CN101858927A - 低应力硅微谐振式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低应力硅微谐振式加速度计，加速度计结构制作在两层单晶硅上，在上层单晶硅片上制作加速度计机械结构，在机械结构的上表面淀积金属作为信号输入/输出线，下层单晶硅为加速度计的衬底，加速度计机械结构由质量块、上谐振器、下谐振器、两个上端一级杠杆放大机构、两个下端一级杠杆放大机构、中间应力释放框架、上端应力释放框架和下端应力释放框组成，上谐振器和下谐振器上下对称相邻位于质量块的中间，上谐振器的下端和下谐振器的上端通过中间应力释放框架与中间固定基座相连。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，提高了谐振器谐振频率的稳定性，且杠杆放大机构的放大倍数接近理想值。

Description

低应力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MEMS中的微惯性传感器技术，特别是一种低应力硅微谐振式加速度计。

背景技术

微机电系统(Micro-electro-mechanical Systems，简称MEMS)是近年来发展起来的一个多学科交叉的前沿性高技术领域。MEMS利用从半导体技术上发展起来的硅微机械加工工艺，主要以硅为材料，在硅片上制作出尺寸在微米量级、悬浮可动的三维结构，实现对外界信息的感知和控制，并可以与信号处理和控制电路集成，构成一个多功能的微型系统。微机电系统具有体积小、成本低、可靠性高、易于批量生产等特点，可广泛应用于航空航天、军事、通信、生物医学等诸多方面，被认为是面向21世纪的新兴技术甚至主导技术之一。

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，硅微谐振式加速度计一般由谐振梁和敏感质量块组成，加速度经敏感质量块转换为惯性力，惯性力作用在谐振梁的轴向，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。

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，CN1844931A)。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，克服了材料不均匀和环境温度对器件影响大和质量块利用率不高的缺点。但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。此外，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，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，该结构较好地克服了材料不均匀、温度对器件影响大的缺点，提高了结构的稳定性和抗冲击能力。该结构两层的材料分别为硅和玻璃，两者的热膨胀系数不等，同时该结构的谐振梁、杠杆直接与固定基座相连，从而加工残余应力和工作环境温度变化产生的热应力大，谐振式加速度计的频率稳定性差。该结构的谐振器采用了梳状梳齿，而梳状梳齿的边缘效应降低了谐振器振动的线性度，从而降低了频率稳定性。此外，该结构的支撑质量块的折叠梁为三折梁，增加了结构的交叉轴灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低应力、高频率稳定性、低交叉轴灵敏度、抗冲击能力强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：一种低应力硅微谐振式加速度计，加速度计结构制作在两层单晶硅上，在上层单晶硅片上制作加速度计机械结构，在机械结构的上表面淀积金属作为信号输入/输出线，下层单晶硅为加速度计的衬底，加速度计机械结构由质量块、上谐振器、下谐振器、两个上端一级杠杆放大机构、两个下端一级杠杆放大机构、中间应力释放框架、上端应力释放框架和下端应力释放框组成，上谐振器和下谐振器上下对称相邻位于质量块的中间，上谐振器的下端和下谐振器的上端通过中间应力释放框架与中间固定基座相连；上谐振器的上端分别与两个上端一级杠杠放大机构的输出端连接，上端一级杠杠放大机构的的支点端与通过上端应力释放框架与上固定基座相连，下谐振器的下端分别与两个下端一级杠杠放大机构的输出端连接，下端一级杠杠放大机构的的支点端通过下端应力释放框架与下固定基座相连；上下端一级杠杠放大机构的输入端分别与质量块连接；质量块通过四根U型梁分别与四个位于质量块四角的固定基座相连，所有的固定基座安装在下层单晶硅的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的单晶硅衬底部分之上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)该加速度计的结构层和衬底层都采用了单晶硅，谐振器和一级杠杆放大机构都通过应力释放框架与固定基座相连，且谐振器的谐振梁通过连接块与应力释放框架相连，这几种方式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，提高了谐振器谐振频率的稳定性，且杠杆放大机构的放大倍数接近理想值；(2)一级杠杆放大机构的支点端、输入端和输出端都采用了细梁结构，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；(3)谐振器的驱动电极和检测电极的结构形式都采用了平板式电极，大大减小了电场边缘效应，提高了谐振梁振动的线性度，提高了频率稳定性；(4)质量块通过轴对称U型梁与其四角的固定基座相连，轴对称U型梁不仅能有效地释放残余应力，还减小了加速度计的交叉轴灵敏度，质量块的支撑梁布置在其四角提高了加速度计结构的抗冲击能力。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的低应力硅微谐振式加速度计的结构示意图。

