CN102109534B

CN102109534B - 双轴谐振式硅微加速度计

Info

Publication number: CN102109534B
Application number: CN 201010565101
Authority: CN
Inventors: 施芹; 裘安萍; 贾方秀; 苏岩
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: CN102109534A

Abstract

本发明公开了一种基于频率检测原理的双轴谐振式硅微加速度计，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线；加速度计机械结构由质量块、外框架、两对完全相同的谐振器和八个完全相同的一级杠杠放大机构组成；质量块位于结构的中间，一对谐振器上下对称布置在质量块的上下两侧，用于测量沿y轴输入的加速度，另一对谐振器左右对称布置在质量块的左右两侧，用于测量沿x轴输入的加速度，整个结构呈中心对称图形。本发明采用四个谐振器，分别位于质量块的上下、左右两侧，可用于检测两个轴的加速度；避免采用了支撑梁支撑，简化了结构，且结构稳定，同时由加速度转换的惯性力有效地传递到谐振器上。

Description

双轴谐振式硅微加速度计

技术领域

本发明属于微机电系统MEMS中的微惯性传感器技术，特别是一种双轴谐振式硅微加速度计。

背景技术

谐振式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。谐振式硅微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。目前美国Draper实验室对谐振式加速度计的研究处于国际领先地位，研究开发的微机械加速度计主要应用于战略导弹，零偏稳定性和标度因数稳定性分别达到5μg和3ppm。因此谐振式硅微加速度计具有良好的发展前景。谐振式硅微加速度计结构一般由谐振梁和敏感质量块组成，敏感质量块将加速度转换为惯性力，惯性力作用于谐振梁的轴向，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双轴谐振式加速度计(樊尚春，仁杰.一种双轴谐振式微机械加速度计，北京航空航天大学，CN 1844932A)。该结构由质量块、支撑梁、音叉和力学放大系统组成，质量块呈“回”字型，四个音叉位于质量块的中间，呈中心对称布置，克服了质量块利用率不高的缺点，同时材料不均匀性和环境温度对四个音叉的影响一致，可通过差分检测消除环境温度对器件性能的影响，但实际上加工误差使得四个对称的谐振器的谐振频率并不完全相等，作用在四个谐振器上的热应力也不相同，则无法通过差分检测的方式消除热应力的影响。该结构的四个谐振器直接与固定基座相连，加工残余应力和热应力对谐振频率的影响很大，从而使得速度计的频率温度系数较大。“回”字型的质量块受到加工误差影响，易形成质量偏心，造成x轴和y轴交叉轴灵敏度过大。并且该结构的四个音叉相邻布置，电耦合较大，当谐振器的谐振频率相近时，会产生邻频干扰，降低加速度计的灵敏度。且该结构的四个谐振器无隔离结构，x、y轴交叉灵敏度大。

2010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：201010293127.9)，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、杠杆放大机构和外框架等组成，两个谐振器位于质量块上下两侧，质量块由四根折叠梁支撑，只用于检测一个轴的加速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温度系数、耦合系数小、灵敏度高、抗冲击能力强、交叉轴灵敏度小、易于实现高精度双轴加速度测量的双轴谐振式硅微加速度计结构。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于频率检测原理的双轴谐振式硅微加速度计，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线；加速度计机械结构由质量块、外框架、两对完全相同的谐振器和八个完全相同的一级杠杠放大机构组成。质量块位于结构的中间，一对谐振器上下对称布置在质量块的上下两侧，用于测量沿y轴输入的加速度，另一对谐振器左右对称布置在质量块的左右两侧，用于测量沿x轴输入的加速度，整个结构呈中心对称图形。每个谐振器都由两根谐振梁和线性梳状梳齿组成，且两根谐振梁的中间相连；每个谐振器的一端通过外框架与固定基座连接，另一端通过导向机构和刚性杆与一级杠杠放大机构的输出端相连，导向机构的两端与外框架相连；一级杠杆放大机构的支点端通过外框架与固定基座相连，一级杠杠放大机构的输入端与质量块连接，一级杠杆放大机构的输入端采用了多折梁；该固定基座安装在下层单晶硅衬底上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玻璃衬底部分之上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)采用四个谐振器，分别位于质量块的上下、左右两侧，可用于检测两个轴(x、y轴)的加速度；(2)质量块通过其四周的杠杠放大机构的输入端支撑使之悬空在衬底之上，避免采用了支撑梁支撑，简化了结构，且结构稳定，同时由加速度转换的惯性力有效地传递到谐振器上；(3)四个谐振器位于质量块的四周，增加了电信号之间的空间距离，大大减小电耦合，提高灵敏度；(4)该加速度计的谐振器和杠杆都通过外框架与固定基座相连，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对结构振动频率的影响，提高了谐振器谐振频率的稳定性，减小了频率的温度系数；(5)每个谐振器的谐振梁由两根梁组成，且梁的中间相连，实现了双边驱动，降低了高阶模态的干扰；(6)一级杠杆放大机构的支点端和输出端都采用了细梁结构，输入梁采用了多折梁结构，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；(7)一级杠杆放大机构的输出端通过刚性杆与谐振器连接，刚性杆在相应的加速度敏感方向的刚度较大，可以有效地将杠杆输出的惯性力传递给谐振梁；(8)导向机构与外框架相连，在相应加速度敏感方向的正交方向上有很大的刚度，隔离了与谐振器敏感方向正交的加速度，大大减小了x、y轴的交叉轴灵敏度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的双轴谐振式硅微加速度计的结构示意图。

