CN102147423B - 双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计，包括上层微加速度计结构和下层玻璃基座；所述微加速度计结构键合在玻璃基座上；所述玻璃基座上设有信号引线，微加速度计结构上的电极与相应的信号引线连接；所述微加速度计结构由质量块和四个完全相同的谐振器子结构组成。本发明采用频率检测、两检测轴完全解耦、对称布置，结构简单、紧凑、体积小、精度高。

Description

双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计

技术领域

本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术领域，特别涉及一种硅微谐振式加速度计。

背景技术

硅微加速度计具有体积小、重量轻、低成本、低能耗、高可靠性、易于数字化、可满足恶劣环境应用等特点，有着重要的军用价值和广阔的应用前景。硅微加速度计大部分采用电容检测方式，该检测方式具有温漂小、灵敏度高、可靠性好和稳定性较好等优点，但随着硅微加速度计结构尺寸的极大缩小，仪表的灵敏度和分辨率大大降低，而电容检测方式受寄生效应、机械结构噪声、电路噪声等的影响较大，已基本达到了检测能力的极限，进一步大幅度提高测量精度难度很大。

硅微谐振式加速度计是一种高精度的微型加速度计。区别于一般电容检测式加速度计，硅谐振式加速度计将被测加速度转换为谐振器的频率变化，直接输出数字信号，具有灵敏度和分辨率高、动态范围宽、抗干扰能力强、稳定性好、信号处理方便等优点。

自上世纪末，国内外有多家研究机构就开始了硅微谐振式加速度计的研究。美国Draper实验室2005研发了一种基于MEMS系统的硅谐振式加速度计，性能稳定性达到了ppm/ug量级，能够满足惯性级导航系统和战略导弹导航的需求。但是，目前大部分机构研发的是单轴硅微谐振式加速计，少数机构对双轴硅微谐振式加速度计进行了初步的理论和试验探讨，现存的双轴硅微谐振式加速度计存在交叉轴耦合较大、两检测轴性能一致性较差、体积大等缺点。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种采用频率检测、两检测轴完全解耦、对称布置，达到结构简单、紧凑、体积小、精度高的双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计，包括上层微加速度计结构和下层玻璃基座；所述微加速度计结构键合在玻璃基座上；所述玻璃基座上设有信号引线，微加速度计结构上的电极与相应的信号引线连接；所述微加速度计结构由质量块和四个完全相同的谐振器子结构组成，其中第一谐振器子结构由第一横梁、两个完全相同且对称分布的杠杆、振动部件组成，第一横梁通过两个短直梁分别与两个杠杆的一端连接，两个杠杆的另一端通过两个短直梁与振动部件连接，两个杠杆的支点处通过两个短直梁与第三固定基座连接；所述质量块分别通过第一解耦梁与四个谐振器子结构连接，四个谐振器子结构的横梁端通过第二解耦梁与第一固定基座连接，四个谐振器子结构的固定端与第二固定基座连接。

所述振动部件由两根平行的谐振梁和相应的梳齿架及活动梳齿、固定梳齿组成，其中活动梳齿设于梳齿架上，且为在谐振梁的两侧对称布置，固定梳齿设于第四固定基座上。

所述固定梳齿包括固定驱动梳齿和固定驱动反馈梳齿。

所述第一解耦梁采用直梁结构，第二解耦梁采用U型折叠梁结构。

所述第一横梁、第三横梁沿Y轴方向运动，第二横梁、第四横梁沿X轴方向运动。

所述微加速度计结构是制作在单晶硅片上的，所述玻璃基座的材质是硼硅玻璃。

有益效果：(1)采用四组解耦梁将两输入轴(X轴和Y轴)的运动隔离开，实现了两个方向的运动解耦，从而减小了交叉轴耦合的影响；(2)四个谐振器子结构参数完全一致，便于两检测轴实现机械灵敏度、线性度等性能的一致性；(3)沿同一轴向的两个谐振器子结构为一组，在有输入信号时，一个谐振器的谐振频率会增大，同时另一个谐振器的谐振频率会减小，通过测量两谐振频率的差动变化可以得到输入加速度的大小，该差动方式可以有效抑制共模干扰，增加输出信号大小；(4)与基座连接的解耦梁采用U型梁的结构，不仅能够有效释放加工产生的热应力，抑制了正交耦合误差信号，而且减小了运动的非线性，从而增大了振动幅度提高了加速度检测的灵敏度；(5)谐振器的活动梳齿设置在梳齿架上，可以有效利用空间，方便布置驱动梳齿和驱动反馈梳齿。

