CN102495236A

CN102495236A - 一种高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计

Info

Publication number: CN102495236A
Application number: CN2011103793073A
Authority: CN
Inventors: 樊尚春; 孙苗苗; 李成; 李庆丰
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2012-06-13

Abstract

一种高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计，它由包括质量块、微杠杆放大机构、音叉谐振器、静电梳齿驱动器及梳齿电容检测器的上层机械部分和包括信号线及电极的下层部分组成，其中加速度计结构的上层部分制作在单晶硅片上，下层部分制作在玻璃衬底上。上层机械机构采用一个方形质量块敏感两个正交方向的加速度，四个结构参数相同的谐振器的一端通过锚点固定在基底上，另一端通过微杠杆机构与质量块相连，四个完全相同的一级微杠杆分别连接在质量块的四个顶角。上层机械机构通过谐振器一端的锚点和微杠杆机构的支点梁锚点悬浮在下层的玻璃基底之上。本发明具有灵敏度高、解耦能力强、量程大、稳定性好、体积小、结构简单等优点，适用于汽车工业、航空航天、地震监测等领域。

Description

一种高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，涉及一种高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计，它作为微惯性器件广泛应用于汽车工业、航空航天、地震监测等领域。

背景技术

微机械加速度计是微机电系统中最为成功的器件之一，在民用与军事领域有广泛的应用前景，孕育着巨大的社会效益和经济效益。微机械加速度计研究的相关报道最早出现于20世纪70年代初，80年代单轴微机械加速度计产品面市，90年代末出现了多轴微机械加速度计，美国AD公司的ADXL系列微机械加速度计是最具代表性的产品之一。

加速度计根据所采用的敏感机理分为压阻式、压电式、电容式、力平衡式、热对流式、隧道电流式和谐振式等多种形式。其中谐振式加速度计通过测量谐振敏感元件固有振动频率的变化敏感被测加速度，其输出为频率信号，这种准数字信号具有很强的抗干扰能力，且加速度计输出无需A/D转换即可与数字处理器相连。采用微机械加工工艺制作的硅微谐振式加速度计除继承上述谐振式测量原理的优良特性外，还兼具硅微传感器体积小、重量轻、功耗低等优点，成为加速度计的重要发展方向。

实际应用中常需要双轴加速度计来测量加速度矢量，然而商品化的硅微谐振式加速度计大多为单轴加速度计，双轴谐振式硅微加速度计的研究非常少。

1999年，日本立命馆大学的Osamu Tabat在期刊Sensors and Actuators A上发表的文章Two-axis detection resonant accelerometer based on rigiditychange提出基于静电调节效应的双轴谐振式微加速度计实现方案，可以测量面内两正交方向的加速度，但是该结构对加工工艺要求较高，实现较为困难，并且该加速度计结构直接将谐振器与菱形质量块相连，没有刚度解耦结构，交叉灵敏度较大。

2005年，韩国汉城国立大学的Hyeon Cheol Kim在TRANSDUCERS′05国际会议上发表的文章Inertial-grade Out-of-plane and In-plane DifferentialResonant Silicon Accelerometers(DRXLS)提出了一种双轴谐振式硅微加速度计，该加速度计采用两个质量块实现水平和垂直两方向的加速度差动测量，因而体积较大，材料不均匀对器件性能的影响明显。

2007年，北京航空航天大学的任杰在《MEMS器件与技术》上发表的文章《硅基双轴谐振式微机械加速度计的设计与仿真》提出了一种硅基双轴谐振式微机械加速度计结构，该结构采用8个一级微杠杆机构放大惯性力，增大了加速度计在敏感方向上的刚度，因而灵敏度不高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种高灵敏度的双轴硅微机械谐振式加速度计，以解决现有双轴谐振式微加速度计灵敏度和分辨率不高、结构复杂、环境温度影响大等问题，用于高精度的二维加速度测量。

