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CN106352862B - 一种数字式差动型微加速度计 - Google Patents

一种数字式差动型微加速度计 Download PDF

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CN106352862B CN201610944688.8A CN201610944688A CN106352862B CN 106352862 B CN106352862 B CN 106352862B CN 201610944688 A CN201610944688 A CN 201610944688A CN 106352862 B CN106352862 B CN 106352862B
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Abstract

一种数字式差动型微加速度计芯片，包括具有质量块‑弹簧功能的硅基底和两根石英双端固定音叉，硅基底由质量块和支撑质量块的两根悬臂梁组成，质量块、悬臂梁组成质量块‑弹簧系统指的是沿着微加速度计芯片敏感方向，悬臂梁具有弹性特性，悬臂梁沿着质量块的对角线方向；石英双端固定音叉沿着质量块的另外一条对角线方向，两个结构相同的石英双端固定音叉处于差动方式布置，本发明能够消除温度对传感器的影响，提高传感器的非线性度，具有响应速度快、精度高等优点。

Description

一种数字式差动型微加速度计
技术领域
本发明属于微机械电子(MEMS)数字式加速度计技术领域，具体涉及一种数字式差动型微加速度计。
背景技术
数字式加速度计不需要数模转换环节，能够直接嵌入数字处理系统，具有精度高、相应快、抗干扰能力强等优点。同时，采用微机械电子工艺加工的微数字式加速度计具有体积小、成本低等优点，正引起越来越多的注意力。数字式微加速度计在传感器内有一个微振动元件用来感知加速度，配合相应的激励电路，振动元件始终处于谐振状态。振动元件的振动频率与其受到的轴向力有关。通过相应的质量-弹簧转换系统，将加速度转换为振动元件内轴向力的变化，该轴向力改变振动元件的振动频率，然后通过相应的电路把此频率变化转换为数字信号输出，实现加速度信号的数字化测量。
数字式微加速度计的两大构成部件是质量-弹簧系统和振动元件。对于质量-弹簧系统，采用由硅材料加工而成的微结构取代金属结构能够有效的减小传感器的尺寸，具有体积小、精度高、成本低等优点。在中国专利ZL201210240759.8、名称为“一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片”中，将石英双端固定音叉固定在采用硅材料加工的质量块-弹簧系统上，质量块-弹簧系统由四梁支撑的惯性质量块构成。由于石英和硅两种材料的热膨胀系数不同，当温度发生变化时，石英音叉内会出现热应力导致传感器的输出产生温漂。为了解决这个问题，在中国专利ZL201210568654.5、名称为“带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器”中，提出了一种温度隔离结构来减小温度的影响，但是所提到的温度隔离结构在有效减小温度影响的同时也降低了传感器的灵敏度。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数字式差动型微加速度计，能够消除温度对传感器的影响，提高传感器的非线性度，具有响应速度快、精度高等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种数字式差动型微加速度计芯片，包括具有质量块-弹簧功能的硅基底1和两根石英双端固定音叉2-a、2-b，硅基底1由质量块3和支撑质量块3的两根悬臂梁4-a、4-b组成，质量块3、第一悬臂梁4-a和第二悬臂梁4-b组成质量块-弹簧系统指的是沿着微加速度计芯片敏感方向SA，第一悬臂梁4-a、第二悬臂梁4-b具有弹性特性，第一悬臂梁4-a、第二悬臂梁4-b沿着质量块3的对角线DC2方向；第一石英双端固定音叉2-a、第二石英双端固定音叉2-b沿着质量块3的另外一条对角线方向DC1设置，第一石英双端固定音叉2-a、第二石英双端固定音叉2-b结构相同，石英双端固定音叉2-a、2-b处于差动方式布置。
所述的硅基底1采用硅微加工工艺，在硅基底1对角线方向DC1开有定位第一石英双端固定音叉2-a、第二石英双端固定音叉2-b的四个定位槽6-a、6-b、6-c、6-d，石英双端固定音叉2的两个固定端7-a、7-b分别固定在硅基底1的四个定位槽6-a、6-b、6-c、6-d中。