图2是本发明的一级杠杆的放大机构的结构示意图。

图3是本发明的谐振器的结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明低应力硅微谐振式加速度计，加速度计结构制作在两层单晶硅上，在上层单晶硅片上制作加速度计机械结构，在机械结构的上表面淀积金属作为信号输入/输出线，下层单晶硅为加速度计的衬底，加速度计机械结构由质量块1、上谐振器2a、下谐振器2b、两个上端一级杠杆放大机构3a、3b、两个下端一级杠杆放大机构3c、3d、中间应力释放框架5a、上端应力释放框架5b和下端应力释放框5c组成，上下端四个一级杠杆放大机构的结构完全一致。上谐振器2a和下谐振器2b上下对称相邻位于质量块的中间，可以减小材料不均匀和加工产生的不对称，从而上下谐振器2a、2b的结构参数一致性好，有效地实现谐振频率的差动输出。上谐振器2a的下端和下谐振器2b的上端通过中间应力释放框架5a与中间固定基座4a相连，中间的应力释放框架5a和中间的固定基座4a位于上谐振器2a和下谐振器2b之间。应力释放框架5a能释放加工残余应力，同时减小工作环境温度变化产生的热应力。上谐振器2a的上端分别与两个上端一级杠杠放大机构3a、3b的输出端11a、11b连接，上端一级杠杠放大机构的3a、3b的支点端9a、9b与通过上端应力释放框架5b与上固定基座4b相连，下谐振器2b的下端分别与两个下端一级杠杠放大机构3c、3d的输出端11c、11d连接，下端一级杠杠放大机构的3c、3d的支点端9c、9d通过下端应力释放框架5c与下固定基座4c相连；上下端一级杠杠放大机构3a、3b、3c、3d的输入端10a、10b、10c、10d分别与质量块1连接；质量块1通过四根U型梁6a、6b、6c、6d分别与四个位于质量块1四角的固定基座7a、7b、7c、7d相连，所有的固定基座4a、4b、4c、7a、7b、7c、7d安装在下层单晶硅的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的单晶硅衬底部分之上。其中，四根U型梁6a、6b、6c、6d和固定基座7a、7b、7c、7d位于质量块1的四个角上，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U型梁6a、6b、6c、6d不仅有效地释放残余应力，降低交叉轴灵敏度。各四根U型梁6a、6b、6c、6d是轴对称结构。

结合图2，本发明低应力硅微谐振式加速度计的上下端一级杠杆放大机构3a、3b、3c、3d由杠杆8a、8b、8c、8d、支点端9a、9b、9c、9d输入端10a、10b、10c、10d和输出端11a、11b、11c、11d组成，支点端9a、9b、9c、9d和输入端10a、10b、10c、10d位于杠杆8a、8b、8c、8d的上端，而输出端11a、11b、11c、11d位于杠杆8a、8b、8c、8d的下端，支点端9a、9b、9c、9d、输入端10a、10b、10c、10d和输出端11a、11b、11c、11d都采用了细梁结构，且支点端9a、9b、9c、9d的轴向与杠杆8a、8b、8c、8d的轴向相互垂直。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，因此支点端9a、输出端11a和输入端10a皆采用细梁结构，如杠杆宽度为40μm时，细梁宽度为6μm×80μm。杠杆放大机构的支点端为细梁时也大大减小了应力对杠杆放大倍数的影响。支点端细梁9a的轴向与杠杆8a轴向相互垂直，这也使得杠杆的放大倍数接近理想值。

结合图3，本发明低应力硅微谐振式加速度计的每个谐振器2a、2b由两个谐振梁12a、12b、两个活动电极13a、13b、两个固定驱动电极14a、14b、四个固定检测电极15a、15b、15c、15d和两个连接块16、17组成，两个谐振梁12a、12b并排排列并通过其两端的连接块16、17组在一起，一个连接块16与对应的一级杠杆放大机构相连(如上谐振器2a的一个连接块16与上端一级杠杆放大机构3a、3b连接，另一个连接块16与中间应力释放框架5a连接；上谐振器2b的一个连接块与下端一级杠杆放大机构3c、3d连接，另一个连接块与中间应力释放框架5a连接)，另一个连接块17通过中间应力释放框架5a与中间固定基座4a相连，该另一个连接块17和中应力释放框架5a可以大大减小残余应力对谐振梁12a、12b的影响。两个谐振梁12a、12b的外侧各连接一个活动电极13a、13b，两个活动电极13a、13b的外侧各设置一个固定驱动电极14a、14b，形成驱动电容，四个固定检测电极15a、15b、15c、15d分别设置在活动电极13a、13b与谐振梁12a、12b之间，活动电极13a、13b与固定检测电极15a、15b、15c、15d组成检测电容。谐振器采用了双边驱动，在左固定驱动电极14a上施加带直流偏置的交流电压，在右固定驱动电极14b上施加带直流偏置的反相交流电压，从而确保了谐振梁12a、12b的工作模态为反相振动模态。下上谐振器2a、2b的活动电极13a、13b、固定驱动电极14a、14b和固定检测电极15a、15b、15c、15d均为平板式电极。