本发明的技术解决方案：一种高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计，由制作在单晶硅片上的上层机械机构和制作在玻璃基底(1)上的下层电极引线组成，上层机械机构包括：质量块(2)、四个音叉谐振器(4a、4b、4c、4d)、8个驱动梳齿(5a、5b、5c、5d、7a、7b、7c、7d)和检测梳齿(6a、6b、6c、6d)、四个微杠杆放大机构(9a、9b、9c、9d)和八个锚点(3a、3b、3c、3d、8a、8b、8c、8d)。质量块(2)的4个顶角分别连接四个微杠杆放大机构(79a、9b、9c、9d)，微杠杆放大机构的支点梁(11a、11b、11c、11d)通过锚点(3a、3b、3c、3d)固定在基底(1)上；4个谐振器(4a、4b、4c、4d)一端通过锚点(8a、8b、8c、8d)固定在基底(1)上，另一端通过微杠杆机构(79a、9b、9c、9d)与质量块(2)相连；每个音叉谐振器的两个谐振梁上制作有梳状排列的活动梳齿，每列活动梳齿与谐振器外侧的固定驱动梳齿(5a、5b、5c、5d、7a、7b、7c、7d)组成了8个静电梳齿驱动器，每列活动梳齿分别与两根谐振梁之间的固定检测梳齿(6a、6b、6c、6d)组成了8个梳齿电容检测器，12个固定梳齿(5a、5b、5c、5d、6a、6b、6c、6d、7a、7b、7c、7d)都固定在基底(1)上，所有的锚点(3a、3b、3c、3d、8a、8b、8c、8d)固定在玻璃衬底的基底键合点上，所述4个音叉谐振器(4a、4b、4c、4d)中，每两个轴线相互平行的音叉谐振器构成一组差动式谐振音叉结构，两组差动式音叉结构分别用于测量两个正交方向的被测加速度。音叉谐振器(4a、4b)差动式测量Y方向的被测加速度，音叉谐振器(4c、4d)差动式测量X方向的被测加速度。静电梳齿驱动器产生的静电力激励音叉谐振器以其固有频率振动，通过测量梳齿电容检测器电容量的变化，即可得到音叉谐振器的固有振动频率，进而换算出被测加速度值。

所述的质量块、微杠杆放大机构、音叉谐振器、静电梳齿驱动器和梳齿电容检测器均采用标准体硅工艺制作，所用材料为单晶硅。

所述基底的材料可选用温度特性与硅接近的硼硅酸玻璃Pyrex7740#，基底与音叉谐振器和微杠杆力放大机构之间通过锚点采用键合工艺相连接。

所述的微杠杆机构的输入梁和支点梁组成的弹性支撑实现了两个正交方向的解耦。

所述静电梳齿驱动器和梳齿电容检测器均由与基底连接的固定梳状齿和位于音叉谐振器的活动梳状齿组成，固定梳齿和基底间采用键合工艺连接。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用一个方形质量块(2)敏感两个正交方向的加速度；一级微杠杆放大机构的输入梁(10a、10b、10c、10d)和支点梁(11a、11b、11c、11d)组成的弹性支撑实现了两正交方向的解耦，提高了加速度计的灵敏度和分辨率，并降低了横向灵敏度；4个微杠杆放大机构(9a、9b、9c、9d)不仅实现了对惯性力的放大而且减小了因结构刚性连接所带来的惯性力损耗；4个音叉谐振器(4a、4b、4c、4d)分别布置在方形质量块的4个顶角，提高了微杠杆机构放大倍数；四个微杠杆放大机构的输入端将质量块稳定的悬浮于基底之上，使加速度计具有很高的稳定性；谐振敏感结构采用双端固定音叉谐振器，音叉两端通过细颈结构分别与微杠杆力放大机构的输出端和锚点固连，可有效减小音叉与外界的能量耦合，提高音叉谐振器的机械品质因数；四个音叉谐振器中，每两个轴线相互平行的音叉构成一组差动式布局，不仅提高了加速度计灵敏度而且有效消除了环境温度等因素引起的共模干扰。

附图说明

图1为本发明提出的高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计结构示意图；

图2为本发明中静电梳齿驱动器和梳齿电容检测器结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明上层机械机构包括质量块(2)、4个音叉谐振器(4a、4b、4c、4d)、8个驱动梳齿(5a、5b、5c、5d、7a、7b、7c、7d)和4个检测梳齿(6a、6b、6c、6d)、4个微杠杆放大机构(9a、9b、9c、9d)和8个锚点(3a、3b、3c、3d、8a、8b、8c、8d)。本发明整体结构为中心旋转对称图形，通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度；质量块为方形结构，其四角分别连接四个微杠杆力放大机构，通过优化微杠杆放大机构的结构参数，实现了对质量块惯性力的高效放大和两正交敏感方向的刚度解耦，使该加速度计具有较高的灵敏度，和优良的解耦特性。同时，一级微杠杆放大机构结构简单，保证了良好的工艺性。音叉谐振器一端通过杠杆机构与质量块相连，另一端通过锚点(8a、8b、8c、8d)与基底连接。4个音叉谐振器中每两个轴线相互平行的音叉(4a、4b)以及(4c、4d)构成2组差动结构。微杠杆放大机构的支点梁通过锚点(3a、3b、3c、3d)固定在基底(1)上。所有的锚点固定在玻璃衬底的基底键合点上，使上层机械结构悬浮在下层玻璃基底之上，增加了加速度计的稳定性和抗冲击能力。

每个音叉谐振器的两个谐振梁上制作有梳状排列的活动梳齿，每列活动梳齿分别与谐振器外侧的固定梳齿(5a、5b、5c、5d、7a、7b、7c、7d)组成了8个静电梳齿驱动器，每列活动梳齿分别与两根谐振梁之间的固定梳齿(6a、6b、6c、6d)组成了一个梳齿电容检测器，12个固定梳齿都固定在基底(1)上，驱动电极(12a、12b、12c、12d)给每个驱动梳齿施加带直流偏置的交流电压，驱动电极(14a、14b、14c、14d)给每个驱动梳齿施加带直流偏置的反相交流电压，敏感输出信号引线(13a、13b、13c、13d)分别将检测梳齿的信号输出，如图2所示。

