǎn)單，信號(hào)強(qiáng)，測(cè)量線性好。目前，壓阻式加速度計(jì)的硅微結(jié)構(gòu)一般常采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)，懸臂梁式結(jié)構(gòu)的靈敏度高，但橫向靈敏度大，抗過(guò)載能力低。國(guó)內(nèi)對(duì)于高g值加速度計(jì)的研究與開(kāi)發(fā)已取得了一定的成果，但其量程都在5萬(wàn)g以下，目前還未見(jiàn)到10萬(wàn)g以上的量程范圍的高g值加速度計(jì)的實(shí)際應(yīng)用報(bào)導(dǎo)。現(xiàn)有的高g值加速度計(jì)存在量程低、靈敏度低、過(guò)載能力差、功耗大等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供了一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)，該加速度計(jì)量程為IX IO5g,具有量程高、靈敏度高、過(guò)載能力強(qiáng)、功耗小的優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為—種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)，包括封裝外殼I、電路板2及SOI壓阻芯片3，SOI壓阻芯片3配置在電路板2中部的槽內(nèi)，SOI壓阻芯片3與電路板2之間通過(guò)第二引線6連接，SOI壓阻芯片3與電路板2用膠黏劑粘接在封裝外殼I上的第一凹槽7底部，電路板2上的第一引線4通過(guò)封裝外殼I上的引線孔5引出，封裝的加速度計(jì)內(nèi)部采用膠黏劑填充，封裝頂蓋9焊接在封裝外殼I的第二凹槽8中。封裝外殼I的內(nèi)部配置有第一凹槽7和第二凹槽8，第一凹槽7和第二凹槽8為同心圓孔，第一凹槽7的直徑小于第二凹槽8的直徑，形成階梯孔，封裝頂蓋9的直徑小于第二凹槽8的直徑，而大于第一凹槽7的直徑，沿著封裝外殼I的長(zhǎng)度方向，在第二凹槽8的兩側(cè)各配置一個(gè)通孔10，封裝外殼I上的側(cè)面配置有引線孔5，引線孔5和第一凹槽7連通。電路板2上配置有第一焊盤(pán)11和第二焊盤(pán)12，第一焊盤(pán)11和第一引線4連接，第一焊盤(pán)11和第二焊盤(pán)12連接，第二焊盤(pán)12和第二引線6的一端連接，第二引線6的另一端和SOI壓阻芯片3連接。SOI壓阻芯片3采用梁膜結(jié)構(gòu)，由十字梁13、膜14和頂端的結(jié)構(gòu)框架15固連，梁膜結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變值< 500 μ ε，四個(gè)相同的壓敏電阻16、17、18、19分別制作在十字梁13的四個(gè)端部，并構(gòu)成惠斯通電橋。本具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)采用全金屬管殼封裝。由于本發(fā)明采用全金屬管殼封裝，以及SOI壓阻芯片3采用梁膜結(jié)合的結(jié)構(gòu)，解決了傳感器在過(guò)載方面的問(wèn)題，故該加速度計(jì)的量程為IXio5g，具有量程高、靈敏度高、過(guò)載能力強(qiáng)、功耗小的優(yōu)點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明電路板2的PCB版圖。圖3為本發(fā)明SOI壓阻芯片3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明SOI壓阻芯片3的壓敏電阻分布示意圖。圖5為本發(fā)明SOI壓阻芯片3的截面示意圖。圖6為本發(fā)明的惠斯通電橋的原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參見(jiàn)圖1，一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)，包括封裝外殼I、電路板2及SOI壓阻芯片3，SOI壓阻芯片3配置在電路板2中部的槽內(nèi)，SOI壓阻芯片3與電路板2之間通過(guò)第二引線6連接，SOI壓阻芯片3與電路板2用膠黏劑粘接在封裝外殼I上的第一凹槽7底部，電路板2上的第一引線4通過(guò)封裝外殼I上的引線孔5引出，封裝的加速度計(jì)內(nèi)部采用膠黏劑填充，封裝頂蓋9焊接在封裝外殼I上的第二凹槽8內(nèi)。