图2是本发明的谐振器和一级杠杆放大机构的结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明基于谐振式硅微加速度计，用于测量平行于基座水平的两个轴向的加速度的测量仪器，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线。加速度计的机械结构由质量块1、外框架2、四个谐振器3a、3b、3c、3d和八个完全相同的一级杠杆放大结构4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、四个刚性杆7a、7b、7c、7d和四个导向机构6a、6b、6c、6d组成。质量块1布置在加速度计结构的中间，第一、三谐振器3a、3c对称布置在质量块1的上下两侧，该两个谐振器3a、3c的一端与外框架2相连，第一谐振器3a的另一端与第一导向机构6a连接，第三谐振器3c的另一端与第三导向机构6c连接，第一导向机构6a与第一刚性杆7a连接，第三导向机构6c与第三刚性杆7c连接；第一刚性杆7a的左右两端与第一、二一级杠杆放大机构4a、4b的输出端相连，第三刚性杆7c的左右两端与第五、六一级杠杆放大机构4e、4f的输出端相连，该第一、二、五、六一级杠杆放大机构4a、4b、4e、4f的支点端与外框架2相连，且输入端与质量块1相连；第二、四谐振器3b、3d对称布置在质量块1的左右两侧。该两个谐振器3b、3d的一端与外框架2相连，第二谐振器3b的另一端与第二导向机构6b连接，第四谐振器3d的另一端与第四导向机构6d连接，第二导向机构6b与第二刚性杆7b连接，第四导向机构6d与第四刚性杆7d连接；第二刚性杆7b的左右两端与第三、四一级杠杆放大机构4c、4d的输出端相连，第四刚性杆7d的左右两端与第七、八一级杠杆放大机构4g、4h的输出端相连，该四个一级杠杆放大机构4c、4d、4g、4h的支点端与外框架2相连，且输入端与质量块1相连；外框架2通过固定基座5a、5b、5c、5d使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。

四个谐振器的一端通过外框架2与固定基座5a、5b、5c、5d相连，减小了残余应力以及热应力对谐振器谐振频率的影响，大大减小频率的温度系数。第一、三导向机构6a、6c在x方向具有较大的刚度，较好地隔离了x方向运动对第一、三谐振器3a、3c的影响，第二、四导向机构6b、6d在y方向具有较大的刚度，较好地隔离了y方向运动对第二、四谐振器3b、3d的影响，从而减小了交叉轴灵敏度。第一、三刚性杆7a、7c的y方向刚度较大，而第二、四刚性杆7b、7d的x方向刚度较大，可以有效地将杠杆输出的惯性力传递给谐振梁。八个一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h的支点端通过外框架2与固定基座5a、5b、5c、5d相连，减小了残余应力以及热应力对杠杆放大倍数的影响。八个一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h的输入端与质量块1相连，从而将质量块1悬空在玻璃衬底之上。外框架2通过固定基座5a、5b、5c、5d使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上，第一、二、三、四谐振器3a、3b、3c、3d和一八个级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h都通过外框架2与基座5a、5b、5c、5d相连，大大减小了加工残余应力以及环境变化产生的热应力对加速度计性能的影响。

第一、二、三、四谐振器3a、3b、3c、3d结构相同，即每个谐振器由两根谐振梁14a、14b、两个固定驱动电极15a、15b、四个固定检测电极16a、16b、16c、16d以及活动梳齿17组成，两根谐振梁14a、14b的中间部分相连，采用双边驱动，即在两根谐振梁14a、14b的两侧布置了活动梳齿17，在活动梳齿17的外侧布置了驱动电极15a、15b和内侧布置了四个固定检测电极16a、16b、16c、16d，活动梳齿17与驱动电极15a、15b和固定检测电极16a、16b、16c、16d上的固定梳齿对插形成驱动电容和检测电容。以其中第一谐振器3a为例进行说明，如图2所示，第一谐振器3a由两根谐振梁14a、14b、固定驱动电极15a、15b、固定检测电极16a、16b、16c、16d和活动梳齿17组成。且两根谐振梁的中间相连，减小了干扰模态。固定驱动电极15a、15b上的固定梳齿与活动梳齿17形成驱动电容，在固定驱动电极15a、15b上施加带直流偏置的反相交流电压。活动梳齿17与固定检测电极16a、16b、16c、16d组成检测电容。

