CN101963624B - 硅微谐振式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅微谐振式加速度计，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，加速度计机械结构由质量块、外框架、两个谐振器、四个一级杠杆放大机构、两个刚性杆和两个导向机构组成，第一、二谐振器对称布置在质量块的上下两侧，该两个谐振器的一端与外框架相连，另一端与导向机构连接；所述的质量块通过四根多折梁与外框架相连，外框架通过四个与质量块的中心对称的固定基座使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。本发明大大减小了加工残余应力和工作环境温度变化产生的热应力对结构振动频率的影响，提高了谐振器谐振频率的稳定性，减小了频率的温度系数。

Description

硅微谐振式加速度计

技术领域

本发明属于微机电系统MEMS中的微惯性传感器技术，特别是一种硅微谐振式加速度计。

背景技术

硅微加速度计是典型的MEMS惯性传感器，其研究始于20世纪70年代初，现有电容式、压电式、压阻式、热对流、隧道电流式和谐振式等多种形式。硅微谐振式加速度计的独特特点是其输出信号是频率信号，它的准数字量输出可直接用于复杂的数字电路，具有很高的抗干扰能力和稳定性，而且免去了其它类型加速度计在信号传递方面的诸多不便，直接与数字处理器相连。目前美国Draper实验室对谐振式加速度计的研究处于国际领先地位，研究开发的微机械加速度计主要应用于战略导弹，零偏稳定性和标度因数稳定性分别达到5μg和3ppm。因此硅微谐振式加速度计具有良好的发展前景。

硅微谐振式加速度计结构一般由谐振梁和敏感质量块组成，敏感质量块将加速度转换为惯性力，惯性力作用于谐振梁的轴向，使谐振梁的频率发生变化，通过测试谐振频率推算出被测加速度。如2006年，北京航空航天大学樊尚春等针对以往的谐振式加速度计提出一种新的谐振式加速度计(樊尚春，仁杰.一种谐振式微机械加速度计，北京航空航天大学，CN 1844931A)。该结构由质量块、支撑梁、音叉和力学放大系统组成，音叉位于质量块的中间，且相邻上下对称布置，克服了质量块利用率不高的缺点，同时材料不均匀性和环境温度对双音叉的影响一致，可通过差分检测消除环境温度对器件性能的影响，但实际上加工误差使得两个谐振器的谐振频率并不完全相等，作用在两个谐振器上的热应力也不相同，则无法通过差分检测的方式消除热应力的影响。同时，两个音叉相邻布置，电耦合较大。此外，该结构的质量块由位于其中间的两根支撑梁支撑，则加速度计的稳定性和抗冲击能力较差。该结构的支撑梁结构形式为悬臂梁，其释放残余应力的能力较差。

2008年，南京理工大学裘安萍等公开了一种硅微谐振式加速度计(裘安萍，施芹，苏岩.硅微谐振式加速度计，南京理工大学，申请号：2008100255749)，该结构由硅和玻璃两层构成，机械结构制作在单晶硅片上，玻璃作为衬底。机械结构由质量块、谐振器和杠杆放大机构等组成，两个谐振器位于质量块中间，相邻对称布置，质量块由位于其四角的折叠梁支撑，提高了结构的稳定性和抗冲击能力。通过结构的合理设计，该加速度计的量程大于±50g，零启动条件下的零偏稳定性为1.2mg，零偏重复性为0.88mg，标度因数稳定性为380.6ppm。在全温范围内的温度实验发现，加速度计频率的温度系数达160Hz/℃，标度因数的温度系数为0.67％/℃，差分检测的方式并没有完全消除环境温度对器件性能的影响。这是由于加工误差使得两个谐振器的谐振频率并不完全相等，作用在两个谐振器上的热应力也不相同，则无法通过差分检测的方式消除热应力的影响。该结构的两个谐振器直接与固定基座相连，加工残余应力和热应力对谐振频率的影响很大，从而使得速度计的频率温度系数较大。此外，在测试过程中发现该加速度计存在较大的电耦合，当两个谐振器的谐振频率相近时，会产生邻频干扰，从而无法识别所作用的加速度信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温度系数、耦合系数小、灵敏度高、抗冲击能力强、易于实现高精度测量的硅微谐振式加速度计。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种硅微谐振式加速度计，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，加速度计机械结构由质量块、外框架、两个谐振器、四个一级杠杆放大机构、两个刚性杆和两个导向机构组成，其中质量块、两个谐振器、四个一级杠杆放大机构、两个刚性杆和两个导向机构位于外框架内，质量块位于整体结构的中间，第一、二谐振器对称布置在质量块的上下两侧，该两个谐振器的一端与外框架相连，第一谐振器的另一端与第一导向机构连接，第二谐振器的另一端与第二导向机构连接，第一导向机构与第一刚性杆连接，第二导向机构与第二刚性杆连接；第一、二刚性杆的左右两端与一级杠杆放大机构的输出端相连，该四个一级杠杆放大机构的支点端与外框架相连，输入端与质量块相连；所述的质量块通过四根多折梁与外框架相连，外框架通过四个与质量块的中心对称的固定基座使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)该加速度计的谐振器、杠杆和质量块都通过外框架与固定基座相连，大大减小了加工残余应力和工作环境温度变化产生的热应力对结构振动频率的影响，提高了谐振器谐振频率的稳定性，减小了频率的温度系数；(2)每个谐振器的谐振梁由两根梁组成，且梁的中间相连，实现了双边驱动，降低了高阶模态的干扰；(3)两个谐振器位于质量块的上下两端，增加了电信号之间的空间距离，大大减小电耦合；(4)一级杠杆放大机构的支点端和输出端都采用了细梁结构，输入梁采用了多折梁结构，从而支点端和输出端的轴向拉伸刚度很大而弯曲刚度很小，且支点端细梁的轴向与杠杆轴向相互垂直，实现了放大倍数接近传统杠杆放大机构的理论值；(5)一级杠杆放大机构的输出端通过刚性杆与谐振器连接，刚性杆的y方向刚度较大，可以有效地将杠杆输出的惯性力传递给谐振梁；(6)导向机构在x轴有很大的刚度，大大减小了x轴的交叉轴灵敏度；(7)质量块通过四根轴对称多折梁与外框架相连，提高了加速度计结构的稳定性和抗冲击能力；(8)质量块与外框架之间相连的多折梁在x轴有很大的刚度，则很好地隔离了x方向运动对加速度计性能的影响，而y轴刚度较小，可实现y方向能量较大地传递给杠杆放大机构，从而提高加速度计灵敏度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的硅微谐振式加速度计的结构示意图。

