正交静电悬浮加速度计敏感结构制造技术

本发明专利技术公开了一种正交静电悬浮加速度计敏感结构，正交静电悬浮加速度计敏感结构包括敏感质量块和电极，敏感质量块包括分别沿X轴、Y轴及Z轴延伸的X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管，电极为多个，多个电极非接触安装在敏感质量块上以向敏感质量块施加静电悬浮力和反馈控制力，以使敏感质量块处于悬浮状态。根据本发明专利技术实施的正交静电悬浮加速度计敏感结构，敏感质量块形成中空结构使得相同的支承电压下电极能提供较大的支承力，从而扩大了量程。此外，由于正交静电悬浮加速度计敏感结构的整体结构紧凑，能够实现三轴加速度的同步测量，测量的集成度较高，各轴的测量和控制的同步性较好实现，简化了测量及控制电路。

Sensitive structure of quadrature electrostatic levitation accelerometer

The invention discloses a sensing structure of an orthogonal electrostatic suspension accelerometer. The sensing structure of the orthogonal electrostatic suspension accelerometer includes a sensitive mass block and an electrode. The sensitive mass block comprises an X-axis measuring tube extending along the X-axis, Y-axis measuring tube and Z-axis measuring tube respectively, and the electrode is plural and a plurality of electrodes are non-contact mounted. The electrostatic suspension force and feedback control force are applied on the sensitive mass block to keep the sensitive mass in suspension state. According to the sensing structure of the orthogonal electrostatic suspension accelerometer implemented by the invention, the sensing mass blocks form a hollow structure so that the electrode can provide a greater supporting force under the same supporting voltage, thereby expanding the measuring range. In addition, due to the compact overall structure of the sensitive structure of the quadrature electrostatic levitation accelerometer, it can realize the synchronous measurement of three-axis acceleration. The integration degree of the measurement is higher, and the synchronization of the measurement and control of each axis is better realized, which simplifies the measurement and control circuit.

