一种单轴差分谐振梁表头模组及加速度计的制作方法

1.本发明涉及石英谐振梁加速度计技术领域，具体涉及一种单轴差分谐振梁表头模组及加速度计。


背景技术：

2.石英谐振梁加速度计是一种利用谐振式测量原理，将被测加速度转换成石英谐振梁固有频率变化的传感器，因其具有大量程、高精度、小体积、低功耗、数字输出等优势，可广泛用于导弹姿态控制、惯性导航，地球资源勘探等领域，有着重要的军用价值和民用价值。
3.目前，石英谐振梁加速度计的核心敏感元件是谐振梁芯片，其工作原理是：基于单晶石英的逆压电效应，谐振梁工作在谐振状态，利用谐振梁芯片的微杠杆结构将作用在芯片质量块上的惯性力转换为谐振梁的轴向力，谐振梁轴向力的变化引起其谐振频率发生变化，通过检测谐振频率变化值，以此来感测外界惯性力。谐振梁芯片必须工作在真空环境下，采用真空密封件气密封装后，工作在开环状态，工作时环境温度对零偏影响较大。而且其配合的振荡电路一般装配在真空密封件之外，也会受环境影响产生较大的相位漂移。另外，真空密封件在长期工作中会释放杂气，腔内真空环境的变化引起谐振梁芯片工作特性改变。
4.此外，随着惯性应用技术的发展，单轴的加速度计已经不能满足性能、功能的需求，需要研制三轴加速度计。传统的惯性导航单元通常采用将3个独立单轴加速度计正交地装配在一起的方案，该方案对惯导系统整体设计提出了较高的要求，具有装配复杂、体积和质量大、成本高和可靠性低等缺点，因此，急需要发展一种具有冗余特征的更高可靠性的高精度集成三轴谐振梁加速度计。


