《一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种内置集成电荷放大器的石英音叉陀螺.pdf（8页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 104316039 A (43)申请公布日 2015.01.28 CN 104316039 A (21)申请号 201410539015.5 (22)申请日 2014.10.13 G01C 19/5607(2012.01) (71)申请人 北京遥测技术研究所 地址 100076 北京市丰台区北京市 9200 信 箱 74 分箱 申请人 航天长征火箭技术有限公司 (72)发明人 孙延东 郭亚北 孟丽娜 邹江波 金小锋 路文一 于慧 杨丹 王健 陈倩 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心 11009 代理人 安丽 (54) 发明名称 一种内置集成电荷放大器的石英音叉。
2、陀螺 (57) 摘要 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。
3、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104316039 A CN 104316039 A 1/1 页 2 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) ； 。
4、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)。
5、， 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) 同时。
6、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 (1。
7、0) 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。 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)、 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。
8、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)、 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。
9、、 反馈电容 (12) 为 10pf。 权 利 要 求 书 CN 104316039 A 2 1/4 页 3 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。
10、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。
11、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。
12、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。
13、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 说 明 书 CN 104316039 A 3 2/4 页 4 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。
14、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。
15、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 (。
16、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。
17、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 、 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。
18、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。 说 明 书 CN 104316039 A 4 3/4 页 5 0018 (4) 本。
19、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。
20、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 。
21、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。
22、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 。
23、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。 说 明 书 CN 104316039 A 5 4/4 页 6 0027 所述石英音叉敏感元件 。
24、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。
25、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 、 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。
26、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。 说 明 书 CN 104316039 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104316039 A 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 104316039 A 8 。