图2是本发明的谐振器和一级杠杆放大机构的结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明基于谐振式的硅微加速度计，用于测量平行于基座水平的测量仪器，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线。加速度计的机械结构由质量块1、外框架2、一对谐振器3a、3b和四个完全相同的一级杠杆放大结构4a、4b、4c、4d、两个刚性杆7a、7b和两个导向机构8a、8b组成，其中质量块1、两个谐振器3a、3b、四个一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d、两个刚性杆7a、7b和两个导向机构8a、8b位于外框架2内。质量块1布置在加速度计结构的中间，第一、二谐振器3a、3b上下对称布置在质量块1的上下两端，该两个谐振器3a、3b的一端与外框架2相连，第一谐振器3a的另一端与第一导向机构8a连接，第二谐振器3b的另一端与第二导向机构8b连接，第一导向机构8a与第一刚性杆7a连接，第二导向机构8b与第二刚性杆7b连接；第一、二刚性杆7a、7b的左右两端与一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d的输出端相连，该四个一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d的支点端与外框架2相连，输入端与质量块1相连。所述的质量块1通过四根多折梁6a、6b、6c、6d与外框架2相连，外框架2通过四个与质量块1的中心对称的固定基座5a、5b、5c、5d使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。这样两个谐振器3a、3b的一端通过外框架2与固定基座5a、5b、5c、5d相连，减小了残余应力以及热应力对谐振器谐振频率的影响，大大减小频率的温度系数。

各一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d都一样，即其输出端13a、13b(每个一级杠杆放大机构都一个输出端，在图2中仅标出了其中两个输出端13a、13b)依次通过刚性杆7a、7b和导向机构8a、8b与谐振器3a、3b相连，导向机构8a、8b的两端与外框架2相连，使导向机构8a、8b在x方向具有很大的刚度，而在y方向刚度较小，较好地隔离了x方向运动对谐振器的影响。第一刚性杆7a左右两端与两个一级杠杆放大机构4a、4b的输出端相连，第二刚性杆7b左右两端与两个一级杠杆放大机构4c、4d的输出端相连。两个刚性杆7a、7b的y方向刚度较大，可以有效地将杠杆输出的惯性力传递给谐振梁。四个一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d的支点端通过外框架2与四个固定基座5a、5b、5c、5d相连，四个一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d的输入端11a、11b与质量块1相连(每个一级杠杆放大机构都一个输入端，在图2中仅标出了其中两个输入端11a、11b)，减小了残余应力以及热应力对杠杆放大倍数的影响。质量块1通过四根多折梁6a、6b、6c、6d与外框架2相连，增加了加速度计的稳定性，并提高其抗冲击能力，且轴对称的多折梁6a、6b、6c、6d不仅有效地释放残余应力，降低交叉轴灵敏度。外框架2通过固定基座5a、5b、5c、5d使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上，两个谐振器3a、3b、四个一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d以及四根多折梁6a、6b、6c、6d通过外框架2与四个基座5a、5b、5c、5d相连，大大减小了加工残余应力以及环境变化产生的热应力对加速度计性能的影响。四根多折梁6a、6b、6c、6d是轴对称结构，各多折梁6a、6b、6c、6d在x方向具有较大的刚度，较好地隔离了x方向运动对谐振器的影响，而在y方向刚度较小，可实现y方向能量较大地传递给杠杆放大机构，从而提高加速度计灵敏度。

