CN100371717C - 微机械数字式差频加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明微机械数字式差频加速度计，特点是采用框架结构，其外检测质量块的共振音叉驱动与感应电极等构成两级自振荡装置。两极共振音叉用来驱动整个结构并且输出信号；在没有受到垂直检测质量块沿Y轴方向加速度时，一级、二级框架结构会以不同的频率在X轴方向作简谐运动，此时系统将输出他们的频率差；当受到垂直检测质量块沿Y轴方向的加速度后，一级框架结构内的检测质量块受到压力沿Y轴向下运动，导致整个框架结构质心下移，使得一级框架结构的振动频率增加；同理二级框架结构质心上升振动频率降低；两极共振音叉驱动整个结构输出频率发生变化。它具有较强的抗干扰能力，检测灵敏度高和精度高；结构紧凑，强度好，使用寿命较长。输出数字信号可直接与数字处理器相连接。

Description

微机械数字式差频加速度计

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及梳齿式微机械数字式差频加速度计。

背景技术

在机械、物理及仪表的检测和自动化控制中加速度计是一种常用的传感器。当前，随着微电子技术和微机械加工技术的快速发展，微机械加速度计已经于1993年形成产品及应用。最初的加速度计为力平衡式。采用在硅片表面微机械加工工艺制成，敏感轴与基片平行，检测质量块为“H”形。检测质量可以自由地沿垂直于梁的方向运动。采用梳齿结构，每个梳齿为可变电容的一个活动电极或固定电极，固定电极与活动电极交错配置。检测电路为电桥方案，在检测电容的固定电极上施加频率为1HZ的载波信号，加速度计的输出电压与检测电容的值成正比。该输出信号经缓冲放大，同步解调，反馈给力矩器的电容极板，产生静电力，使得检测质量回到零位。加速度计的整个电路与微结构集成在一片硅基片上。用一个5V电源供电。传感器输出电压模拟量。

1998年美国AD公司推出了双轴加速度计产品系列，量程从±2g到±100g。如ADXL202型加速度计，量程从±2g，带宽可以通过外电容调整。采用脉冲调制占容比输出，数字输出信号直接可以进入计算机处理，或通过滤波可以转换模拟量。

现在梳齿微机械结构是加速度计的一种典型结构，如美国专利US005969249A公开了一种具有柔性杆(弹簧)系统的谐振加速度计。它是一种由一个质量块、连接支撑质量块的柔性杆系统(弹簧)、两个柔性杆的固定点、及两个梳齿结构的谐振装置等组成的加速度计。上部(第1)谐振装置自振荡，柔性杆系统增大在加速度力作用到质量块上引起的向上的拉力，下部(第2)谐振装置自振荡，柔性杆系统增大在加速度力作用到质量块上引起的向下的压力。这种加速度计是用硅基片由微机械加工制作而成的。加速度计中的谐振装置采用梳齿结构，每个梳齿为可变电容的一个活动电极或固定电极，固定电极与活动电极交错配置并形成一对驱动电极。谐振装置把检测的加速度转换成为频率信号。质量块在加速度力的作用下，上下两个谐振装置的输出频率信号经过放大器放大后相乘，再经低通滤波器滤除高频干扰信号后输出一个频率信号。即f＝f1-f2。输出频率与加速度的变化相对应。输出频率信号可直接使用计算机进行数字处理。因此，它又称为数字加速度计。这种加速度计结构较为简单，其主要的工作原理是：当加速度计受到向下的加速度后，该结构的频率降低；反之，当加速度计受到向上的加速度后，它的输出频率上升。

发明内容

本发明的目的在于使用与以上背景技术完全不同工作原理，经过对梳齿结构、柔性杆和检测质量块，及相互连接等结构的研究，提供一种具有结构新而紧凑，强度好，使用寿命较长，检测灵敏度和精度高的微机械数字式差频加速度计。

本发明的微机械数字式差频加速度计，包括：一个半导体衬底；其特点在于：

·一个一端与半导体衬底连接的一级柔性杆及一个一端与半导体衬底连接的二级柔性杆，这两级柔性杆将支撑一级框架结构、二级框架结构平行悬浮于半导体衬底上；

·两个分别与柔性杆另一端连接的一级框架结构和二级框架结构；在一级框架结构内左右两侧对称排列有柔性杆；在二级框架结构内左右两侧对称排列有柔性杆；

·在一级框架结构内与柔性杆相连的一个一级检测质量块，一个在二级框架结构内与柔性杆连接的二级检测质量块；

·在一级框架外沿Y轴方向检测质量块上下两侧的一级共振音叉(12)和二级框架外沿Y轴方向检测质量块上下两侧的二级共振音叉(13)，两极共振音叉用来驱动整个结构并且输出信号；在没有受到垂直检测质量块沿Y轴方向加速度时，一级、二级框架结构会以不同的频率在X轴方向作简谐运动，此时系统将输出它们的频率差；当受到垂直检测质量块沿Y轴方向向上的加速度后，一级框架结构内的检测质量块受到压力沿Y轴向下运动，导致整个框架结构质心下移，使得一级框架结构的振动频率增加；同理，二级框架结构质心上升振动频率降低；因此，两极共振音叉驱动整个结构输出频率发生变化；反之，当受到加速度反方向时，情况相反。