技术实现要素：

5.基于上述表述，本发明提供了一种单轴差分谐振梁表头模组，以解决现有技术中谐振梁加速度计可靠性低，环境适应性低的技术问题。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
7.一种单轴差分谐振梁表头模组，包括真空密封件和两个to部件；
8.所述真空密封件包括一两端开口的密封腔体；
9.两个所述to部件对称封装于所述密封腔体的两端；每一所述to部件包括to底座、谐振梁芯片、asic混合集成电路、吸气剂组件、吸气剂挡板、陶瓷柱和插针；所述to底座上形成有一端开口的容置腔，所述插针连接于所述to底座上并伸入所述容置腔，所述陶瓷柱安装于所述插针外侧以保证插针和所述to底座的绝缘，所述asic混合集成电路安装于所述陶瓷柱的端面，所述谐振梁芯片连接于插针的端部，且所述asic混合集成电路位于所述谐振梁芯片和所述容置腔的底面之间，所述吸气剂组件安装于所述to底座且固定连接于所述asic混合集成电路远离所述谐振梁芯片的一侧，所述吸气剂挡板安装于所述to底座的容置
腔开口处，所述吸气剂组件和所述asic混合集成电路分别位于所述吸气剂挡板的两侧；两个所述to部件具有谐振梁芯片的一端相对设置。
10.与现有技术相比，本技术的技术方案具有以下有益技术效果：
11.该表头模组采用两个对称封装于密封腔体的两端的to部件，形成差分模式结构，可消除共模噪声，降低偏值温度系数和二阶非线性系数，环境适应性好，全温范围内精度高；另外，该表头模组内置吸气剂组件，避免表头模组的密封腔体内杂气释放引起的真空度变化，保证谐振梁芯片和asic混合集成电路获得稳定工作环境，增强了表头模组的可靠性。
12.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
13.进一步的，每一所述吸气剂组件包括吸气剂、两个吸气剂引线、两个引线焊盘、两个吸气剂陶瓷柱和两个吸气剂插针，两个所述吸气剂引线分别连接于所述吸气剂的两端，所述吸气剂插针间隔安装于所述to底座并一端伸入所述容置腔，所述吸气剂陶瓷柱安装于所述吸气剂插针外侧以保证吸气剂插针和所述to底座的绝缘，两个吸气剂引线分别通过两个所述引线焊盘连接在两个吸气剂插针的端部。
14.进一步的，所述吸气剂挡板和所述吸气剂之间的间隙不小于0.5mm。
15.进一步的，所述asic混合集成电路与所述吸气剂挡板之间的间隙不小于0.2mm。
16.进一步的，所述真空密封件还包括抽气铜管，所述抽气铜管气密焊接于所述密封腔体的外侧，所述抽气铜管和所述密封腔体的内部空间连通。
17.进一步的，所述to底座上形成有环形凸缘，所述环形凸缘具有用于与所述密封腔体的端面气密封接的封接端面。
18.本技术还提供了一种加速度计，包括三轴支架和四个如权利要求1至6任一项所述的表头模组，所述三轴支架具有一个安装面和四个倾斜设置的装配面，所述安装面位于所述三轴支架的底端，四个所述装配面依次沿所述三轴支架的周向设置形成一个底面尺寸大于顶面尺寸的四棱台结构，每一所述装配面上形成有一装配孔，四个所述表头模组一一对应的通过安装于所述装配孔。
19.该技术方案具有以下有益技术效果：
20.该加速度计由四组独立的表头模组，通过冗余配置布局集成，相比安装三轴独立的加速度计，该方案质量和体积小，结构紧凑、精度和可靠性更高。
21.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
22.进一步的，所有所述装配面的法线所在直线相交于一点，所述装配面的法线与所述安装面的法线方向夹角范围为50
°
～60
°
之间。
23.进一步的，所述表头模组与所述三轴支架装配后通过固定螺钉锁紧。
附图说明
24.图1为本发明实施例一提供的单轴差分谐振梁表头模组的结构示意图；
25.图2中，a为to部件的立体结构示意图，b为to部件的剖面结构示意图；
26.图3为本发明实施例二提供的一种加速度计的结构示意图；
27.图4为本发明实施例二中四组表头模组冗余配置布局示意图。
具体实施方式
28.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
29.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
30.可以理解，空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
31.需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
32.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
33.实施例一
34.本实施例一提供了一种单轴差分谐振梁表头模组10，包括真空密封件1和两个to部件2。
35.真空密封件1包括密封腔体11和抽气铜管12。
36.其中，密封腔体1的两端开口，抽气铜管12气密焊接于密封腔体11的外侧，抽气铜管12和密封腔体11的内部空间连通。
37.两个to部件2对称封装于密封腔体1的两端；每一to部件2包括to底座21、谐振梁芯片22、asic混合集成电路23、吸气剂组件24、吸气剂挡板25、陶瓷柱26和插针27。
38.to底座21上形成有一端开口的容置腔，插针27连接于to底座21上并伸入容置腔，陶瓷柱26安装于插针27外侧以保证插针27和to底座21的绝缘，asic混合集成电路23安装于陶瓷柱26的端面，谐振梁芯片22连接于插针27的端部，且asic混合集成电路23位于谐振梁芯片22和容置腔的底面之间，吸气剂组件24安装于to底座21且固定连接于asic混合集成电路23远离谐振梁芯片22的一侧，吸气剂挡板25安装于to底座21的容置腔开口处，吸气剂组件24和asic混合集成电路22分别位于吸气剂挡板25的两侧；两个to部件21具有谐振梁芯片22的一端相对设置。
