CN102539832B - 一种田字形双轴谐振式硅微机械加速度计结构 - Google Patents

Abstract

一种“田”字形双轴谐振式硅微机械加速度计，其目的在于设计制作一种高灵敏度和高分辨率的双轴硅微机械加速度计。该结构的特点在于：(1)“田”字型质量块结构，最大化了质量块的体积，能更加有效的将加速度转化为惯性力。并且，结构整体呈对称分布，有利于抗噪声、抑制温度漂移。(2)结构外围“几”字型支撑梁有利于结构残余应力和温度应力的释放，减小了敏感方向上的支撑刚度。(3)谐振器一端“口”字型类弹簧梁的使用，降低了外部冲击对梁的影响，并对结构的残余应力有释放作用。(4)谐振器中音叉根部的弧形结构有效的减少了能量耦合，提高了谐振器的机械品质因数，易于实现闭环控制。

Description

一种田字形双轴谐振式硅微机械加速度计结构

技术领域

本发明涉及一种谐振式加速度计结构，特别是一种“田”字形双轴谐振式硅微机械加速度计结构，属于惯性导航设计领域的MEMS(Micro-electromechanical Systems)传感器设计方向。

背景技术

加速度计面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起而受到重视。20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的要求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。

加速度计按惯性检测质量的运动方式、支撑方式、有无反馈信号、加矩方式、敏感信号方式和工作原理可分为不同种类。其中，谐振式加速度计可直接把加速度转化为频率输出，避免了幅度测量的误差，不易受到环境噪声的干扰，而且准数字输出可简化接口电路，在传输和处理过程中也不易出现误差，并且具有高灵敏度、宽动态范围的优点，使得目前许多研究机构热衷于对其的研究。

但是，由于技术水平的限制，目前国内研制的谐振式硅微机械加速度计产品灵敏度和分辨率还不能达到高精度应用的要求，并且多数研究仅限于单轴加速度计，对双轴及多轴加速度计的研究相对不多。因而，研究谐振式硅微机械双轴加速度计并提高其灵敏度和分辨率，使其实现低噪声和大的动态范围是当前的首要任务。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种“田”字形双轴谐振式硅微机械加速度计结构，以提高加速度计的灵敏度和分辨率，实现双敏感方向的高精度测量。

本发明的技术方案：为了实现加速度计的高精度、高分辨率、抗过载能力强、抗干扰能力强的特点，采用“田”字型结构，包括基底、质量块、4个“几”型支撑梁、4个“口”字型类弹簧梁、4个细颈梁、8个一级放大杠杆、8个二级放大杠杆、4个谐振器、20个锚点；4个锚点通过“几”字型支撑梁将质量块固定在基底上，质量块通过一级放大杠杆、二级放大杠杆和谐振器一端以细颈梁相连，谐振器另一端通过折叠梁与锚点相连。当有加速度输入时，质量块将输入的加速度转化为惯性力，惯性力经杠杆放大后作用在谐振器上。谐振器在轴向惯性力的作用下谐振频率发生变化，通过检测谐振频率的变化量实现加速度的测量。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明提出的质量块结构在整个结构内呈“田”字型分布，使质量块的体积达到了最大，能更加有效的将加速度转化为惯性力，由于结构整体对于水平和垂直中轴线完全对称，有利于抗噪声、抑制温度漂移从而提高测量精度。