本发明提供的微机械数字式差频加速度计，主要包含了由半导体衬底、柔性杆、框架结构、框架结构内的柔性杆、检测质量块、及框架结构外沿Y轴方向检测质量块上下两侧的共振音叉等构成的两级独立的自振荡装置。假设它们的振荡频率分别有f1和f2，当它们受到一个垂直检测质量块沿Y轴方向向上的加速度作用时，上面振荡体的质量块就会向下运动，整体结构质心下移，由 $k=\frac{\mathrm{Eb}{\mathrm{\ω}}^3}{L^3}$ 和 $f=\sqrt{\frac{k}{m}}$ 可知，上面振荡块的振荡频率f1就会增加；同理，下面质量块的振荡频率f2就会减小。这样就使加速度的变化对应到频率的变化上了。输出频率Δf＝f1-f2也会增加，这样就使加速度的变化对应到频率的变化。

本发明的微机械数字式差频加速度计与背景技术相比较，虽然背景技术也是利用加速度计在受到不同加速度后其振动频率发生改变，但是，它们的基本工作原理完全不同。微机械数字式差频加速度计当加速度计受到向上的加速度后，整个结构的质心产生向下的位移，导致加速度计的输出频率增加；反之，当加速度计受到向下的加速度后，结构的质心上移，此时加速度计的输出频率减少，调频信号只与频率有关，与信号的幅值无关。因此，具有较强的抗干扰能力，这对于提高加速度的精度具有重要的意义。

本发明微机械数字式差频加速度计具有突出优点和显著进步是：

·加速度计具有较强的抗干扰能力，检测灵敏度高和精度高；

·加速度计的框架结构、柔性杆及检测质量块，及相互连接关系等结构紧凑，强度好，使用寿命较长；

·加速度计的输出数字信号可直接与数字处理器相连接，如计算机等。

附图说明

图1是微机械数字式差频加速度计bb剖视图；

图2是微机械数字式差频加速度计结构示意图；

图3是微机械数字式差频加速度计力学模型；

图4是加速度计中杆梁简化为弹簧等效示意图；

图5是微机械数字式差频加速度计的ANSYS结构仿真图；

图6是带外接电路的微机械数字式差频加速度计结构图；

图7是微机械数字式差频加速度计受到垂直检测质量块沿Y轴方向向下的加速度时频率输出波形图；

图8是微机械数字式差频加速度计受到垂直检测质量块沿Y轴方向正常(加速度为零)时频率输出波形图；

图9是微机械数字式差频加速度计受到垂直检测质量块沿Y轴方向向上的加速度时频率输出波形图；

图10是微机械数字式差频加速度计受到垂直检测质量块沿Y轴方向向下的加速度时，ANSYS仿真出的检测质量的形变图；

图11是微机械数字式差频加速度计没受到加速度时的ANSYS仿真图；

图12是微机械数字式差频加速度计受到垂直检测质量块沿Y轴方向向上的加速度时，ANSYS仿真出的检测质量的形变图。

其图中三维坐标：X轴为加速度计衬底4的宽度方向，Y轴为加速度计衬底4的高度方向，也是检测质量块运动方向和加速度a方向，Z轴为加速度计衬底4的厚度方向。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1和图2所示，本发明的微机械数字式差频加速度计，包括：

·一个半导体衬底4；

·一个一端与半导体衬底连接的一级柔性杆3及一个一端与半导体衬底连接的二级柔性杆5，这两级柔性杆将支撑一级框架结构6、二级框架结构7平行悬浮于半导体衬底上；

·两个分别与柔性杆另一端连接的一级框架结构和二级框架结构；在一级框架结构内左右两侧对称排列有三根柔性杆8且相互平行；在二级框架结构内左右两侧对称排列有三根柔性杆9且相互平行；

