CN101303365A - 谐振式微加速度计 - Google Patents

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本发明涉及微机械电子技术领域，具体是一种高灵敏度的谐振式微加速度计。解决了传统基于应力改变的谐振式加速度计的测量灵敏度易受内部残余应力等因素影响的问题，该加速度计包括玻璃基底、质量块、两双端固定音叉谐振器，两谐振器并列/排设置，且敏感电容侧相对，敏感电容包含若干个一侧极板经连接梁与音叉梁固定的平板电容，平板电容的另一侧极板经支撑连接梁整体固定；质量块设置于两谐振器之间，质量块与其两侧谐振器之间分别设置有一组对称的微杠杆，质量块两侧的微杠杆相对于质量块对称，微杠杆一端与质量块固定，另一端与平板电容的支撑连接梁固定。本发明结构合理，体积小，灵敏度高，检测效果好，具有良好的发展前景。

Description

谐振式微加速度计
技术领域
本发明涉及微机械电子技术领域，具体是一种高灵敏度的谐振式微加速度计。
背景技术
微机械谐振式加速度传感器是一种典型的微机械惯性器件，其以谐振原理作为传感器的敏感调制方式，将被测量信号直接转换为振动频率信号，而频率信号具有很高的抗干扰能力和稳定性，且在传输过程中不容易产生失真误差，信号处理时也不需要经过A/D转换，从而可使处理电路简化并降低了检测难度，使得微机械谐振式加速度计具有较强的抗干扰能力和很高的灵敏度；其中，双端固定音叉DETF(double-ended tuning fork)结构就是应用于微机械谐振式加速度传感器的谐振器件中典型的结构之一。传统的谐振式传感器大都是基于应力改变的原理，即利用质量块产生的惯性力加载于双端固定音叉的轴线方向上，使得音叉梁上产生压应力或者拉应力，致使双端固定音叉的谐振频率变化，在通过驱动电容产生的静电力驱动双端固定音叉谐振时，敏感电容值随双端固定音叉谐振频率的变化而变化，通过测量敏感电容的变化量来检测双端固定音叉谐振频率的变化值，建立双端固定音叉谐振频率变化量与加速度之间的联系，以此检测加速度大小，即通过检测双端固定音叉谐振器的频率变化进行加速度测量，但是基于这种原理的谐振式微加速度计在制备的过程中，在谐振梁上容易有残余应力，而内部残余应力会影响谐振器的灵敏度，进而导致整个加速度计的灵敏度受影响，尤其是对于多晶硅振动结构的情况更为明显。
发明内容
本发明为了解决传统基于应力改变的谐振式加速度计的测量灵敏度易受内部残余应力等因素影响的问题，提供了一种高灵敏度的谐振式微加速度计。
本发明是采用如下技术方案实现的：谐振式微加速度计，包括玻璃基底、质量块、设置于玻璃基底上的两双端固定音叉谐振器，双端固定音叉谐振器包含双端固定音叉、分别设置于双端固定音叉两侧的敏感电容和驱动电容，驱动电容为梳齿电容，两双端固定音叉谐振器并列/排设置，且敏感电容侧相对，敏感电容包含若干个一侧极板经连接梁与双端固定音叉的音叉梁固定的平板电容，平板电容的另一侧极板经支撑连接梁整体固定在一起；质量块设置于两双端固定音叉谐振器之间，质量块与其两侧的双端固定音叉谐振器之间分别设置有一组对称的并通过锚点与玻璃基底键合连接的微杠杆，质量块两侧的两组微杠杆相对于质量块对称，微杠杆一端与质量块固定，另一端与平板电容的支撑连接梁固定。
在驱动电容(即梳齿电容)的静电驱动力作用下，双端固定音叉谐振器谐振；当有加速度作用在质量块上时，质量块将加速度转化为产生惯性力，并通过微杠杆将惯性力转化成放大的位移，加载于谐振器件-双端固定音叉谐振器的敏感电容上，使得敏感电容(即平板电容)的极板间距发生变化，导致平板电容的静电刚度变化，进而致使双端固定音叉的谐振频率变化，在通过驱动电容产生的静电力驱动双端固定音叉谐振时，敏感电容值随双端固定音叉谐振频率的变化而变化，通过测量敏感电容的变化量来检测双端固定音叉谐振频率的变化值，建立双端固定音叉谐振频率变化量与加速度之间的联系，以此检测加速度大小，即通过检测双端固定音叉谐振器的频率变化进行加速度测量。
