本实用新型专利技术公开了一种一体式石英谐振力频敏感元件及测力模块，其中谐振敏感元件包括基座，基座表面设有通槽和双梁音叉，双梁音叉包括连接在通槽内壁之间相互平行的第一叉指和第二叉指，第一叉指、第二叉指表面均涂覆有电极区，双梁音叉工作在面内弯曲振动模态，谐振频率对轴向和横向的拉应力、压应力敏感；在垂直双梁音叉电极区的通槽两侧基座表面设有挠性支撑槽，其贯穿基座并将基座分为安装部和敏感摆片；双梁音叉、基座和挠性支撑槽均为一体成型石英结构体。该谐振敏感元件能够将垂直方向的力转变为沿双梁音叉轴向或横向的拉应力、压应力，可通过频率检测电路把双梁音叉的谐振频率输出，将外力转换为电信号，完成对力的数字化感应与测量。
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及一种传感器检测领域，特别涉及一种一体式石英谐振力频敏感元件及测力模块。
技术介绍
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，其结构为两个固定端之间连接有两个音叉叉指，构成双梁音叉结构。由于谐振器的两根梁以180度的相位差反向振动，使得在振梁连接处的固定端部分产生的力和力矩相互抵消，以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，就可以激励和检测双梁的振动频率。该石英双端固定音叉，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，广泛应用于加速度传感器和陀螺仪的转换元件中。当石英双端固定音叉用作为力传感器，作为加速度传感器的转换元件时，其原理是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。在实际应用过程中，容易出现的问题是，在高精度需求的战略导航、地震监测等领域，由于温度漂移会带来的测量误差，石英振梁加速度计的性能还不能达到要求。为此，现有的方法一般采用温度补偿方式来克服温度漂移带来的测量误差，即将两个完全相同的石英双梁谐振器进行反向安装在中间施力结构上，两端再
分别采用两个端部底座固定，以构成差动结构的双石英音叉谐振元件，通过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。其存在的问题是，现有技术一般是将两个石英双梁谐振器的每个音叉叉指与中间施力传动结构采用粘接的方式连接，如采用胶粘剂或玻璃粉等材料进行粘接，由于粘接后的双石英音叉谐振元件各材料之间线膨胀系数不同，因此各材料间的热性能不匹配，胶粘剂在温度变化时发生蠕变和失效，再加上装配结构较为复杂以及结构应力集中等因素，均直接对该双石英音叉谐振元件传感器的精度带来显著的影响。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术中所存在的现有双石英音叉谐振元件的音叉叉指与中间施力传动结构采用粘接的方式连接，带来的各材料之间线膨胀系数不同、热性能不匹配、胶粘剂在温度变化时发生蠕变和失效对该谐振元件的精度带来显著影响的上述不足，提供一种一体式石英谐振力频敏感元件，同时还提供了一种测力模块。为了实现上述技术目的，本技术提供了以下技术方案：一种一体式石英谐振力频敏感元件，包括基座，所述基座表面设有通槽，所述通槽内设有双梁音叉，所述双梁音叉包括连接在所述通槽内壁之间的相互平行的第一叉指和第二叉指，所述第一叉指、第二叉指表面均涂覆有电极区，所述双梁音叉工作在面内弯曲振动模态，谐振频率对轴向拉应力、压应力和横向拉应力、压应力敏感；在垂直所述双梁音叉电极区的所述通槽两侧的基座表面设有挠性支撑槽，所述挠性支撑槽贯穿所述基座并将基座分为安装部和能够相对所述安装部摆动的敏感摆片；所述双梁音叉、安装部、敏感摆片和挠性支撑槽均为一体成型石英结构体。本技术所述一种一体式石英谐振力频敏感元件，采用在基座上设置通槽，通槽内连接双梁音叉，基座上设有垂直于双梁音叉的挠性支撑槽，挠性支撑槽将基座分为安装部和敏感摆片，敏感摆片能够承受垂直方向的施力，使敏感摆片通过挠性支撑槽形成相对安装部的形变摆动，进而引起双梁音叉的形变，该一体式石英谐振力频敏感摆片能够将垂直方向的力转变为对双梁音叉沿轴向或横向的拉应力、压应力，可通过频率检测电路把双梁音叉的谐振频率输出，将外力转换为电信号，以完成对力的数字化感应与测量；由于该基座、通槽、双梁音叉、挠性支撑槽均为微机工艺一体成型，且为石英结构体，能够有效解决现有的双石英音叉谐振元件因分离元件安装过程无法避免安装精度和结构与材料间的应力问题，能够避免不同材料组装后导致的热膨胀系数不同、热性能不匹配、胶粘剂在温度变化时发生蠕变以及内应力的存在问题，减少了对该谐振元件的精度带来影响，以及能够有效减小因温度变化影响谐振频率输出值，进而影响对力的检测精度和分辨率，能够提高检测的稳定性，该谐振敏感元件具有频率输出、体积小、敏感度高以及品质因数高等优点。进一步需要说明的，挠性支撑槽的作用原理在于，其对应双梁音叉的第一音叉和第二音叉电极区的位置，挠性支撑槽的弯曲变形直接影响双梁音叉电极区域的变形，而电极区域是双梁音叉能量最集中的部位，其变形的结果直接影响双梁音叉的振动能量，构成较为明显的阻尼效果，因此其能够导致敏感摆片在受到较小的外力作用下，通过挠性支撑槽的放大，引起双梁音叉谐振频率较大的改变，通过测量双梁音叉谐振频率的变化量，能够反推获得敏感摆片所受到的力的大小。优选地，所述基座为圆形或椭圆形状，所述通槽对称设于所述基座轴线上，