附图说明

图1为本发明双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计的结构示意图；

图2为本发明双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计的谐振器子结构示意图；

图3为本发明双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计下层玻璃基座上的信号引线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计，用于测量同一平面内沿着两个垂直方向输入的加速度，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的微加速度计结构，下层为制作在玻璃基座16上的信号引线。微加速度计上层机械结构由质量块1和四个完全相同且对称分布的谐振器子结构2a、2b、2c、2d组成。质量块1分别通过四组解耦梁3a1、3a2、3b1、3b2、3c1、3c2、3d1、3d2与四个谐振器子结构连接，四个谐振器子结构2a、2b、2c、2d的横梁端7a、7b、7c、7d通过四组解耦梁4a1、4a2、4b1、4b2、4c1、4c2、4d1、4d2与固定基座5a1、5a2、5b1、5b2、5c1、5c2、5d1、5d2连接，解耦梁3a1、3a2、3b1、3b2、3c1、3c2、3d1、3d2采用直梁结构，解耦梁4a1、4a2、4b1、4b2、4c1、4c2、4d1、4d2采用U型折叠梁结构。解耦梁3a1、3a2、3b1、3b2、3c1、3c2、3d1、3d2和解耦梁4a1、4a2、4b1、4b2、4c1、4c2、4d1、4d2将X轴和Y轴方向的运动进行了隔离，横梁7a、7c仅能在Y轴方向运动，横梁7b、7d仅能在X轴方向运动。四个谐振器子结构2a、2b、2c、2d的固定端9a1、9b1、9c1、9d1与固定基座5a3、5b3、5c3、5d3连接。固定基座安装在玻璃基座16上的固定基座键合点上，使上层的加速度计结构部分悬空在下层的玻璃基座16部分之上。

谐振器子结构如图2所示，每个谐振器子结构由一个横梁7a、两组完全相同且对称分布的杠杆8a1、8a2以及带梳齿的谐振器振动部件9a组成。横梁7a通过两个短直梁6a3、6a4分别与两个杠杆8a1、8a2的一端连接，两个杠杆8a1、8a2的另一端通过短直梁6a5、6a6与谐振器振动部件9a的活动端连接，两个杠杆8a1、8a2支点处通过短直梁6a1、6a2与固定基座5a4、5a5连接。谐振器振动部件9a由两根平行的谐振梁9a2、9a3和各自的梳齿架9a4、9a5及活动梳齿、固定梳齿组成，活动梳齿布置在梳齿架9a4、9a5上，且为在谐振梁9a2、9a3的两侧对称布置，固定梳齿直接布置在固定基座5a6、5a7、5a8、5a9、5a10、5a11上。固定梳齿分为固定驱动梳齿10a1、10a2和固定驱动反馈梳齿11a1、11a2、11a3、11a4。在固定驱动梳齿10a1、10a2上施加带直流偏置的交流电压，采用单边静电驱动，单边电容检测的工作方式。

玻璃基座如图3所示，包括信号引线和金属硅/玻璃键合点。信号引线包括公共电极引线13a、13b、13c、13d，驱动输入引线14a1、14a2、14b1、14b2、14c1、14c2、14d1、14d2，驱动反馈引线15a1、15a2、15b1、15b2、15c1、15c2、15d1、15d2；金属硅/玻璃键合点包括固定基座键合点12a1、12a2、12a3、12a4、12a5、12b1、12b2、12b3、12b4、12b5、12c1、12c2、12c3、12c4、12c5、12d1、12d2、12d3、12d4、12d5，驱动梳齿固定基座键合点12a6、12a7、12b6、12b7、12c6、12c7、12d6、12d7，驱动反馈梳齿固定基座键合点12a8、12a9、12a10、12a11、12b8、12b9、12b10、12b11、12c8、12c9、12c10、12c11、12d8、12d9、12d10、12d11。固定基座5a1、5a2、5a3、5b1、5b2、5b3、5c1、5c2、5c3、5d1、5d2、5d3分别与下层玻璃基座的对应键合点12a2、12a1、12a3、12b1、12b2、12b3、12c1、12c2、12c3、12d2、12d1、12d3相连。每个谐振器子结构的固定基座5a4、5a5、5a6、5a7、5a8、5a9、5a10、5a11分别与下层玻璃基座的对应键合点12a4、12a5、12a6、12a7、12a8、12a9、12a10、12a11相连。

本发明的双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计，固定基座5a6、5a7又称为驱动固定电极，固定基座5a8、5a9、5a10、5a11又称为反馈固定电极，在Y方向谐振器子结构的驱动固定电极5a6、5a7上施加带直流偏置的交流驱动电压后，产生交变驱动力，在交变驱动力的作用下，谐振器振动部件9a的两根平行的谐振梁9a2、9a3沿X轴发生相向的简谐振动。通过反馈固定电极5a8、5a9、5a10、5a11将这种简谐振动提取出来，然后再将信号通过一定控制环节反馈给驱动电压，形成闭环自激控制系统，该闭环自激控制系统的频率将锁定在谐振梁的固有频率。

当有沿Y轴方向的加速度输入时，质量块将沿Y轴方向运动，加速度引起的力F_gy为：

F_gy＝Mg_y    (1)

