一种电流标度因数可控的加速度计伺服电路及其制造工艺的制作方法

本发明属于混合集成电路技术领域，涉及一种电流标度因数可控的加速度计伺服电路及其制造工艺。

背景技术：

惯性技术是惯性敏感器、惯性导航、惯性制导、惯性测量及惯性稳定等技术的统称，是具有自主、连续、隐蔽特性，无环境限制的载体运动信息感知技术，是现代精确导航、制导与控制系统的核心信息源。在构建陆海空天电(磁)五维一体信息化体系中，在实现军事装备机械化与信息化复合式发展的进程中，惯性技术具有不可替代的关键支撑作用。惯性技术是涉及到物理、数学、力学、光学、材料学、精密机械学及微电子、计算机、控制、测试、先进制造工艺等技术的一门综合性技术，是衡量一个国家尖端技术水平的重要标志之一。惯性导航技术是惯性技术的核心和发展标志，惯性导航系统(inertianavigationsystem，ins)利用陀螺仪和加速度计(统称为惯性仪表)同时测量载体运动的角速度和线加速度，并通过计算机实时解算出载体的三维姿态、速度、位置等导航信息。作为惯性系统的核心仪表，加速度计指标的优劣直接影响制导与控制(guidancenavigationandcontrol，gnc)系统整体性能。另外，加速度计也可用于摄像机振动监测，自动对焦、汽车制动启动检测、地震检测、报警系统、地质勘探、大坝等的振动测试与分析、高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察等等民用领域，具有极大的社会效益。

加速度传感器按不同方式分种类很多，其中加速度计按测量精度可分为高精度(优于10-4m/s²)、中精度(10-2m/s²-10-3m/s²)和低精度(低于0.1m/s²)。随着市场需求和微加速度传感器的发展，微机电加速度计将广泛应用于中低精度领域，高精度领域仍然主要采用机械式石英挠性加速度计。石英挠性加速度计作为一种经典的高精度机械摆式加速度计，是目前高精度领域应用上的关键部件之一。因此，研究石英挠性加速度计的关键技术和存在的问题是满足国内高精度传感器市场需求的重要保障之一，是现今加速度计发展的重要方向。

目前，国内石英挠性加速度计表头生产厂家由于工艺稳定性差，致使批量成品个体之间电流标度因数等参数存在差异，此种差异会增加后期惯导系统标定的成本。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种电流标度因数可控的加速度计伺服电路及其制造工艺，改善加速度计表头标度因数差异性，降低后期惯导系统标定成本。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种电流标度因数可控的加速度计伺服电路，包括差动电容转换器、电流积分器、跨导/补偿放大器、v/i转换器和采样电阻；差动电容转换器的信号输入端与加速度计表头中差动电容传感器的信号输出端连接，信号输出端与电流积分器的信号输入端连接，电流积分器的信号输出端与跨导/补偿放大器的信号输入端连接，跨导/补偿放大器的信号输出端与加速度计表头中力矩器的信号输入端连接，加速度计表头中力矩器的信号输出端与v/i转换器的信号输入端连接，v/i转换器的信号输出端输出目标信号，同时，加速度计表头中力矩器的信号输出端还与采样电阻的一端连接，采样电阻的另一端接地。

优选的，采样电阻采用外置采样电阻rext。

优选的，差动电容转换器采用lzf15。

优选的，跨导/补偿放大器采用lc5226，其是二次配电电源芯片7809和7909与传统跨导/补偿放大器芯片lb314集成为一体的芯片。

优选的，该伺服电路使加速度计电流标度因数差异小于0.1％。

所述的电流标度因数可控的加速度计伺服电路的制造工艺，通过厚膜工艺在基片上制作无源电阻网络，裸芯片差动电容转换器、跨导/补偿放大器、v/i转换器中的精密放大器采用绝缘胶粘接在厚膜陶瓷基板上；电容采用再流焊工艺焊接在厚膜陶瓷基板上；厚膜陶瓷基板采用绝缘胶粘接在金属外壳上；通过金丝键合技术实现芯片与厚膜陶瓷基板无源电阻网络的电气互联；金属外壳采用平行封焊工艺实现气密性封装。

优选的，电路内部键合丝采用φ30μm金丝。

优选的，跨导/补偿放大器采用lc5226时，制造的电路整体尺寸小于18mm×17mm。

优选的，金属外壳采用10#钢外壳。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明电流标度因数可控加速度计伺服电路采用全新设计架构，在传统模拟再平衡伺服回路基础上加入v/i转换单元，该单元具有外置电流调节功能。当沿加速度计的输入轴有加速度ai作用时，速度计表头中差动电容传感器摆片偏离中心位置，产生电容变化量为2δc，伺服电路中的差动电容转换器检测这一变化而输出电流，该电流由电流积分器积分后输出电压，然后由跨导/补偿放大器将电压放大并变换成电流i，该电流的大小与输入加速度成正比，极性取决于输入加速度的方向，输出电流i被加到加速度计表头的力矩器上，产生再平衡力矩，以平衡因ai引起的惯性力矩。之后通过加速度计表头力矩器低端到地的采样电阻将电流信号变换成电压信号，随后经过v/i转换器将电压信号变换成电流信号iout输出。电流iout与i成比例，比例系数可通过采样电阻控制，从而可通过调节采样电阻，控制批量化加速度计电流标度因数。用户方可根据不同厂家、不同批次石英挠性加速度计表头，调节加速度计输出电流标度因数，大大提高加速度计一致性；本发明可实现加速度计输出电流标度因数自主控制，提高加速度计输出电流一致性，极大程度改善了石英挠性加速度计批量生产差异性问题，降低了后期惯导系统标定成本。同时，此种电路架构可广泛应用于石英挠性加速度计等类似加速度计系统中，电路具有通用性。

