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一种内置集成电荷 放大器的石英音叉陀螺

阅读：1发布：2020-09-18

专利汇可以提供一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了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、陶瓷混合集成电路和封装管壳，石英音叉敏感元件包括驱动叉臂、拾取叉臂、扭转框、锚点；管壳包括底座、上盖板和多个管脚；陶瓷混合集成电路包括精密运算放大器、反馈电阻、反馈电容和陶瓷基板；陶瓷混合集成电路将石英音叉陀螺拾取叉臂的感应电荷提取放大为电压信号后，输出到所述管壳的管脚上，避免了微弱电荷信号的直接输出，能有效地解决焊接过程中残余的助焊剂、引线分布电容、灰尘、绝缘清漆、水汽等污染物以及外部电路噪声对电荷提取放大的影响，提高了检出石英音叉陀螺微弱电荷信号的稳定性和信噪比，提升了石英音叉陀螺的环境适应性能和检测精度。，下面是一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺，其特征在于：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)、锚点(6)、扭转框(7)；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)和反馈电容(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)的第一管脚和第二管脚送到驱动叉臂(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振动平面的拾取振动，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)，并同时送到精密运算放大器(10)的输入负端、反馈电阻(11)的一端和反馈电容(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)和反馈电容(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。
2.如权利要求1所述的一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺，其特征在于：所述精密运算放大器(10)、反馈电阻(11)和反馈电容(12)被陶瓷基板(13)上的地平面(9)包围。
3.如权利要求2所述的一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺，其特征在于：所述地平面(9)材质为金。
4.如权利要求1所述的一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺，其特征在于：所述陶瓷混合集成电路(2)的陶瓷基板(13)通过粘结剂固定在管壳(3)的底座上，该粘结剂固化温度低于石英音叉敏感元件(1)所用的粘结剂固化温度。
5.如权利要求1所述的一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺，其特征在于：所述陶瓷混合集成电路(2)的精密运算放大器(10)为裸芯片。
6.如权利要求1所述的一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺，其特征在于：所述反馈电阻(11)和反馈电容(12)的端电极材质为钯银合金。
7.如权利要求1所述的一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺，其特征在于：所述反馈电阻(11)的阻值为100M′Ω、反馈电容(12)为10pf。

说明书全文

一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 所述地平面(9)以及陶瓷基板上的互联导带材质为金。

[0011] 所述陶瓷混合集成电路(2)的陶瓷基板(13)通过粘结剂固定在管壳(3)的底座上，该粘结剂固化温度低于石英音叉敏感元件(1)所用的粘结剂固化温度，实现敏感元件的和陶瓷混合集成电路的异步安装。

[0012] 所述陶瓷混合集成电路(2)的精密运算放大器(10)为裸芯片，选用高输入阻抗、超低偏置电流的低噪声放大器。

[0013] 所述反馈电阻(11)的阻值为100M′Ω、反馈电容(12)值为10pf，能够减少信号相移和提高电路的输入阻抗。

[0014] 本发明与现有技术对比的优点是：

[0015] (1)本发明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、陶瓷混合集成电路和管壳，陶瓷混合集成电路和石英音叉敏感元件通过三维立体装配，将他们一起密闭封装在上述管壳中。陶瓷混合集成电路将石英音叉拾取端的感应电荷提取放大后，输出到所述封装管壳的引脚上，实现石英音叉陀螺电荷检测过程与外界环境的隔离，解决压电电荷信号检测电路极易受到灰尘、绝缘清漆、水汽等污染物以及电路噪声的影响，提高陀螺的稳定性和可靠性。

[0016] (2)本发明通过合理的混合集成电路版图设计，将反馈电容、反馈电阻靠近精密运算放大器的输入负极，精密运放的输入负极靠近石英音叉陀螺的拾取电极，减少载有压电电荷的导线长度，减小干扰信号的引进。

[0017] (3)本发明中，通过将混合集成电路的安装位置偏离驱动音叉(4)，靠近拾取音叉(5)，使得石英音叉敏感元件的驱动叉臂(4)上的驱动激励信号对电荷放大的耦合干扰降低，提高压电电荷的检测灵敏度。

[0018] (4)本发明中，通过对基板的空余地方覆盖地平面，进一步屏蔽驱动激励信号。

[0019] (5)本发明中，通过使用两种固化温度不同的粘接剂，完成石英音叉敏感元件和陶瓷混合集成电路的异步安装。

[0020] (6)本发明陶瓷混合集成电路将石英音叉陀螺拾取叉臂的感应电荷提取放大为电压信号后，输出到所述管壳的管脚上，避免了微弱电荷信号的直接输出，能有效地解决焊接过程中残余的助焊剂、引线分布电容、灰尘、绝缘清漆、水汽等污染物以及外部电路噪声对电荷放大引起的影响，降低了石英音叉陀螺焊接装配的工艺条件要求，提高了检出石英音叉陀螺微弱电荷信号的稳定性和信噪比，提升了石英音叉陀螺的环境适应性能和检测精度。附图说明

[0021] 图1为本发明示意图；

[0022] 图2为本发明内部结构框图；

[0023] 图3为本发明陶瓷混合集成电路图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

[0025] 如图1、2所示，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、锚点6、扭转框7；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。

[0026] 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的第二管脚由金丝导线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。

[0027] 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。

[0028] 如图3所示，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。

[0029] 所述地平面9以及陶瓷基板上的互联导带材质为金。

[0030] 所述陶瓷混合集成电路2的陶瓷基板13通过粘结剂固定在管壳3的底座上，该粘结剂固化温度低于石英音叉敏感元件1所用的粘结剂固化温度，实现敏感元件的和陶瓷混合集成电路的异步安装。

[0031] 所述陶瓷混合集成电路2的精密运算放大器10为裸芯片，选用高输入阻抗、超低偏置电流的低噪声放大器。

[0032] 所述反馈电阻11的阻值为100M′Ω、反馈电容12值为10pf，能够减少信号相移和提高电路的输入阻抗。

[0033] 具体制作步骤：

[0034] 1.设计陶瓷混合集成电路基板版图：确定基板的布线以及元器件的放置位置；

[0035] 2.制作陶瓷混合集成电路的陶瓷基板；

[0036] 3.陶瓷混合集成电路制作。使用贴片胶将精密运算放大器裸芯片固定在陶瓷基板上，使用环氧银浆粘接电阻、电容。烘干，固化贴装的元件。所使用胶的耐受温度应大于敏感元件安装贴片胶操作温度；

[0037] 4.将陶瓷混合集成电路用专用的贴片胶固定在已经贴装石英音叉陀螺敏感元件的管壳内，烘干固化，贴装温度要求不高于石英音叉敏感元件安装贴片胶的耐受温度；

[0038] 5.金丝球焊，完成陶瓷混合集成电路、石英音叉敏感元件、管壳三者之间的互联线；

[0039] 6.将互联后的敏感元件进行封焊工序，使混合集成后的敏感元件与电子元器件在气密的氮气保护环境封装下工作，即可完成陶瓷混合集成电路与敏感元件的混合集成。

[0040] 尽管已经描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，本发明可以移植到各类石英原理的传感器前级处理电路上，例如石英加表、石英压力传感器、石英噪声传感器等，因此，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

[0041] 本发明已经运用到某型号航空制导炸弹项目中，试验数据结果表明，较普通的石英音叉陀螺，本发明的实例在陀螺的稳定性、抗噪性和环境适应性方面都有很大提高。

[0042] 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

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