式中，M为质量块的质量，g_y为沿Y轴输入加速度的大小。F_gy通过横梁传递到杠杆放大了输入力，被放大了的力作用在谐振梁上，使谐振梁的谐振频率发生变化：

$f=f_0\sqrt{1+\frac{L^2}{{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{F}_{\mathrm{gy}}}---\left(2\right)$

式中，f为谐振频率，

为标称无载荷(偏置)谐振频率，m为谐振器子结构质量，L为谐振梁长度，E为杨氏模量，I为谐振梁惯性矩。

将式(2)用泰勒公式展开可得：

f＝f₀+K₁g_y+K₂g_y ²+K₃g_y ³+L+K_ng_y ⁿ    (3)

式中K_n＝K₁b_n(K₁/f₀)^n-1(Hz/gⁿ)，b_n＝b_n-1(3-2n)/n，K₁＝f₀L²/2π²EI，b₁＝1。

线性标度因数K₁依赖于谐振梁长度L，杨氏模量E，谐振器子结构的质量m以及质量块的质量M：

$K_1=\frac{M}{8\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{L}{\mathrm{EIm}}}---\left(4\right)$

通过驱动反馈梳齿检测这种频率的变化量，并进行信号处理，就得到需要测量的输入加速度信号。由于沿Y轴的两个谐振器子结构是对称分布的，因此，加速度引起的力对两边谐振器子结构的作用一个是拉伸，而另一个是压缩，对两边谐振器频率的影响一个是升高，另一个是降低，通过将两个谐振器子结构频率信号的相减，可以更加准确地得到沿Y轴方向输入加速度的大小。

对X轴方向的加速度测量与Y轴方向的测量方法是一致的，由于解耦梁的作用，当X轴方向有输入加速度时，质量块不会对Y轴方向的谐振器子结构产生影响；同样，在Y轴方向有输入时，质量块也不会对X轴方向的谐振器子结构产生影响。因此，这种双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计能够很好地隔离两个轴向的交叉耦合影响，使得到的测量信号更加准确。

Claims (6)

1.一种双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计，包括上层微加速度计结构和下层玻璃基座(16)；所述微加速度计结构键合在玻璃基座(16)上；所述玻璃基座(16)上设有信号引线，微加速度计结构上的电极与相应的信号引线连接，其特征在于：所述微加速度计结构由质量块(1)和四个完全相同的谐振器子结构(2a、2b、2c、2d)组成，其中第一谐振器子结构由第一横梁(7a)、两个完全相同且对称分布的杠杆(8a1、8a2)、振动部件(9a)组成，第一横梁(7a)通过两个短直梁(6a3、6a4)分别与两个杠杆(8a1、8a2)的一端连接，两个杠杆(8a1、8a2)的另一端通过两个短直梁(6a5、6a6)与振动部件(9a)连接，两个杠杆(8a1、8a2)的支点处通过两个短直梁(6a1、6a2)与第三固定基座(5a4、5a5)连接；所述质量块(1)分别通过第一解耦梁(3a1、3a2、3b1、3b2、3c1、3c2、3d1、3d2)与四个谐振器子结构(2a、2b、2c、2d)连接，四个谐振器子结构(2a、2b、2c、2d)的横梁端(7a、7b、7c、7d)通过第二解耦梁(4a1、4a2、4b1、4b2、4c1、4c2、4d1、4d2)与第一固定基座(5a1、5a2、5b1、5b2、5c1、5c2、5d1、5d2)连接，四个谐振器子结构(2a、2b、2c、2d)的固定端(9a1、9b1、9c1、9d1)与第二固定基座(5a3、5b3、5c3、5d3)连接。

2.根据权利要求1所述双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计，其特征在于：所述振动部件(9a)由两根平行的谐振梁(9a2、9a3)和相应的梳齿架(9a4、9a5)及活动梳齿、固定梳齿组成，其中活动梳齿设于梳齿架(9a4、9a5)上，且为在谐振梁(9a2、9a3)的两侧对称布置，固定梳齿设于第四固定基座(5a6、5a7、5a8、5a9、5a10、5a11)上。

3.根据权利要求2所述双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计，其特征在于：所述固定梳齿包括固定驱动梳齿(10a1、10a2)和固定驱动反馈梳齿(11a1、11a2、11a3、11a4)。

4.根据权利要求1所述双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计，其特征在于：所述第一解耦梁(3a1、3a2、3b1、3b2、3c1、3c2、3d1、3d2)采用直梁结构，第二解耦梁(4a1、4a2、4b1、4b2、4c1、4c2、4d1、4d2)采用U型折叠梁结构。

5.根据权利要求1所述双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计，其特征在于：所述第一横梁(7a)、第三横梁(7c)沿Y轴方向运动，第二横梁(7b)、第四横梁(7d)沿X轴方向运动。

6.根据权利要求1所述双轴集成全解耦硅微谐振式加速度计，其特征在于：所述微加速度计结构是制作在单晶硅片上的，所述玻璃基座(2)的材质是硼硅玻璃。

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