39.每一吸气剂组件24包括吸气剂241、两个吸气剂引线242、两个引线焊盘243、两个吸气剂陶瓷柱244和两个吸气剂插针245，两个吸气剂引线242分别连接于吸气剂241的两端，吸气剂插针245间隔安装于to底座21并一端伸入容置腔，吸气剂陶瓷柱244安装于吸气
剂插针245外侧以保证吸气剂插针245和to底座21的绝缘，两个吸气剂引线242分别通过两个引线焊盘243连接在两个吸气剂插针245的端部。
40.其中，吸气剂挡板和吸气剂之间的间隙不小于0.5mm；asic混合集成电路与吸气剂挡板之间的间隙不小于0.2mm。
41.为了保证to部件2和密封腔体1的有效密封，to底座21上形成有环形凸缘211，环形凸缘211具有用于与密封腔体1的端面气密封接的封接端面。
42.为了更好的了解本技术实施例，以下对表头模组10的制作加以详细说明。
43.第一步：to部件2的制作：
44.(1)to底座21、插针27和吸气剂插针245采用可伐合金，上述清洗完成后，在氢气氛围中加热到600℃至1100℃，加热时间10至30min，进行烧氢退火处理。
45.(2)to底座21、吸气剂陶瓷柱244、插针27、吸气剂插针245和吸气剂陶瓷柱244装配后，通过工装固定，采用钎料气密焊接，钎料选择焊接温度700℃至900℃之间，to底座21漏率优于10-11pa/m3·
s，确保插针27、吸气剂插针245和to底座21之间电气绝缘。
46.(3)吸气剂241通过两端引线焊盘243分别焊接在两个吸气剂插针245上，焊接时吸气剂241的温度不高于450℃，焊接方式采用激光点焊。
47.(4)吸气剂挡板245装配并固定在to底座21的容置腔开口处，固定方式采用激光点焊，固定焊接时，吸气剂241上的温度不高于450℃。装配后，吸气剂挡板245与吸气剂241之间的间隙不小于0.5mm。
48.(5)asic混合集成电路23装配并固定在4根陶瓷柱26端面，固定方式可以采用高温胶，固化温度不超过450℃，高温胶玻璃转化温度不低于300℃。asic混合集成电路23和陶瓷柱26之间通过金线实现电气互联。装配后，asic混合集成电路23与吸气剂挡板25之间的间隙不小于0.2mm。
49.(6)谐振梁芯片22通过4点固定在插针27的端面上，通过高温胶固定，固化温度不超过300℃，高温胶玻璃转化温度不低于260℃；谐振梁芯片22和asic混合集成电路23通过金线实现电气互联。
50.第二步：真空密封件1的制作：
51.(1)真空密封件1的密封腔体11采用可伐合金，零件清洗完成后，在氢气氛围中加热到600至1100℃，加热时间10至30min，进行烧氢退火处理；
52.(2)真空密封件1的抽气铜管12采用无氧铜材料，铜管酸洗去除表面氧化物，清洗完成后烘干。
53.(3)密封腔体11和抽气铜管12装配后，采用钎料气密焊接。钎料选择焊接温度700℃至900℃之间，真空密封件1漏率优于10-11
pa/m3·
s。
54.第三步：表头模组10的制作：
55.(1)提供两个to部件，分别为to部件2和to部件2’，to部件2和to部件2’分别与真空密封件1装配并固定。装配时，to部件2和to部件2’关于真空密封件1镜像布置，形成差分结构形式。to部件2的to底座21的封接端面与真空密封件1的上封接面1a气密封接，to部件2’的to底座21’的封接端面与真空密封件1的下封接面1b气密封接。封接方式可以是低温焊料封接或激光焊接，封接时，应保证谐振梁芯片22和asic混合集成电路23温度不超过200℃。
56.(2)表头模组10通过抽气铜管12与真空处理系统连接，开启真空处理系统的真空
发生器和阀门，以对表头模组10整体进行检漏，漏率应优于10-11
pa/m3·
s。表头模组10内真空度优于10-7
pa后，开启烘烤表头模组1，表头模组1的温度保持在150℃至200℃之间，保温时间24h至72h，然后降温自然冷却至室温。
57.(3)吸气剂专用激活电源两端通过吸气剂插针245分别与吸气剂241的两极连接，开启激活电源，对吸气剂进行激活，激活时间10min至20min，关闭激活电源。
58.(4)关闭真空处理系统的真空发生器和阀门，采用超声波焊接密封和夹断抽气铜管12。
59.该表头模组10采用两个对称封装于密封腔体11的两端的to部件2，形成差分模式结构，可消除共模噪声，降低偏值温度系数和二阶非线性系数，环境适应性好，全温范围内精度高；另外，该表头模组10内置吸气剂组件24，避免表头模组10的密封腔体11内杂气释放引起的真空度变化，保证谐振梁芯片22和asic混合集成电路23获得稳定工作环境，增强了表头模组10的可靠性。
60.实施例二
61.本实施例提供了一种加速度计100，包括三轴支架20和四个实施例一的表头模组10，三轴支架20具有一个安装面20a和四个倾斜设置的装配面20b，安装面20a位于三轴支架20的底端，四个装配面20b依次沿三轴支架20的周向设置形成一个底面尺寸大于顶面尺寸的四棱台结构，每一装配面20b上形成有一装配孔20c，四个表头模组10一一对应的通过安装于装配孔20c，并通过固定螺钉30锁紧。
62.优选的，所有装配面20b的法线所在直线相交于一点，装配面20b的法线与安装面20a的法线方向夹角范围为50
°
～60
°
之间。
63.为了更好的了解本技术实施例，以下对加速度计100的制作加以详细说明。
64.加速度计的装配：
65.(1)4个斜置的装配面20b的法线方向分别对应表头模组敏感轴201、202、203和204，所有的表头模组敏感轴方向与安装面20a夹角相同，夹角范围为50
°
至60
°
之间。
66.(2)将4组表头模组10与4个斜置的装配面20b对应的装配孔20c装配后通过固定螺钉30锁紧，并在螺钉30上点胶防松。
67.该加速度计由四组独立的表头模组10，通过冗余配置布局集成，相比安装三轴独立的加速度计，该方案质量和体积小，结构紧凑、精度和可靠性更高。
68.显然，上述说明并非是本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
69.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。