·在一级框架结构内与柔性杆相连的一个一级检测质量块10，一个在二级框架结构内与柔性杆连接的二级检测质量块11；

·在一级框架结构外沿Y轴方向检测质量块上下两侧的一级共振音叉12和二级框架结构外沿Y轴方向检测质量块上下两侧的二级共振音叉13，两极共振音叉用来驱动整个结构并且输出信号；在没有受到垂直检测质量块沿Y轴方向加速度时，一级、二级框架结构会以不同的频率在X轴方向作简谐运动，此时系统将输出它们的频率差；当受到垂直检测质量块沿Y轴方向向上的加速度后，一级框架结构内的检测质量块受到压力沿Y轴向下运动，导致整个框架结构质心下移，使得一级框架结构的振动频率增加；同理，二级框架结构质心上升振动频率降低；因此，两极共振音叉驱动整个结构输出频率发生变化；反之，当受到垂直检测质量块沿Y轴方向向下的加速度后，情况相反。

其图中三维坐标：X轴为加速度计衬底4的宽度方向，Y轴为加速度计衬底4的高度方向，也是检测质量块运动方向和加速度a方向，Z轴为加速度计衬底4的厚度方向。

以上所述实际上是由半导体衬底、柔性杆、框架结构、框架结构内的柔性杆、检测质量块、及框架结构上下两侧的共振音叉驱动与感应电极等构成为两级独立的自振荡装置1、2。共振音叉形状为梳齿。每个梳齿为可变电容的一个活动电极；固定电极与活动电极交错配置，形成驱动电极(梳齿)与感应电极(梳齿)。

图5所示，微机械数字式差频加速度计。对于固定半导体衬底4上下布置上下两级振荡装置1、2。在以上图2所示的微机械数字式差频加速度计基础上，特点是两个分别与柔性杆另一端连接的一级框架结构和二级框架结构；在一级框架结构内左右两侧对称排列有二根柔性杆8且相互平行；在二级框架结构内左右两侧对称排列有二根柔性杆9且相互平行。

基本原理：

微机械数字式差频加速度计不同于常见敏感电容极板间距变化的差动电容式传感器，它是利用整个器件变化频率之间的差值来计算加速度的大小。此敏感元件的工作原理可以利用传统的质量一弹簧一阻尼系统来分析，图3所示为微机械数字式差频加速度计力学模型；两个对称的框架由四根长为L1的驱动弹簧固定，构成两个自振荡结构，且每个框架内有一个由感应弹簧L2固定的质量块m，此结构相当于一个单摆。开始时，上、下两个自振荡结构在驱动梳齿的驱动作用下分别以频率f₁、f₂作自振荡运动，当受到一个向上的加速度a时，上面的质量块受到一个垂直质量块方向向下的力，此时弹簧L2压缩。由弹簧弹性系数的公式：

$k=\frac{\mathrm{Eb}{w}^3}{L^3}---\left(1\right)$

(其中E是弹簧的弹性模量，L是弹簧的长度，w是弹簧的宽度，b是弹簧的厚度)。公式(1)是利用在微机械结构中微弹簧可以等效为梁结构的原理提出的。图4所示，弹簧的等效图。

弹簧振动频率公式：

$f=\sqrt{\frac{k}{m}}---\left(2\right)$

(k为弹簧的弹性系数，m为弹簧支撑的质量)可知：本结构上半部分弹性系数的公式为：

$k=\frac{{\mathrm{Eb\ω}}^3}{L_2^3}---\left(3\right)$

因此，当受到加速度的作用使得质量块的质心将下移，等效于驱动弹簧的长度L₁变短，由此可得驱动弹簧的弹性系数k增大，所以导致驱动弹簧的振动频率f₁增加Δf₁；与此相反，下面的弹簧的弹性系数k减小，使得下面驱动弹簧的振动频率f₂减少Δf₂。因此，整个系统就产生了频率的差值Δf′＝Δf₁+Δf₂。由此表明，系统的频率变化量与加速度相关。所以，通过检测系统的频率变化量就可以判定被测加速度的大小。

工作过程：

图6所示，本发明的一种微机械数字式差频加速度计。首先给左、右两边的驱动梳齿加上±V_d的偏置电压，此时将在微结构的差动电容间产生静电力，驱动梳齿起振产生微小的位移，并且上、下两端的驱动梳齿也开始左、右振动起来，它振动时产生的微小信号通过电荷放大器放大输出，输出的放大信号一部分加到右边的驱动梳齿上，另一部分则通过反相器加到左侧的驱动梳齿上。这样的话，左、右两端驱动梳齿上加的电压增大，整个系统的振幅也随之增大，输出信号也变强了，以此类推，系统振幅将越来越来大，输出信号也越来越强；但是，由于外界环境的阻尼作用，系统的振幅不会无休止的增大，到一定程度后它的振动就会趋于稳定。