所述的石英双端固定音叉2由石英晶体加工而来，在音叉的每个叉齿上四面镀有电极8，电极8之间相互电连接，正常工作时，电极8上会有交流电压，由于石英晶体的压电和逆压电效应，石英双端固定音叉2会处于同一平面内的相反相位振动模式。
所述的四个定位槽中6-a、6-b、6-c、6-d的深度需要保证石英双端固定音叉2贴在硅基底1上后，处于硅片厚度截面9的中间位置。
本发明的有益效果为：
采用硅微工艺制造此加速度计的硅基底，具有体积小、精度高、可批量化生产等优点；采用石英双端固定音叉作为振动元件具有易激励、高品质因数、数字信号输出等优点，能够直接嵌入数字处理系统；同时，石英双端固定音叉采用差动方式布置，能够消除温度的影响；差动方式布置的两个石英双端固定音叉设计在硅基上质量块的对角线位置，能够减小微加速度计芯片的尺寸。
附图说明
图1为本发明微加速度计芯片结构示意图。
图2为本发明采用微加工工艺制造的硅基底结构。
图3为本发明采用的石英双端固定音叉示意图，其中图3-1为石英音叉整体结构示意图；图3-2为石英音叉上电极的分布以及电气连接图。
图4为图1的A-A截面示意图。
图5为微加速度计芯片工作时与石英谐振电路的连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构与工作原理进行详细说明。
参照图1，一种数字式差动型微加速度计芯片，包括具有质量块-弹簧功能的硅基底1和两根石英双端固定音叉2-a、2-b，硅基底1由质量块3和支撑质量块3的两根悬臂梁4-a、4-b组成，质量块3、第一悬臂梁4-a和第二悬臂梁4-b组成质量块-弹簧系统指的是沿着微加速度计芯片敏感方向SA，第一悬臂梁4-a、第二悬臂梁4-b具有弹性特性，第一悬臂梁4-a、第二悬臂梁4-b沿着质量块3的对角线DC2方向；第一石英双端固定音叉2-a、第二石英双端固定音叉2-b沿着质量块3的另外一条对角线方向DC1设置，第一石英双端固定音叉2-a、第二石英双端固定音叉2-b结构相同，石英双端固定音叉2-a、2-b处于差动方式布置，这种对角线的布置方式能够减小微加速度计芯片的尺寸。
参照图2，所述的硅基底1采用硅微加工工艺，为了在安装时定位第一石英双端固定音叉2-a、第二石英双端固定音叉2-b，在硅基底1对角线方向DC1开有四个定位槽6-a、6-b、6-c、6-d。
参照图3-1，所述的石英双端固定音叉2的两个固定端7-a、7-b分别固定在硅基底1的四个定位槽6-a、6-b、6-c、6-d中；参照图3-2，所述的石英双端固定音叉2由石英晶体加工而来，在音叉的每个叉齿上四面镀有电极8，电极8之间相互电连接，正常工作时，电极8上会有交流电压，由于石英晶体的压电和逆压电效应，石英双端固定音叉2会处于同一平面内的相反相位振动模式。
参照图4，所述的四个定位槽中6-a、6-b、6-c、6-d的深度需要保证石英双端固定音叉2贴在硅基底1上后，处于硅片厚度截面9的中间位置，这样设计的目的是能够提高微加速度计芯片的线性度。
本发明的工作原理是：
参照图5，所述的两根石英双端固定音叉2-a、2-b分别连接在由双反相器组成的石英谐振电路10-a、10-b中，石英谐振电路提供交流电压，而石英谐振电路10-a、10-b本身是直流电平供电，石英谐振电路10-a、10-b中的电阻R1～R4以及电容C1需要根据石英双端固定音叉2-a、2-b的等效电路参数具体设定，以保证能够激励石英双端固定音叉2-a、2-b能够处于同一平面的相反相位振动模式，石英谐振电路10-a、10-b输出频率数字信号，经过差频电路计算两者的频率差作为传感器的输出。
硅基底1上的悬臂梁4-a、4-b以及质量块3组成质量块-弹簧系统，当有加速度沿敏感方向SA作用于微加速度计芯片时，根据牛顿第二定律，质量块3会受到惯性力的作用，质量块3将惯性力传递到石英双端固定音叉2-a、2-b中，引起石英双端固定音叉2-a、2-b内部轴向应力发生变化，此轴向应力改变音叉的振动频率，通过检测石英双端固定音叉2-a、2-b振动频率的变化实现加速度信号的测量。
由于石英双端固定音叉2-a、2-b处于差动方式布置，也就是当有加速度作用于传感器时，其中的一根石英双端固定音叉受拉，其振动频率变大；另外一根石英双端固定音叉受压，其振动频率变小。两根石英双端固定音叉频率变化之差作为传感器的输出。
本发明能够消除温度对传感器的影响。传感器芯片采用的两种材料硅和石英的热膨胀系数不同。当温度发生变化，两根石英双端固定音叉2-a、2-b内会产生热应力引起其振动频率发生变化。两者的频率变化是一致的，也就是同时变大或变小并且绝对值相同，而传感器的输出信号是两者振动频率变化的差，因此由热应力引起的频率变化相互抵消，从而消除了温度对传感器的影响。

