[发明专利]一种挠性静电支撑加速度计

说明书

本发明涉及一种挠性静电支撑加速度计，包括敏感表芯部件、底座、壳体、温度测试模块和密封环部件。敏感表芯部件由上、下定极板和石英摆片组成；石英摆片上的金膜作为电容动极板和与上、下定极板金膜形成一对施力电容和一对差分检测电容。上、下定极板和石英摆片同轴镜像安装，钎焊在一起，石英摆片固装在其间。电容位移检测电路、反馈控制电路以及静电力反馈执行电路完成差分电容的检测与加速度计的反馈控制，最终将检验质量拉回平衡位置。表体内部抽真空，降低气体分子布朗运动带来的热噪声。这种低膨胀系数材料+差动电容检测+静电施力设计使加速度计结构简单、稳定性高、噪声小，在高精度测量需求的任务中具有广泛应用。适用于微震测量、资源探测、地球物理领域，尤其适用于重力梯度仪水平张量测量或者低量程航天卫星变轨等惯性系统。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种在小量程范围内长期保持高稳定性、低噪声输出的石英挠性静电支撑加速度计，适用于微震测量、资源探测、地球物理领域，尤其适用于重力梯度仪水平张量测量或者低量程航天卫星变轨等惯性系统。

背景技术

加速度计是一种测量加速度的仪器，在微震测量、资源探测、地球物理等领域具有十分重要的意义。目前高精度加速度计按反馈方式大体可以分为两类：一类是电磁力反馈加速度计，一类是静电力反馈加速度计。

目前在重力梯度仪水平张量测量或者低量程航天卫星变轨系统等领域，普遍采用的是石英挠性加速度计，这是一种差动电容式电磁力反馈的传感器，具体结构在美国专利(专利号4250757)有详细描述，是目前国内惯性导航测量及制导系统普遍使用的结构最简单的高精度加速度计。

现有石英挠性加速度计在长期稳定性和噪声指标上的主要局限性为：

⑴.石英加速度计核心敏感元件是摆部件，由一个石英摆片和两个分别缠绕力矩器线圈的线圈骨架构成。两个线圈骨架通过粘接剂固定到石英摆片上下表面，石英摆片的检测质量上下表面镀覆金膜形成电容动极板，与上下导磁环表面形成一对电容。石英摆片和骨架材料热膨胀系数相差1～2个数量级。导致温度变化时，石英摆片和线圈产生扭曲，引起电容差值或力矩电流变化，从而引起影响加速度计输出的温度稳定性；

⑵.永磁体磁场随时间的变化限制了加速度计输出的长期稳定性；

⑶.加速度变化引起力矩电流变化，会对永磁体产生充磁或退磁，引起加速度计输出的非线性；

⑷.加速度计内部大量采用漆包线和粘接装配工艺，漆包线和黏合剂挥发出的各种气体无法保持表体内部长期真空维持，无法降低和保持加速度计输出噪声。

而基于MEMS的电磁加速度计代表有英国帝国理工大学Pike等人研发的加速度计，它体积小，噪声分辨率达到0.4ng/√Hz，但是研发成本高，工艺复杂。

高精度静电力反馈加速度计的代表为欧洲航天局研制的用于空间重力梯度测量的GOCE加速度计，采用的是静电悬浮的方式，拥有6自由度的输出，配合高精度机械加工装配方式独有的大检验质量。其主要局限性为：

⑴.量程只有几个μg，整个仪器不适用于陆基环境。

⑵.已公开的加速度计中噪声均高于1ng/√Hz。基于MEMS的石英静电加速度计受到工艺影响，检验质量不能做得很大，无法进一步降低噪声。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种低量程、长期高稳定性、低噪声挠性静电支撑加速度计。以差分电容检测、静电力反馈的方式，利用石英挠性加速度计加工及装配工艺，最终实现高精度、高稳定性的加速度测量，同时使加速度计的体积和质量都得到有效地减小。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：