文献综述(或调研报告):
石英振梁谐振器的原理主要是石英的压电特性用于驱动和检测机械振动。通过一些特殊结构设计,基于振动微悬臂梁的频移,可以测量工作频率、灵敏度、比例因子误差、偏差误差等[1]。精密石英谐振器在传感应用中的应用最初的目的是阐明晶体石英的独特特性,并将其用于新的应用领域。微型石英谐振器通常在传感器应用中使用单个主要物理效应来改变频率。薄膜电子在微型石英结构的表面上脱离,耦合电场能量通过压电效应在石英结构的主体中应变能量。石英晶体单元控制振荡器电路的频率,该振荡器电路旨在激发传感器的谐振频率。耦合的谐振耦合取决于电极配置,石英结构的形状以及石英的机械和压电特性,用于晶轴的取向。在传感器应用中石英谐振器的期望频率变化的范围表明传感器和周围结构的频谱要避免干扰。可以参照详细讨论压电耦合,制造技术和用于传感应用的石英谐振器的设计[5]。
尽管振动梁加速度计(VBA)显示出优异的性能,但其偏置温度和温度梯度漂移是主要的性能限制。尽管可以使用加速度计套件中的温度传感器进行数字补偿,但这种方法显示出快速测量的两个缺点:1.振动梁的温度与封装的温度之间存在时间延迟,2.噪声水平非常高。为了克服这些限制,可以设计包括位于振动梁中间的扭转模式的第二谐振器的新结构。它在整个温度范围内具有良好的灵敏度和线性度,能够以低噪音检测振动梁的瞬时温度,从而可以更好地补偿热漂移[8]。
寻求改进的传感器特性的需求导致在各种结构中使用各种各样的视觉模式。这些模式和结构中的一些在频率控制应用中具有部分功能。在这些情况下,有明显的交叉区域。传感器和频率控制领域都受益于这种交叉。一些传感器应用已导致使用新颖的视觉模式和结构,在频率控制领域中没有对应物。双模振梁谐振器就是基于这种结构的交叉计算得以使得两种模式不互相干扰[6]。
弯曲模式单振动梁可以参照双梁结构的石英振梁加速度系统的设计进行优化和计算,确定振动方程和谐振频率的计算[3],参考针对低动态车辆 应用的50 nano-g分辨率振动梁加速度计的设计实现和测试。基于VIA或DIVA石英振动梁加速度计(plusmn;100 g测量范围,300mu;g重复性),通过将测量范围减小到plusmn;10 g来提高VBA分辨率[2]。
扭曲模式的振动梁用于进行温度补偿。利用公式推导分析温度变化对力谐振器谐振频率、噪声和品质因数的影响机理。在温度对力谐振器谐振频率影响机理基础上得出温度与加速度计零偏的关系。设计一种基于温度谐振器的芯片级温敏结构,确定温度谐振器的形式、基频、尺寸以及布局[4]。理论计算得出,在一定温度范围内谐振器温度-频率的特性[7]。
1. Stegrave;ve Masson,Olivier Le Traon,Denis Janiaud, and Serge Muller.Design and Performances of Two Quartz Monolithic Vibrating Inertial microsensors [C]. Proceedings of CANEUS 2006:1-8.
2. R. Levy, D. Janiaud, J. Guerard, R. Taiuml;bi, O. Le Traon. A 50 Nano-G Resolution Quartz Vibrating Beam Accelerometer[C]. Inertial Sensors and Systems (ISISS), 2014 International Symposium on, 25-26 Laguna Beach, 2014:1-4.