(2)“几”字型梁作为支撑结构，使本结构有利于残余应力和温度应力的释放，减小了两个正交敏感方向上的支撑刚度。

(3)谐振器一端“口”字型类弹簧梁的使用，减少外部冲击对梁的影响，对结构的残余应力有释放作用，提高了加速度计的灵敏度和抗过载能力。

(4)谐振器中音叉根部的弧形结构有效的减少了能量耦合，提高了谐振器的机械品质因数，易于实现闭环控制。。

附图说明

图1为本发明的一种“田”字形双轴谐振式硅微机械加速度计示意图；

图2为本发明的谐振器结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种“田”字形双轴谐振式硅微机械加速度计，包括：基底1、质量块2，4个“几”型支撑梁16、28、42、54，4个“口”字型类弹簧梁7、20、33、46，4个细颈梁9、22、35、49，8个一级放大杠杆5、11、18、25、31、37、44、50，8个二级放大杠杆6、12、19、26、32、38、45、51，4个谐振器8、21、34、47，20个锚点3、4、10、13、14、15、17、23、24、27、29、30、36、39、40、41、43、48、52、53；4个锚点17、27、43、53通过“几”字型支撑梁16、28、42、54将质量块2固定在基底1上，质量块2在整个基底1上呈“田”字型分布，敏感X和Y方向上的输入加速度；一级放大杠杆5、11、18、25、31、37、44、50和二级放大杠杆6、12、19、26、32、38、45、51通过锚点3、4、10、14、15、23、29、30、36、40、41、48固定在基底1上，二级放大杠杆6、12、19、26、32、38、45、51在敏感方向上的宽度大于一级放大杠杆5、11、18、25、31、37、44、50，使惯性力在传递过程中损耗较小；质量块2通过一级放大杠杆5、11、18、25、31、37、44、50和二级放大杠杆6、12、19、26、32、38、45、51和4个谐振器8、21、34、47的一端以4个细颈梁9、22、35、49相连，4个谐振器8、21、34、47另一端通过4个“口”字型类弹簧梁7、20、33、46与锚点13、24、39、52相连，“口”字型类弹簧梁能有效的减少外部冲击对梁的影响，对结构残余应力有释放作用，提高了加速度计的灵敏度和抗过载能力；如图2所示，谐振器8由音叉55、驱动结构56和检测结构57组成，音叉两侧对称布置驱动结构56，正中布置检测结构57，驱动结构56和检测结构57固定在基底1上；音叉根部的弧状结构58有效减少了能量耦合，提高了谐振器的机械品质因数；谐振器21、34、47和谐振器8结构相同。

本发明的工作过程：当有加速度输入时，质量块2将输入的加速度转化为惯性力，谐振器8、21、34、47在轴向惯性力的作用下谐振频率发生变化，通过检测谐振频率的变化量实现加速度的测量。如图1所示，本结构检测两个正交敏感方向x方向和y方向上的加速度。在x方向施加一个加速度，质量块2将产生的惯性力施加在一级放大杠杆18、25、44、50上，惯性力经过一级放大杠杆18、25、44、50和二级放大杠杆19、26、45、51放大后施加在谐振器21、47的轴向上，谐振器21、47一个承受压力，一个承受拉力，承受压力的谐振频率减小，而承受拉力的谐振频率增加，检测两个谐振频率之差作为输出。如图2所示，由谐振器的驱动结构56进行静电驱动，由中间的检测机构57进行电容拾振，由测得的频率解算出被测加速度值。在y方向施加一个加速度，质量块2将产生的惯性力施加在一级放大杠杆5、11、31、37上，惯性力经过一级放大杠杆和二级放大杠杆6、12、32、38放大后施加在谐振器8、34的轴向上，谐振器8、34一个承受压力，一个承受拉力，承受压力的谐振频率减小，而承受拉力的谐振频率增加，检测两个谐振频率之差作为输出。如图2所示，由谐振器的驱动结构56进行静电驱动，由中间的检测机构57进行电容拾振，由测得的频率解算出被测加速度值。综上所述，本发明提出了一种“田”字形双轴谐振式硅微机械加速度计形式，该结构体积小，稳定性好，抗冲击能力强，可实现两个正交方向上的高灵敏度、高分辨率的加速度测量，为此类加速度计在高精度领域的应用提供了有力的支持。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种“田”字形双轴谐振式硅微机械加速度计结构，其特征在于：包括基底、质量块、4个“几”字型支撑梁、4个“口”字型类弹簧梁、4个细颈梁、8个一级放大杠杆、8个二级放大杠杆、4个谐振器、20个锚点；其中的4个锚点将质量块固定在基底上，质量块通过一级放大杠杆、二级放大杠杆和谐振器一端以细颈梁相连，谐振器另一端通过“口”字型类弹簧梁与锚点相连；谐振器由音叉、驱动结构和检测结构组成，音叉根部采用弧状结构。 

2.如权利要求1所述的一种“田”字形双轴谐振式硅微机械加速度计结构，其特征在于：所述的质量块在整个基底内呈“田”字型分布，结构整体对于水平和垂直中轴线完全对称。 

3.如权利要求1所述的一种“田”字形双轴谐振式硅微机械加速度计结构，其特征在于：所述的“几”字型支撑梁，作为支撑结构，用于残余应力和温度应力的释放，减小两个正交敏感方向上的支撑刚度。 

4.如权利要求1所述的一种“田”字形双轴谐振式硅微机械加速度计结构，其特征在于：谐振器一端“口”字型类弹簧梁用于，减少外部冲击对梁的影响，对结构的残余应力有释放作用。 

5.如权利要求1所述的一种“田”字形双轴谐振式硅微机械加速度计结构，其特征在于：音叉根部的弧状结构减少了能量耦合，提高了谐振器的机械品质因数，易于实现闭环控制。 

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