第一、二谐振器3a、3b结构相同，结构如图2所示，即每个谐振器由两根谐振梁14a、14b、两个固定驱动电极15a、15b、四个固定检测电极16a、16b、16c、16d以及活动梳齿17组成，两根谐振梁14a、14b的中间部分相连，，减小了干扰模态。采用双边驱动，即在两根谐振梁14a、14b的两侧布置了活动梳齿17，在活动梳齿17的外侧布置了驱动电极15a、15b和内侧布置了四个固定检测电极16a、16b、16c、16d，活动梳齿17与驱动电极15a、15b和固定检测电极16a、16b、16c、16d上的固定梳齿对插形成驱动电容和检测电容，具体是固定驱动电极15a、15b上的固定梳齿与活动梳齿17形成驱动电容，在固定驱动电极15a、15b上施加带直流偏置的反相交流电压。活动梳齿17与固定检测电极16a、16b、16c、16d组成检测电容。

四个一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d结构相同，结构如图2所示，如一级杠杠放大机构4a、4b由杠杆10a、10b、支点端12a、12b、输出端13a、13b、和输入端11a、11b组成。对于微杠杆而言，当支点端和输出端的轴向拉伸刚度越大，而支点梁和输出端的弯曲刚度越小时，杠杆的放大倍数才会接近理想值，支点端12a、12b和输出端13a、13b皆采用细梁结构，输入端11a、11b的梁为轴对称的多折梁。支点端细梁12a、12b的轴向与杠杆10a、10b轴向相互垂直，这也使得杠杆的放大倍数接近理想值。

本发明的硅微谐振式加速度计用于测量y方向的输入加速度，当有沿y方向的加速度a输入时，在质量块上产生惯性力F＝-ma，该惯性力分别作用于四个一级杠杆放大机构上，在杠杆放大的作用下，作用于谐振器每根谐振梁上的作用力为

$F_B=-\frac{\mathrm{Ama}}{4}$

式中，A为一级杠杆放大机构的放大倍数。其中上谐振器受到的力为压力，谐振频率减小，而下谐振器的受到的力为拉力，谐振频率增大，两个谐振器的频率差为

Δf＝2f₀κAma

式中，κ为与谐振梁结构参数相关的常数。可见，上下谐振器的频率差与输入加速度成正比，通过检测上下谐振器的频率差，则测量输入加速度。

Claims (5)

1.一种硅微谐振式加速度计，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，其特征在于：加速度计机械结构由质量块(1)、外框架(2)、两个谐振器(3a、3b)、四个一级杠杆放大机构(4a、4b、4c、4d)、两个刚性杆(7a、7b)和两个导向机构(8a、8b)组成，其中质量块(1)、两个谐振器(3a、3b)、四个一级杠杆放大机构(4a、4b、4c、4d)、两个刚性杆(7a、7b)和两个导向机构(8a、8b)位于外框架(2)内，质量块(1)位于整体结构的中间，第一、二谐振器(3a、3b)对称布置在质量块(1)的上下两端，该两个谐振器(3a、3b)的一端与外框架(2)相连，第一谐振器(3a)的另一端与第一导向机构(8a)连接，第二谐振器(3b)的另一端与第二导向机构(8b)连接，第一导向机构(8a)与第一刚性杆(7a)连接，第二导向机构(8b)与第二刚性杆(7b)连接；第一、二刚性杆(7a、7b)的左右两端与一级杠杆放大机构(4a、4b、4c、4d)的输出端相连，该四个一级杠杆放大机构(4a、4b、4c、4d)的支点端与外框架(2)相连，输入端与质量块(1)相连；所述的质量块(1)通过四根多折梁(6a、6b、6c、6d)与外框架(2)相连，外框架(2)通过四个与质量块(1)的中心对称的固定基座(5a、5b、5c、5d)使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。

2.根据权利要求1所述的硅微谐振式速度计，其特征在于：四个一级杠杆放大机构(4a、4b、4c、4d)结构相同，其支点端(12a)和输出端(13a)都采用了细长梁，输入端(11a)采用了轴对称的多折梁结构。

3.根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于：各一级杠杆放大机构(4a、4b、4c、4d)的输出端(13a)依次通过刚性杆(7a)和导向机构(8a)与谐振器(3a)相连，导向机构(8a)的两端与外框架(2)相连，使导向机构(8a)在x方向具有很大的刚度，而在y方向刚度较小。

4.根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于：第一、二谐振器(3a、3b)结构相同，即每个谐振器由两根谐振梁(14a、14b)、两个固定驱动电极(15a、15b)、四个固定检测电极(16a、16b、16c、16d)以及活动梳齿(17)组成，两根谐振梁(14a、14b)的中间部分相连，采用双边驱动，即在两根谐振梁(14a、14b)的两侧布置了活动梳齿(17)，在活动梳齿(17)的外侧布置了驱动电极(15a、15b)和内侧布置了四个固定检测电极(16a、16b、16c、16d)，活动梳齿(17)与驱动电极(15a、15b)和固定检测电极(16a、16b、16c、16d)上的固定梳齿对插形成驱动电容和检测电容。

5.根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于：四根多折梁(6a、6b、6c、6d)是轴对称结构。

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