所述第一叉指和第二叉指相互对称设于所述基座轴线的两侧。将基座设计为圆形状或椭圆形状，圆形状基座的直径或椭圆形基座长轴为基座的轴线，通槽对称设置在基座轴线上，第一叉指和第二叉指与基座轴线相互平行，且对称设于基座轴线两侧，不仅便于对基座进行加工，也便于在基座受到垂直作用力时，对称设置的第一叉指和第二叉指发生形变时，基座能够保持稳定，提高该一体式石英谐振力频敏感元件的感应与测量精确度。优选地，所述第一叉指和第二叉指的两端均通过底座安装在所述通槽内壁之间，所述第一叉指和第二叉指之间的叉指槽长度短于所述第一叉指和第二叉指长度，以获得该敏感元件的第一叉指和第二叉指满足性能要求的弯曲刚度。优选地，所述第一叉指和第二叉指的一端通过导电连接线连接，所述第一叉指和第二叉指的另一端分别设置正极接口和负极接口。在第一叉指一端和第二叉指的一端通过导电连接线连接，并且第一叉指另一端和第二叉指另一端分别连接正极接口和负极接口，第一叉指和第二叉指上均涂覆有电极区，从而第一叉指和第二叉指实现相互串联，在对第一叉指和第二叉指进行谐振频率检测并输出时，只需要通过频率检测电路将正极接口和负极接口连通即可，连接方便可靠，提高了检测效率。优选地，连接所述第一叉指和第二叉指的导电连接线设于位于所述敏感摆片的底座上，所述第一叉指、第二叉指上的所述正极接口和负极接口设于位于所述安装部的底座上，且所述正极接口和负极接口均为金属薄膜材质接口。优选地，所述第一叉指、第二叉指的四个表面均涂覆有电极区，且每个表面均涂覆的电极区为间隔分布的正电极区和负电极区，每个叉指相对的两个表
面相对正电极区和负电极区的位置相对分布，每个叉指相邻的两个表面的正电极区和负电极区交错分布，避免每个叉指的电极区形成短路。优选地，所述挠性支撑槽的截面形状为圆弧形状或梯形状，便于加工。优选地，所述基座的安装部上设有用于固定的安装孔，通过安装孔内填放石英砂，即与基座同材料的填充剂，石英砂在高温下能够将基座与安装结构连接在一起，能够有效避免因安装带来蠕变效应和因材料不同导致热膨胀系数不同的影响。本技术还提供了一种测力模块，包括载体，所述载体上设有上述的一种一体式石英谐振力频敏感元件，以及与所述一体式石英谐振力频敏感元件适配的施力杠杆，所述施力杠杆的作用方向垂直于敏感摆片，所述第一叉指、第二叉指之间电连接有第一电子振荡回路和第一频率采集模块。该测力模块，包括用于安装一体式石英谐振力频敏感元件的载体，载体上设有施力杠杆，施力杠杆的作用方向垂直于敏感摆片，同时载体上设有电连接第一叉指、第二叉指的电子振荡回路和频率本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种一体式石英谐振力频敏感元件，包括基座(2)，其特征在于，所述基座(2)表面设有通槽(21)，所述通槽(21)内设有双梁音叉(1)，所述双梁音叉(1)包括连接在所述通槽(21)内壁之间的相互平行的第一叉指(11)和第二叉指(12)，所述第一叉指(11)、第二叉指(12)表面均涂覆有电极区，所述双梁音叉(1)工作在面内弯曲振动模态，谐振频率对轴向拉应力、压应力和横向拉应力、压应力敏感；在垂直所述双梁音叉(1)电极区的所述通槽(21)两侧的基座表面设有挠性支撑槽(4)，所述挠性支撑槽(4)贯穿所述基座(2)并将基座分为安装部(23)和能够相对所述安装部(23)摆动的敏感摆片(22)；所述双梁音叉(1)、安装部(23)、敏感摆片(22)和挠性支撑槽(4)均为一体成型石英结构体。
【技术特征摘要】
1.一种一体式石英谐振力频敏感元件，包括基座(2)，其特征在于，所述基座(2)表面设有通槽(21)，所述通槽(21)内设有双梁音叉(1)，所述双梁音叉(1)包括连接在所述通槽(21)内壁之间的相互平行的第一叉指(11)和第二叉指(12)，所述第一叉指(11)、第二叉指(12)表面均涂覆有电极区，所述双梁音叉(1)工作在面内弯曲振动模态，谐振频率对轴向拉应力、压应力和横向拉应力、压应力敏感；在垂直所述双梁音叉(1)电极区的所述通槽(21)两侧的基座表面设有挠性支撑槽(4)，所述挠性支撑槽(4)贯穿所述基座(2)并将基座分为安装部(23)和能够相对所述安装部(23)摆动的敏感摆片(22)；所述双梁音叉(1)、安装部(23)、敏感摆片(22)和挠性支撑槽(4)均为一体成型石英结构体。2.根据权利要求1所述的一种一体式石英谐振力频敏感元件，其特征在于，所述基座(2)为圆形或椭圆形状，所述通槽(21)对称设于所述基座(2)轴线上，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)相互对称设于所述基座(2)轴线的两侧。3.根据权利要求1所述的一种一体式石英谐振力频敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的两端均通过底座(3)安装在所述通槽(21)内壁之间，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)之间的叉指槽(13)长度短于所述第一叉指(11)和第二叉指(12)长度。4.根据权利要求3所述的一种一体式石英谐振力频敏感元件，其特征在于，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)一端通过导电连接线(61)连接，所述第一叉指(11)和第二叉指(12)的另一端分别设置正极接口(62)和负极接口(63)。5.根据权利要求4所...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘静，
申请(专利权)人：成都皆为科技有限公司，
类型：新型
国别省市：四川;51
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