本发明的低应力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)

1.一种低应力硅微谐振式加速度计，其特征在于：加速度计结构制作在两层单晶硅上，在上层单晶硅片上制作加速度计机械结构，在机械结构的上表面淀积金属作为信号输入/输出线，下层单晶硅为加速度计的衬底，加速度计机械结构由质量块[1]、上谐振器[2a]、下谐振器[2b]、两个上端一级杠杆放大机构[3a、3b]、两个下端一级杠杆放大机构[3c、3d]、中间应力释放框架[5a]、上端应力释放框架[5b]和下端应力释放框[5c]组成，上谐振器[2a]和下谐振器[2b]上下对称相邻位于质量块的中间，上谐振器[2a]的下端和下谐振器[2b]的上端通过中间应力释放框架[5a]与中间固定基座[4a]相连；上谐振器[2a]的上端分别与两个上端一级杠杠放大机构[3a、3b]的输出端[11a、11b]连接，上端一级杠杠放大机构的[3a、3b]的支点端[9a、9b]与通过上端应力释放框架[5b]与上固定基座[4b]相连，下谐振器[2b]的下端分别与两个下端一级杠杠放大机构[3c、3d]的输出端[11c、11d]连接，下端一级杠杠放大机构的[3c、3d]的支点端[9c、9d]通过下端应力释放框架[5c]与下固定基座[4c]相连；上下端一级杠杠放大机构[3a、3b、3c、3d]的输入端[10a、10b、10c、10d]分别与质量块[1]连接；质量块[1]通过四根U型梁[6a、6b、6c、6d]分别与四个位于质量块[1]四角的固定基座[7a、7b、7c、7d]相连，所有的固定基座[4a、4b、4c、7a、7b、7c、7d]安装在下层单晶硅的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的单晶硅衬底部分之上。

2.根据权利要求1所述的低应力硅微谐振式加速度计，其特征在于：上下端一级杠杆放大机构[3a、3b、3c、3d]由杠杆[8a、8b、8c、8d]、支点端[9a、9b、9c、9d]输入端[10a、10b、10c、10d]和输出端[11a、11b、11c、11d]组成，支点端[9a、9b、9c、9d]和输入端[10a、10b、10c、10d]位于杠杆[8a、8b、8c、8d]的上端，而输出端[11a、11b、11c、11d]位于杠杆[8a、8b、8c、8d]的下端，支点端[9a、9b、9c、9d]、输入端[10a、10b、10c、10d]和输出端[11a、11b、11c、11d]都采用了细梁结构，且支点端[9a、9b、9c、9d]的轴向与杠杆[8a、8b、8c、8d]的轴向相互垂直。

3.根据权利要求1所述的低应力硅微谐振式加速度计，其特征在于：各四根U型梁[6a、6b、6c、6d]是轴对称结构。

4.根据权利要求1所述的低应力硅微谐振式加速度计，其特征在于：每个谐振器[2a、2b]由两个谐振梁[12a、12b]、两个活动电极[13a、13b]、两个固定驱动电极[14a、14b]、四个固定检测电极[15a、15b、15c、15d]和两个连接块[16、17]组成，两个谐振梁[12a、12b]并排排列并通过其两端的连接块[16、17]组在一起，一个连接块[16]与对应的一级杠杆放大机构相连，另一个连接块[17]通过中间应力释放框架[5a]与中间固定基座[4a]相连，两个谐振梁[12a、12b]的外侧各连接一个活动电极[13a、13b]，两个活动电极[13a、13b]的外侧各设置一个固定驱动电极[14a、14b]，形成驱动电容，四个固定检测电极[15a、15b、15c、15d]分别设置在活动电极[13a、13b]与谐振梁[12a、12b]之间，活动电极[13a、13b]与固定检测电极[15a、15b、15c、15d]组成检测电容。

5.根据权利要求4所述的低应力硅微谐振式加速度计，其特征在于：下上谐振器[2a、2b]的活动电极[13a、13b]、固定驱动电极[14a、14b]和固定检测电极]15a、15b、15c、15d]均为平板式电极。

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