进一步的，本发明跨导/补偿放大器采用芯片lc5226，该芯片将加速度计伺服电路中二次配电电源芯片7809和7909与传统跨导/补偿放大器芯片lb314集成为一体，将原本需要的3支芯片缩减为1支，相比二次配电电源芯片7809和7909加传统跨导/补偿放大器芯片lb314的结构，新款芯片采用更加先进的设计、工艺架构，其具有更低功耗，更优对称性，同时大大减少了芯片外围匹配电容，极大程度上提高了伺服电路集成度。

本发明采用厚膜混合集成电路工艺制造电路，金属外壳采用平行封焊工艺实现气密性封装，使得电路相比传统石英挠性加速度计伺服电路具有更高可靠性，更优散热性能，更适用于航空、航天、船舶等国防领域中。

附图说明

图1电流标度因数可控加速度计伺服电路原理框图；

图2电流标度因数可控加速度计伺服电路原理图；

图3电流标度因数可控加速度计伺服电路工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所述的电流标度因数可控加速度计伺服电路，包括差动电容转换器、电流积分器、跨导/补偿放大器、v/i转换器和采样电阻；差动电容转换器的信号输入端与加速度计表头中差动电容传感器的信号输出端连接，信号输出端与电流积分器的信号输入端连接，电流积分器的信号输出端与跨导/补偿放大器的信号输入端连接，跨导/补偿放大器的信号输出端与加速度计表头中力矩器的信号输入端连接，加速度计表头中力矩器的信号输出端与v/i转换器的信号输入端连接，同时，加速度计表头中力矩器的信号输出端还与采样电阻的一端连接，采样电阻的另一端接地。

采样电阻采用外置采样电阻rext，即该采样电阻安置在加速度计表头以外。差动电容转换器采用lzf15。跨导/补偿放大器采用lc5226。

电路原理框图如图1所示。当沿加速度计的输入轴有加速度ai作用时，速度计表头中差动电容传感器摆片偏离中心位置，产生电容变化量为2δc，伺服电路中的差动电容转换器检测这一变化而输出电流，该电流由电流积分器积分后输出电压，然后由跨导/补偿放大器将电压放大并变换成电流i，该电流的大小与输入加速度成正比，极性取决于输入加速度的方向，输出电流i被加到加速度计表头的力矩器上，产生再平衡力矩，以平衡因ai引起的惯性力矩。之后通过加速度计表头力矩器低端到地的精密采样电阻将电流信号变换成电压信号，随后经过v/i转换器将电压信号变换成电流信号iout输出。电流iout与i成比例，比例系数可通过外置的采样电阻控制。通过调节采样电阻，可使批量化加速度计电流标度因数差异小于0.1％。电路原理图如图2所示。

本发明所述的伺服电路采用厚膜混合集成电路工艺制造，使用电子制版软件对电路版图进行合理布局布线，形成工艺制作数据，将工艺制作数据转化制作为光绘底片，再根据光绘底片制作厚膜丝网印刷漏版，通过丝网印刷和烧结等厚膜工艺在基片上制作无源网络，并在其上组装半导体器件和微型电子元件。差动电容转换器、跨导/补偿放大器、v/i转换器中的精密放大器等裸芯片采用绝缘胶粘接在厚膜陶瓷基板上；电容采用再流焊工艺焊接在厚膜陶瓷基板上；厚膜陶瓷基板采用绝缘胶粘接在10#钢外壳上；通过金丝键合技术实现芯片与厚膜陶瓷基板无源电阻网络的电气互联，电路内部键合丝全部采用φ30μm金丝，在保证降额设计的基础上，可直接采用全自动金丝键合机完成键合工艺，提高电路制造效率；电路完成键合后进行无损拉克测试，保证键合可靠性；最后，金属外壳采用平行封焊工艺实现气密性封装，使得电路相比传统石英挠性加速度计伺服电路具有更高可靠性，更优散热性能，更适用于航空、航天、船舶等国防领域中。

电路采用自主研制的新型功率放大芯片lc5226，该芯片将石英挠性加速度计伺服电路中二次配电电源芯片7809和7909与传统跨导/补偿放大器芯片lb314集成为一体，将原本需要的3支芯片缩减为1支，相比二次配电电源芯片7809和7909加传统跨导/补偿放大器芯片lb314的结构，新款芯片采用更加先进的设计、工艺架构，其具有更低功耗，更优对称性，同时大大减少了芯片外围匹配电容，极大程度上提高了伺服电路集成度。通过工艺优化，电路整体尺寸小于18mm×17mm。电路工艺流程如图3所示。

本发明伺服电路在传统模拟再平衡伺服回路基础上加入v/i转换单元，该单元具有外置电流调节功能。用户方可根据不同厂家、不同批次石英挠性加速度计表头，调节加速度计输出电流标度因数。可使加速度计电流标度因数差异小于0.1％，大大提高加速度计一致性；电路采用自主研制的新型功率放大芯片，该芯片将石英挠性加速度计伺服电路中二次配电电源芯片与功率放大芯片集成为一体，将原本需要的3支芯片缩减为1支，同时减少了外围匹配电容，极大程度上提高了伺服电路集成度。

本发明电路采用厚膜混合集成电路工艺，通过丝网印刷、烧结等厚膜工艺在陶瓷基板上制作无源电阻网络，并在其上组装半导体器件和电容等微型电子元件。通过工艺优化，电路可靠性、散热性、集成度均得到显著提高，优化后，缩小电路整体尺寸，电路整体尺寸小于18mm×17mm。