【技术实现步骤摘要】
正交静电悬浮加速度计敏感结构
本专利技术涉及加速度计的敏感结构，特别是涉及静电悬浮加速度计的敏感结构设计与电极配置方案。
技术介绍
航空重力仪等重力测量设备要求重力异常的测量精度达到1mGal(1×10-6g)，相应地要求精度优于1×10-6g的加速度计作为重力敏感器。静电悬浮加速度计是一种依靠静电力实现检验质量无接触悬浮的力平衡式加速度计。其特点是易实现小量程、高精度、高稳定性，可以同时测量载体三个正交方向的线加速度，单个仪表可实现惯导系统所需的三轴加速度计组件功能，是实现加速度计高精度的重要技术发展方向，在航天、航海、航空等领域的惯性导航及精密测量方面具有广阔的应景前景。现有静电悬浮加速度计大多面向空间应用，其量程很小，应用范围受到局限，三轴大量程设计不多。其中，现有技术提出了一种面向地面惯性导航应用的静电悬浮加速度计方案，检验质量块包括六块薄板构成空心结构，目的是提高面积质量比，检验质量块的材料可用铍、硬铝、钛合金、石英或陶瓷等，12块电极用于六自由度悬浮的加力与检测。例如，质量块用硬铝时，薄板尺寸取20×10×0.3mm(薄板之间采用激光焊接)，质量仅为1g；若质量块材料用石英时，薄板尺寸取20×9.8×0.3mm(薄板之间采用键合方式)，六面体框架取1×1×10mm，此时质量为1.5g。电极板尺寸为45×10×5mm，标号48为止档，标号47为未用区域，保持电位与质量块相同，采用真空镀膜，超声波开槽，通过金丝施加高频载波和偏置电压。除此之外，未见在地面应用的报道。在太空微重力环境中的小量程应用中，主要有两种结构形式，一种是立方体状检验质量块，另一种为圆筒形质量块加速度计。立方体检验质量块加速度计采用三轴对称设计，共计包括六组十二块电极，电极组件呈六面体结构，六自由度静电悬浮，与圆筒状检验质量块相比，采用立方体质量块后的三轴解耦性能提高，还可输出三轴角加速度。采用带土星环的圆筒形质量块加速度计采用五自由度静电悬浮。对于采用MEMS技术的微静电加速度计，受到设计和工艺局限，也大多采用其中一轴与其他两轴不对称的结构，不易实现三轴测量一致性。对于三轴测量的加速度计，现有技术的液体介质三轴静电加速度计，其三轴参数一致，但原理和结构相对复杂，加工和装配工序较为繁复。目前，静电悬浮加速度计的主要问题是地面支承悬浮电压较高，由此带来支承电路系统复杂、支承电路误差大等问题，难以实现高精度、高稳定性。此外，现有加速度计设计大多在各方向上的结构和测量参数设计不对称，难以实现三轴测量，或各轴的测量一致性不佳。因此，需要一种结构简单、三轴对称、支承电压低的加速度计设计。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种正交静电悬浮加速度计敏感结构，所述正交静电悬浮加速度计敏感结构的结构较为简单。根据本专利技术实施例的正交静电悬浮加速度计敏感结构，包括：敏感质量块，所述敏感质量块包括分别沿X轴、Y轴及Z轴延伸的X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管；电极，所述电极为多个，多个所述电极非接触安装在所述敏感质量块的各个测量管周围，且所述电极分别在所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管上成对设置，每对所述电极均分别位于相应测量管的内侧和外侧；其中：所述X轴、所述Y轴及所述Z轴形成为直角坐标系，通电时多个所述电极对所述敏感质量块施加静电悬浮力和反馈控制力，以使所述敏感质量块处于悬浮状态。根据本专利技术实施的正交静电悬浮加速度计敏感结构，由于敏感质量块为中空结构且内外表面均可用于安置电极，使得敏感质量块具有较大的表面积质量比，即在相同的支承电压下，电极能提供较大的支承力，从而扩大了正交静电悬浮加速度计敏感结构的量程。此外，由于正交静电悬浮加速度计敏感结构的整体结构紧凑，能够实现三轴加速度的同步测量，测量的集成度较高，各轴的测量和控制的同步性较好实现，简化了测量及控制电路。在一些实施例中，所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管均为圆管。在一些实施例中，所述X轴测量管的管壁内侧设有多个沿周向间隔开分布的第一内电极，所述X轴测量管的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第一外电极，所述第一内电极和所述第一外电极一一对应设置。具体地，相邻两个所述第一外电极之间有间距且不导通，相邻两个所述第一内电极之间的距离等于相邻两个第一外电极之间的间距。具体地，所述第一外电极与所述第一内电极的个数均为偶数，中心相对的两个所述第一外电极施加的电压符号相反，中心相对的两个所述第一内电极施加的电压符号相反。在一些实施例中，所述Y轴测量管的管壁内侧设有多个沿周向间隔开分布的第二内电极，所述Y轴测量管的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第二外电极，所述第二内电极和所述第二外电极一一对应设置。具体地，所述第二外电极与所述第二内电极的个数均为偶数，中心相对的两个所述第二外电极的极性相反，中心相对的两个所述第二内电极的极性相反。在一些实施例中，所述Z轴测量管的管壁内侧设有多个沿周向间隔开分布的第三内电极，所述Z轴测量管的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第三外电极，所述第三内电极和所述第三外电极一一对应设置。具体地，所述第三外电极与所述第三内电极的个数均为偶数，中心相对的两个所述第三外电极施加的电压符号相反，中心相对的两个第三内电极施加的电压符号相反。在一些实施例中，所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管的形状相同，长度相等，所述电极的数量相等。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本专利技术实施例的正交静电悬浮加速度计敏感结构的整体结构示意图。图2是根据本专利技术实施例的敏感质量块的结构示意图。图3是根据本专利技术实施例的X轴测量管的上的电极分布示意图。图4是根据本专利技术实施例的正交静电悬浮加速度计敏感结构的电极分组示意图。附图标记：正交静电悬浮加速度计敏感结构10、敏感质量块100、X轴测量管110、第一内电极111、第一外电极112、Y轴测量管120、第二内电极121、第二外电极122、Z轴测量管130、第三内电极131、第三外电极132。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，包括：敏感质量块，所述敏感质量块包括分别沿X轴、Y轴及Z轴延伸的X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管；电极，所述电极为多个，多个所述电极非接触安装在所述敏感质量块的多个各测量管周围，且所述电极分别在所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管上成对设置，每对所述电极均分别位于相应测量管的内侧和外侧；其中：所述X轴、所述Y轴及所述Z轴形成为直角坐标系，通电时多个所述电极对所述敏感质量块施加静电悬浮力和反馈控制力，以使所述敏感质量块处于悬浮状态。

【技术特征摘要】
1.一种正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，包括：敏感质量块，所述敏感质量块包括分别沿X轴、Y轴及Z轴延伸的X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管；电极，所述电极为多个，多个所述电极非接触安装在所述敏感质量块的多个各测量管周围，且所述电极分别在所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管上成对设置，每对所述电极均分别位于相应测量管的内侧和外侧；其中：所述X轴、所述Y轴及所述Z轴形成为直角坐标系，通电时多个所述电极对所述敏感质量块施加静电悬浮力和反馈控制力，以使所述敏感质量块处于悬浮状态。2.根据权利要求1所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述X轴测量管、Y轴测量管及Z轴测量管均为圆管。3.根据权利要求2所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述X轴测量管的管壁侧设有多个沿周向间隔开分布的第一内电极，所述X轴测量管的管壁外侧设有多个沿周向间隔开分布的第一外电极，所述第一内电极和所述第一外电极一一对应设置。4.根据权利要求3所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，相邻两个所述第一外电极之间有间距且不导通，，相邻两个所述第一内电极之间的距离等于相邻两个第一外电极之间的间距。5.根据权利要求3所述的正交静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述第一外电极与所述第一内电极的个数均为偶数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嵘，贺晓霞，韩丰田，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11