Claims (4)

1.一种数字式差动型微加速度计芯片，包括具有质量块-弹簧功能的硅基底(1)和两根石英双端固定音叉(2-a、2-b)，其特征在于：硅基底(1)由质量块(3)和支撑质量块(3)的两根悬臂梁(4-a、4-b)组成，质量块(3)、第一悬臂梁(4-a)和第二悬臂梁(4-b)组成质量块-弹簧系统指的是沿着微加速度计芯片敏感方向SA，第一悬臂梁(4-a)、第二悬臂梁(4-b)具有弹性特性，第一悬臂梁(4-a)、第二悬臂梁(4-b)沿着质量块(3)的对角线(DC2)方向；第一石英双端固定音叉(2-a)、第二石英双端固定音叉(2-b)沿着质量块(3)的另外一条对角线方向(DC1)设置，第一石英双端固定音叉(2-a)、第二石英双端固定音叉(2-b)结构相同，第一石英双端固定音叉(2-a)、第二石英双端固定音叉(2-b)处于差动方式布置。
2.根据权利要求1所述的一种数字式差动型微加速度计芯片，其特征在于：所述的硅基底(1)采用硅微加工工艺，在硅基底(1)对角线方向(DC1)开有定位第一石英双端固定音叉(2-a)、第二石英双端固定音叉(2-b)的四个定位槽(6-a、6-b、6-c、6-d)，将第一石英双端固定音叉(2-a)的两个固定端(7-a、7-b)分别固定在硅基底(1)的两个定位槽(6-a、6-b)中；将第二石英双端固定音叉(2-b)的两个固定端(7-a、7-b)分别固定在硅基底(1)的另两个定位槽(6-c、6-d)中。
3.根据权利要求1所述的一种数字式差动型微加速度计芯片，其特征在于：所述的石英双端固定音叉(2)由石英晶体加工而来，在音叉的每个叉齿上四面镀有电极(8)，电极(8)之间相互电连接，正常工作时，电极(8)上会有交流电压，由于石英晶体的压电和逆压电效应，石英双端固定音叉(2)会处于同一平面内的相反相位振动模式。
4.根据权利要求2所述的一种数字式差动型微加速度计芯片，其特征在于：所述的四个定位槽(6-a、6-b、6-c、6-d)的深度需要保证石英双端固定音叉(2)贴在硅基底(1)上后，处于硅片厚度截面(9)的中间位置。
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