[发明专利]一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺，属于微机电制造(MEMS)惯性传感器领域。

背景技术

石英微机械陀螺是一种基于MEMS技术的新型角速率传感器，采用镀膜、光刻、腐蚀等MEMS工艺制造，具有适合批量生产、成本低廉等优势，可广泛用于短期导航、平台稳定系统、遥测遥控等军民领域。

石英微机械陀螺敏感元件由驱动叉臂、拾取叉臂、扭转框和基座组成。该器件基于振动陀螺原理、哥氏力感应和石英压电特性，当有外部角运动作用于传感器时，在拾取叉臂上有正比于输入角速率的压电电荷产生，通过电荷放大器等检测电路得到代表角速率的电压信号。

现有的石英音叉陀螺都采用敏感元件和前级处理电路独立封装的形式，前级电荷放大器和敏感元件之间的电气连接直接暴露在外界环境中，由于检测的压电电荷信号很微弱，极易受到引线分布电容、灰尘、绝缘清漆、水汽等污染物以及外接电路噪声的影响，这些干扰能降低陀螺的稳定性能，为了解决此问题，对信号处理电路的三防措施以及引线键合工艺都提出非常严苛的要求，无疑增大了石英音叉陀螺的装配工艺难度。因此本专利考虑利用陶瓷混合集成电路技术将电荷放大器和石英音叉敏感元件混合集成封装管壳内，实现石英敏感元件与外界环境的隔离，进而保证电荷放大器免受上述不利因素的影响，提高石英微机械陀螺的稳定性和环境适应性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有石英音叉陀螺前级电荷处理电路存在的问题，本发明提出一种将前级电荷放大电路和石英敏感元件集成封装在同一管壳内的结构。解决了石英音叉陀螺在电荷提取放大过程中，由引线分布电容、灰尘、绝缘清漆、水汽等污染物以及外接电路噪声等外界因素引入的干扰。

本发明的技术解决方案是：一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺包括石英音叉敏感元件(1)、陶瓷混合集成电路(2)、管壳(3)；石英音叉敏感元件(1)包括驱动叉臂(4)、拾取叉臂(5)、扭转框(7)、锚点(6)；管壳(3)包括底座、上盖板和多个管脚；陶瓷混合集成电路(2)包括精密运算放大器(10)、反馈电阻(11)、反馈电容(12)和陶瓷基板(13)；石英音叉敏感元件(1)通过锚点(6)用粘结剂固定于管壳(3)的底座的凸台上，陶瓷混合集成电路(2)的陶瓷基板(13)固定于管壳(3)的底座上，且紧靠石英音叉敏感元件(1)的拾取叉臂(5)；精密运算放大器(10)固定于陶瓷混合集成电路(2)的陶瓷基板(13)的一端，反馈电阻(11)、反馈电容(12)固定于陶瓷混合集成电路(2)的陶瓷基板(13)的另一端；多个管脚分两组，一组靠近石英音叉敏感元件(1)，另一组靠近陶瓷混合集成电路(2)，且这两组多个管脚均固定在管壳(3)的底座上；上盖板和管壳的底座熔焊密封连接，在他们之间形成密闭腔室。

外部激励信号通过靠近石英音叉敏感元件(1)的第一管脚、第二管脚送到将驱动叉臂(4)，驱动叉臂(4)在外部激励信号作用下做驱动振动，当有外部角速率信号输入时，驱动叉臂(4)在哥氏力的作用下产生垂直于驱动谐振平面的拾取振动，此拾取振动通过石英音叉敏感元件的扭转框(7)传递到拾取叉臂(5)，引起拾取叉臂(5)振动并感应到拾取电荷，此拾取电荷作为陶瓷混合集成电路(2)的输入信号由金导线(14)同时送到精密运算放大器(10)的输入负端、反馈电阻(11)的一端、反馈电容(12)的一端，反馈电阻(11)和反馈电容(12)的另一端由金导线(14)接精密运算放大器(10)的输出端，精密运算放大器(10)的输出端作为陶瓷混合集成电路(2)的输出。精密运算放大器(10)的输入正端通过靠近石英音叉敏感元件(1)的第三管脚由金导线(14)接信号地，供电地端通过靠近陶瓷混合集成电路(2)的第一管脚由金导线(14)接电源地。精密运算放大器(10)的供电正端通过靠近陶瓷混合集成电路(2)的第二管脚由金导线(14)接电源正，精密运算放大器(10)和反馈电阻(11)、反馈电容(12)组成的电荷放大器将拾取电荷转换为电压信号，由金导线(14)输出到管壳(3)的靠近陶瓷混合集成电路(2)的第三管脚上。

所述石英音叉敏感元件(1)、精密运算放大器(10)、反馈电阻(11)、反馈电容(12)、管壳(3)之间的电气连接通过金导线(14)实现。

所述精密运算放大器(10)、反馈电阻(11)、反馈电容(12)被陶瓷基板(13)上的地平面(9)包围，起到信号屏蔽作用，减小电容耦合。

所述地平面(9)以及陶瓷基板上的互联导带材质为金。