參見(jiàn)圖1，封裝外殼I的內(nèi)部配置有第一凹槽7和第二凹槽8，第一凹槽7和第二凹槽8為同心圓孔，第一凹槽7的直徑小于第二凹槽8的直徑，形成階梯孔，第一凹槽7用來(lái)放置電路板2和SOI壓阻芯片3，封裝頂蓋9與第二凹槽8相配置，封裝頂蓋9的直徑小于第二凹槽8的直徑，而大于第一凹槽7的直徑，沿著封裝外殼I的長(zhǎng)度方向，在第二凹槽8的兩側(cè)各配置一個(gè)通孔10，用來(lái)固定該高g值加速度計(jì)，封裝外殼I上的側(cè)面配置有引線孔5，引線孔5和第一凹槽7連通，以保證將電路板2和SOI壓阻芯片3粘接在凹槽7底部時(shí)，第一引線4能夠順利地從引線孔5中引出，從而使得后續(xù)測(cè)試電路能夠順利連接。參見(jiàn)圖I及圖2，電路板2上配置有第一焊盤(pán)11和第二焊盤(pán)12，第一焊盤(pán)11和第一引線4連接，第一焊盤(pán)11和第二焊盤(pán)12連接，第二焊盤(pán)12和第二引線6的一端連接，第二引線6的另一端和SOI壓阻芯片3連接，第二引線6用來(lái)將SOI壓阻芯片3中的壓敏電阻轉(zhuǎn)接到電路板2上，第一引線4用于連接外部后續(xù)測(cè)試電路。參見(jiàn)圖3、圖4、圖5及圖6，SOI壓阻芯片3采用梁膜結(jié)構(gòu)，由十字梁13、膜14和頂端的結(jié)構(gòu)框架15固連，通過(guò)進(jìn)行有限元仿真模擬，當(dāng)施加10萬(wàn)g的加速度時(shí)，梁膜結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變值< 500μ ε，如此可以保證加速度計(jì)的輸出具有良好的線性，四個(gè)相同的壓敏電阻16、17、18、19分別制作在在十字梁13的四個(gè)端部，并構(gòu)成惠斯通電橋，由四臂電阻構(gòu)成的惠斯通電橋既能靈敏地反映應(yīng)力所導(dǎo)致的電阻變化，又能有效地消除擴(kuò)散電阻本身的不均勻性及電阻溫度系數(shù)的影響，因此可以有效地將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。本具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)采用全金屬管殼封裝，以此來(lái)提高傳感器的抗高過(guò)載能力。本發(fā)明的工作原理是基于牛頓第二定律F=ma，當(dāng)加速度作用在梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)上時(shí)，十字梁13和膜14會(huì)發(fā)生變形，根據(jù)壓阻效應(yīng)，十字梁13和膜14的變形會(huì)導(dǎo)致壓敏電阻16、17、18、19的阻值發(fā)生改變，通過(guò)惠斯通電橋，橋臂阻值的變化會(huì)以電壓的形式輸出，從而完成了從加速度到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變。通過(guò)改變十字梁13的長(zhǎng)度、厚度及膜14的厚度，就可以設(shè)計(jì)不同量程范圍的加速 度計(jì)。通過(guò)有限元仿真模擬，在十字梁13的四端應(yīng)力分布的線性度很好，而且在IX IO5g加速度作用下，十字梁13上最大的應(yīng)力能達(dá)到硅應(yīng)變極限的1/5左右，即500 μ ε左右，故將加速度計(jì)的壓敏電阻16、17、18、19布置在十字梁13的四個(gè)端部，既可以提高高g值加速度計(jì)的靈敏度，又可以保證該加速度計(jì)在高沖擊下的安全性。綜上所述，本發(fā)明加速度計(jì)的量程為IXlO5g,具有量程高、靈敏度高、過(guò)載能力強(qiáng)及功耗小的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足武器彈藥系統(tǒng)在高過(guò)載侵徹過(guò)程中高g值加速度的測(cè)量需要。
權(quán)利要求