八个一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h结构相同。以其中一级杠杠放大机构4a、4b为例进行说明，如图2所示。一级杠杠放大机构4a、4b由杠杆10a、10b、支点端12a、12b、输出端13a、13b、和输入端11a、11b组成。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，支点端12a、12b和输出端13a、13b皆采用细梁结构，输入端11a、11b的梁为轴对称的多折梁。支点端细梁12a、12b的轴向与杠杆10a、10b轴向相互垂直，这也使得杠杆的放大倍数接近理想值。各一级杠杆放大机构4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h的输出端13a依次通过第一刚性杆7a和第一导向机构6a与第一谐振器3a相连，第一导向机构6a的两端与外框架2相连。

本发明的双轴谐振式硅微加速度计用于测量x和y两个方向的输入加速度，当有沿y方向的加速度输入时，在质量块1上产生惯性力，该惯性力经过四个一级杠杆放大机构4a、4b、4e、4f放大，施加在谐振器3a和3c的轴向。其中上谐振器3a受到的力为压力，谐振频率减小，而下谐振器3c的受到的力为拉力，谐振频率增大，检测上下谐振器3a、3c的频率之差作为输出，由测得的谐振频率解算出被测加速度。当有沿x方向的加速度输入时，在质量块1上产生惯性力，该惯性力经过四个一级杠杆放大机构4c、4d、4g、4h放大，施加在谐振器3b和3d的轴向。其中质量块右侧的谐振器3b受到的力为压力，谐振频率减小，而质量块左侧的谐振器3d的受到的力为拉力，谐振频率增大，检测左右两个谐振器3b、3d的频率之差作为输出，由测得的谐振频率解算出被测加速度。

Claims

1.一种双轴谐振式硅微加速度计，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，其特征在于：双轴谐振式硅微加速度计能够测量两个轴向的加速度，其中加速度计机械结构由质量块(1)、外框架(2)、四个谐振器(3a、3b、3c、3d)、八个一级杠杆放大机构(4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h)、四个刚性杆(7a、7b、7c、7d)和四个导向机构(6a、6b、6c、6d)组成，质量块(1)位于结构的中间，第一、三谐振器(3a、3c)对称布置在质量块(1)的上下两侧，该两个谐振器(3a、3c)的一端与外框架(2)相连，第一谐振器(3a)的另一端与第一导向机构(6a)连接，第三谐振器(3c)的另一端与第三导向机构(6c)连接，第一导向机构(6a)与第一刚性杆(7a)连接，第三导向机构(6c)与第三刚性杆(7c)连接；第一刚性杆(7a)的左右两端与第一、二一级杠杆放大机构(4a、4b)的输出端相连，第三刚性杆(7c)的左右两端与第五、六一级杠杆放大机构(4e、4f)的输出端相连，该第一、二、五、六一级杠杆放大机构(4a、4b、4e、4f)的支点端与外框架(2)相连，且输入端与质量块(1)相连；第二、四谐振器(3b、3d)对称布置在质量块的左右两侧，该两个谐振器(3b、3d)的一端与外框架(2)相连，第二谐振器(3b)的另一端与第二导向机构(6b)连接，第四谐振器(3d)的另一端与第四导向机构(6d)连接，第二导向机构(6b)与第二刚性杆(7b)连接，第四导向机构(6d)与第四刚性杆(7d)连接；第二刚性杆(7b)的左右两端与第三、四一级杠杆放大机构(4c、4d)的输出端相连，第四刚性杆(7d)的左右两端与第七、八一级杠杆放大机构(4g、4h)的输出端相连，该四个一级杠杆放大机构(4c、4d、4g、4h)的支点端与外框架(2)相连，且输入端与质量块(1)相连；外框架(2)通过固定基座(5a、5b、5c、5d)使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。

2.根据权利要求1所述的双轴谐振式硅微加速度计，其特征在于：八个一级杠杆放大机构(4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h)结构相同，其支点端(12a)和输出端(13a)都采用了细长梁，输入端(11a)采用了轴对称的多折梁结构。

3.根据权利要求1所述的双轴谐振式硅微加速度计，其特征在于：一级杠杆放大机构(4a)的输出端(13a)依次通过第一刚性杆(7a)和第一导向机构(6a)与第一谐振器(3a)相连，第一导向机构(6a)的两端与外框架(2)相连。

4.根据权利要求1所述的双轴谐振式硅微加速度计，其特征在于：第一、二、三、四谐振器(3a、3b、3c、3d)结构相同，即每个谐振器由两根谐振梁(14a、14b)、两个固定驱动电极(15a、15b)、四个固定检测电极(16a、16b、16c、16d)以及活动梳齿(17)组成，两根谐振梁(14a、14b)的中间部分相连，采用双边驱动，即在两根谐振梁(14a、14b)的两侧布置了活动梳齿(17)，在活动梳齿(17)的外侧布置了驱动电极(15a、15b)和内侧布置了四个固定检测电极(16a、16b、16c、16d)，活动梳齿(17)与驱动电极(15a、15b)和固定检测电极(16a、16b、16c、16d)上的固定梳齿对插形成驱动电容和检测电容。