设左、右两端驱动梳齿上的电压分别为V_d1和V_d2，上、下两端电荷放大器的输出信号分别为A₁sinω_n1t和A₂sinω_n2t，所以上半部分左、右两端梳齿上所加的电压为V_d1+A₁sin(ω_n1+180°)、V_d2+A₁sinω_n1t；下半部分左、右两端梳齿上所加的电压为V_d1+A₂sin(ω_n2+180°)、V_d2+A₂sinω_n2t；在输出端将上、下两部分电荷放大器的输出信号相乘的：

$(V_{d2}+A_1\sin {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nl}}t)*(V_{d2}+A_2\sin {\mathrm{\ω}}_{n2}t)$

$={V_{d2}}^2+A_1\sin {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nl}}t{A}_2\sin {\mathrm{\ω}}_{n2}t+V_{d2}{A}_2\sin {\mathrm{\ω}}_{n2}+V_{d2}{A}_1\sin {\mathrm{\ω}}_{n1}t$

${V_{d2}}^2+\frac{1}{2}{A}_1{A}_2[\cos ({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nl}}-{\mathrm{\ω}}_{n2})t-\cos ({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nl}}+{\mathrm{\ω}}_{n2})t]$

$+V_{d2}{A}_2\sin {\mathrm{\ω}}_{n2}t+V_{d2}{A}_1\sin {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nl}}t$

通过带通滤波器后，高频和低频信号被滤除掉，输出信号就只剩下 $\frac{1}{2}{A}_1{A}_2\left[\cos ({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nl}}-{\mathrm{\ω}}_{n2})t\right],$ 所以其输出信号的频率就是上、下感应梳齿输出信号的频率差。因此，通过输出信号的波形变化就能得到差频的大小。

图7所示，微机械数字式差频加速度计受到垂直检测质量块沿Y轴方向向上时频率输出波形图；图8所示，微机械数字式差频加速度计受到正常(加速度为零)时频率输出波形图；图9所示，微机械数字式差频加速度计受到垂直检测质量块沿Y轴方向向上的加速度时频率输出波形图；通过计算机仿真进一步说明了本发明的微机械数字式差频加速度计是一种高精度检测传感器。

图10所示，微机械数字式差频加速度计受到垂直检测质量块沿Y轴方向向下的加速度时，ANSYS仿真出的检测质量的形变图；图11所示，微机械数字式差频加速度计没受到加速度时的ANSYS仿真图；图12所示，微机械数字式差频加速度计受到垂直检测质量块沿Y轴方向向上的加速度时，ANSYS仿真出的检测质量的形变图。经过以上使用计算机对微机械数字式差频加速度计的有限元分析，为具体实施本发明的产品设计提供可靠的依据。便于本发明进一步的具体实施。

Claims (4)

1.一种微机械数字式差频加速度计，包括：一个半导体衬底(4)；其特征在于：

一个一端与半导体衬底连接的一级柔性杆(3)及一个一端与半导体衬底连接的二级柔性杆(5)，这两级柔性杆将支撑一级、二级框架结构平行悬浮于半导体衬底上；

两个分别与柔性杆另一端连接的一级框架结构(6)和二级框架结构(7)；在一级框架结构内左右两侧对称排列有柔性杆(8)；在二级框架结构内左右两侧对称排列有柔性杆(9)；

在一级框架内与柔性杆相连的一个一级检测质量块(10)，一个在二级框架结构内与柔性杆连接的二级检测质量块(11)；

在一级框架外沿Y轴方向检测质量块上下两侧的一级共振音叉(12)与二级框架外沿Y轴方向检测质量块上下两侧的二级共振音叉(13)，两极共振音叉用来驱动整个结构并且输出信号；在没有受到垂直检测质量块沿Y轴方向加速度时，一级、二级框架结构会以不同的频率在X轴方向作简谐运动，此时系统将输出它们的频率差；当受到垂直检测质量块沿Y轴方向向上的加速度后，一级框架结构内的检测质量块受到压力沿Y轴向下运动，导致整个框架结构质心下移，使得一级框架结构的振动频率增加；同理，二级框架结构质心上升振动频率降低；因此，两极共振音叉驱动整个结构输出频率发生变化；反之，当受到加速度反方向时，情况相反。

2.依据权利要求1所述的一种微机械数字式差频加速度计，所述的两个分别与柔性杆另一端连接的一级框架结构和二级框架结构；在一级框架结构内左右两侧对称排列的至少两个柔性杆(8)，且这些柔性杆相互平行；在二级框架结构内左右两侧对称排列着至少两个柔性杆(9)，并且这些柔性杆相互平行。

3.依据权利要求1所述的一种微机械数字式差频加速度计中的半导体衬底和框架结构是硅。

4.依据权利要求1所述的一种微机械数字式差频加速度计中的检测质量是多晶硅。

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