1.一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)，包括封裝外殼(I)、電路板(2)及SOI壓 >阻芯片(3 )，其特征在于S0I壓阻芯片(3 )配置在電路板(2 )中部的槽內(nèi)，SOI壓阻芯片(3 )與電路板(2)之間通過(guò)第二引線(6)連接，SOI壓阻芯片(3)與電路板(2)用膠黏劑粘接在封裝外殼(I)上的第一凹槽(7)底部，電路板(2)上的第一引線(4)通過(guò)封裝外殼(I)上的引線孔(5 )引出，封裝的加速度計(jì)內(nèi)部采用膠黏劑填充，封裝頂蓋(9 )焊接在封裝外殼(I)的第二凹槽(8)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)，其特征在于封裝外殼(I)的內(nèi)部配置有第一凹槽(7)和第二凹槽(8)，第一凹槽(7)和第二凹槽(8)為同心圓孔，形成階梯孔，第一凹槽(7)的直徑小于第二凹槽(8)的直徑，封裝頂蓋(9)的直徑小于第二凹槽(8)的直徑，而大于第一凹槽(7)的直徑，沿著封裝外殼(I)的長(zhǎng)度方向，在第二凹槽(8)的兩側(cè)各配置一個(gè)通孔(10)，封裝外殼(I)上的側(cè)面配置有引線孔(5)，引線孔(5)和第一凹槽(7)連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)，其特征在于電路板(2)上配置有第一焊盤(pán)(11)和第二焊盤(pán)(12)，第一焊盤(pán)(11)和第一引線(4)連接，第一焊盤(pán)(11)和第二焊盤(pán)(12)連接，第二焊盤(pán)(12)和第二引線(6)的一端連接，第二引線(6)的另一端和SOI壓阻芯片(3)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)，其特征在于S0I壓阻芯片(3)采用梁膜結(jié)構(gòu)，由十字梁(13)、膜(14)和頂端的結(jié)構(gòu)框架(15)固連，梁膜結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變值< 500 μ ε，四個(gè)相同的壓敏電阻(16)、(17)、(18)、(19)分別制作在十字梁(13)的四個(gè)端部，并構(gòu)成惠斯通電橋。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)，其特征在于本具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)采用全金屬管殼封裝。
全文摘要
一種具有梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值加速度計(jì)，包括封裝外殼、電路板及SOI壓阻芯片，SOI壓阻芯片與電路板用膠黏劑粘接在封裝外殼凹槽底部，SOI壓阻芯片與電路板之間通過(guò)引線相連，加速度計(jì)內(nèi)部采用膠黏劑填充，加速度計(jì)采用全金屬管殼封裝，當(dāng)加速度作用在梁膜結(jié)合的結(jié)構(gòu)上時(shí)，SOI壓阻芯片的十字梁與膜會(huì)產(chǎn)生變形，該變形導(dǎo)致壓敏電阻阻值改變，通過(guò)惠斯通電橋，橋臂電阻阻值的改變會(huì)以電壓的形式輸出，從而完成從加速度到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變，該加速度計(jì)的量程為1×105g，解決了武器在侵徹混凝土、鋼甲目標(biāo)時(shí)高g值加速度測(cè)量問(wèn)題，具有量程高、靈敏度高、過(guò)載能力強(qiáng)及功耗小的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足武器彈藥系統(tǒng)高過(guò)載侵徹過(guò)程中高g值加速度的測(cè)量需要。
文檔編號(hào)G01P15/00GK102928620SQ20121038082
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月9日
發(fā)明者趙玉龍, 李曉博 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)