与现有技术相比，本发明采用了敏感电容静电刚度改变的检测原理，使得双端固定音叉结构本身由于温度和工艺所可能引起应力的变化对微加速度计灵敏度的没有影响，换句话说提高了加速度计的灵敏度；敏感电容采用了对位移变化更加敏感的平板电容结构，使得本发明所述加速度计的灵敏度进一步提高；另外，两双端固定音叉谐振器构成差动结构，提高了检测灵敏度，同时消除了温度效应的影响；双端固定音叉谐振器与质量块之间采用对称设置的微杠杆可以抵消由微杠杆产生的非敏感方向上的位移，使得平板电容的两极板能够正对着垂直运动，本发明采用表面加工工艺加工制得，在不影响加速度计性能的同时，使得加速度计本身的尺寸进一步缩小。
本发明结构合理，体积小，灵敏度高，检测效果好，具有良好的发展前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的仰视图；
图3为本发明的立体结构示意图；
图中：1-玻璃基底；2-质量块；3-双端固定音叉；4-敏感电容；5-驱动电容；6-连接梁；7-支撑连接梁；8-锚点；9-微杠杆。
具体实施方式
如图1-3所示，谐振式微加速度计，包括玻璃基底1、质量块2、设置于玻璃基底1上的两双端固定音叉谐振器，双端固定音叉谐振器包含双端固定音叉3、分别设置于双端固定音叉3两侧的敏感电容4和驱动电容5，驱动电容5为梳齿电容，两双端固定音叉谐振器3并列/排设置，且敏感电容侧相对，敏感电容4包含若干个一侧极板经连接梁6与双端固定音叉3的音叉梁固定的平板电容，平板电容的另一侧极板经支撑连接梁7整体固定在一起；质量块2设置于两双端固定音叉谐振器之间，质量块2与其两侧的双端固定音叉谐振器之间分别设置有一组对称的并通过锚点8与玻璃基底1键合连接的微杠杆9，质量块2两侧的两组微杠杆9相对于质量块2对称，微杠杆9一端与质量块2固定，另一端与平板电容的支撑连接梁7固定。
具体实施时，所述微杠杆为单级杠杆；所述双端固定音叉谐振器的参数相同；所述质量块、微杠杆、双端固定音叉谐振器的厚度一致，锚点的厚度要比它们的厚度大；所述质量块的结构参数可根据实际应用自行修改；所述微杠杆的结构参数可根据实际要求的放大倍数的不同自行修改；所述双端固定音叉谐振器的结构参数可根据所需要的谐振频率自行修改。

Claims (1)

1、一种谐振式微加速度计，包括玻璃基底(1)、质量块(2)、设置于玻璃基底(1)上的两双端固定音叉谐振器，双端固定音叉谐振器包含双端固定音叉(3)、分别设置于双端固定音叉(3)两侧的敏感电容(4)和驱动电容(5)，驱动电容(5)为梳齿电容，其特征在于：两双端固定音叉谐振器(3)并列/排设置，且敏感电容侧相对，敏感电容(4)包含若干个一侧极板经连接梁(6)与双端固定音叉(3)的音叉梁固定的平板电容，平板电容的另一侧极板经支撑连接梁(7)整体固定在一起；质量块(2)设置于两双端固定音叉谐振器之间，质量块(2)与其两侧的双端固定音叉谐振器之间分别设置有一组对称的并通过锚点(8)与玻璃基底(1)键合连接的微杠杆(9)，质量块(2)两侧的两组微杠杆(9)相对于质量块(2)对称，微杠杆(9)一端与质量块(2)固定，另一端与平板电容的支撑连接梁(7)固定。
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