质量块、微杠杆力放大机构、音叉谐振器、驱动梳齿和检测梳齿均采用标准体硅工艺制作，选用单晶硅作为材料。基底材料选用温度特性与硅接近的硼硅酸玻璃Pyrex7740#，基底与音叉谐振器和微杠杆力放大机构之间通过锚点采用硅-玻璃键合工艺相连接。

本发明的工作原理：质量块将被测加速度转化为惯性力，惯性力经过杠杆机构放大后作用于谐振敏感结构，使谐振敏感结构固有振动频率发生改变，通过测量谐振敏感结构的固有频率变化量即可换算出被测加速度值。如图1所示，当有X轴正方向的加速度分量时，质量块(2)产生的沿X负方向的惯性力作用于微杠杆力放大机构9c和9d的输入端，微杠杆力放大机构将质量块的惯性力放大后轴向施加于音叉谐振器4c和4d。音叉谐振器4d承受轴向拉力，固有振动频率增加；音叉谐振器4b承受轴向压力，固有振动频率减小，因此音叉谐振器4c和4d形成一组差动敏感结构。静电梳齿驱动器激励音叉谐振器4c和4d以固有频率振动，梳齿电容检测器检测音叉谐振器4c和4d的固有频率，将音叉谐振器4c和4d的固有频率之差作为加速度计的输出即可换算出沿X轴正方向加速度分量的值。当有沿X轴负方向的加速度分量时，音叉谐振器4c的固有振动频率减小，音叉谐振器4d的固有振动频率增加，将音叉谐振器4c和4d的固有频率之差作为加速度计输出即可换算出沿X轴负方向加速度分量的值。

与上述工作原理类似，当有沿Y轴方向的加速度分量时，音叉谐振器4a和4b构成一组差动敏感结构。在质量块惯性力作用下，音叉谐振器4a和4b中，一个音叉谐振器固有振动频率增加，另一个固有振动频率减小，将音叉谐振器4a和4b的固有频率之差作为加速度计输出，即可换算出沿Y轴方向加速度分量的值。

综上所述，本发明提出了一种结构新颖的高灵敏度差动式双轴硅微机械谐振加速度计，它灵敏度高、量程大、具有自解耦特性、稳定好、结构简单、可差动测量的正交二维加速度测量，适用于汽车工业、航空航天、地震监测等领域。

Claims

1.一种高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计，由制作在单晶硅片上的上层机械机构和制作在玻璃基底(1)上的下层电极引线(12、13、14)组成，上层机械机构包括质量块(2)、4个微杠杆放大机构(9a、9b、9c、9d)、4个音叉谐振器(4a、4b、4c、4d)、8个固定驱动梳齿(5a、5b、5c、5d、7a、7b、7c、7d)和4个固定检测梳齿(6a、6b、6c、6d)和8个锚点(3a、3b、3c、3d、8a、8b、8c、8d)组成；其特征在于：质量块的四个顶角分别连接四个微杠杆放大机构，微杠杆放大机构的支点梁(11a、11b、11c、11d)通过锚点(3a、3b、3c、3d)固定在基底上；四个谐振器一端通过锚点(8a、8b、8c、8d)固定在基底上，另一端通过微杠杆机构与质量块相连；每列活动梳齿与谐振器外侧的固定梳齿组成了8个静电梳齿驱动器，每列活动梳齿分别与两根谐振梁之间的固定梳齿组成了8个梳齿电容检测器，所有12个固定梳齿都固定在基底上，所有的锚点固定在玻璃衬底的基底键合点上，4个音叉谐振器中，每两个轴线相互平行的音叉谐振器构成一组差动式谐振音叉结构，谐振器(4a、4b)差动测量Y方向的被测加速度，谐振器(4c、4d)差动测量X方向的被测加速度。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计，其特征在于：所述的质量块、微杠杆放大机构、音叉谐振器、静电梳齿驱动器和梳齿电容检测器均采用标准体硅工艺制作，所用材料为单晶硅。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计，其特征在于：所述的基底材料选用温度特性与硅接近的硼硅酸玻璃Pyrex7740#，基底与音叉谐振器和微杠杆力放大机构之间通过锚点采用键合工艺相连接。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计，其特征在于：所述微杠杆放大机构的输入梁(10a、10b、10c、10d)和支点梁(11a、11b、11c、11d)组成的弹性支撑实现了两个正交方向的自解耦，使两个方向的灵敏度、分辨率都较高。

5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计，其特征在于：所述梳齿驱动器和检测器均由与基底连接的固定梳状齿和它们之间的活动梳状齿组成，活动梳齿位于组成音叉谐振器的两根梁上，固定梳齿和基底间采用键合工艺连接。