CN102721831B

CN102721831B - 基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计

Info

Publication number: CN102721831B
Application number: CN2012101731005A
Authority: CN
Inventors: 周震; 冯丽爽; 王文璞; 谭斌; 杨功流; 姚保寅
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: CN102721831A

Abstract

本发明公开了一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，其振梁上镀有金属电极，振梁的一端与质量块连接，振梁的另一端与固定框连接；质量块的四个角分别通过四个折叠梁与固定框连接；固定框通过一连接臂与隔离框连接；隔离框通过另一连接臂与安装框连成一体。振梁与质量块之间通过两个空腔隔开；质量块的左右两侧与固定框之间通过空腔隔开；折叠梁与质量块的上下方和固定框之间通过空腔隔开；固定框与隔离框之间通过空腔隔开。该加速度计是在石英基片上采用常规的湿法腐蚀加工工艺去除构形空腔后得到。本发明设计的加速度计克服了已有技术中两个差动传感头间的机械耦合导致的测量盲区问题。

Description

基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计

技术领域

本发明涉及微机电系统(以下简称MEMS)中的微惯性传感技术领域，尤其涉及一种基于折叠梁结构的一体差动式的石英振梁加速度计。

背景技术

石英振梁加速度计是一种基于石英力频特性的MEMS惯性传感器，具有成本低、体积小、量程大、灵敏度高、标度因数稳定性好、直接数字输出等优点，可广泛应用于战术导弹姿态控制、惯性导航、大地重力测量、地球资源勘探以及微型机器人中，有着重要的军用价值和民用价值。

基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计是采用MEMS工艺将两个差动结构的传感头一体加工成型，与分体式石英振梁加速度计相比，能够有效隔离外界振动和热应力的影响。目前的一体式石英振梁加速度计(美国发明专利：US6807872 B2)主要以两个单传感头石英振梁加速度计通过装配形成差动式结构。

单传感头一体式石英振梁加速度计是通过再次装配形成差动结构的，因而两个传感头之间有较大的机械耦合，会导致较大的测量盲区。另外，挠性铰链的弹性刚度很大，使质量块在感知加速度计变化时运动幅度和反应灵敏度受到限制，降低了石英振梁加速度计的灵敏度，不易实现高精度的加速度测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计改变了传统石英振梁加速度计的结构，以克服已有技术中两个差动传感头间的机械耦合导致的测量盲区问题，又由于所用的折叠梁结构在石英基片的Y轴上的弹性刚度较小，因此还能有效降低阈值，提高石英振梁加速度计的检测灵敏度，从而实现高精度的加速度测量。

本发明的一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计是在一石英基片上加工制得，其特征在于：所述石英振梁加速度计上的左振梁(1)的一端与左质量块(2)连接，左振梁(1)的另一端与左固定框(3)连接；左质量块(2)的四个角分别通过第一折叠梁(7A)、第二折叠梁(7B)、第三折叠梁(7C)和第四折叠梁(7D)与左固定框(3)连接；左固定框(3)通过第二连接臂(6)与左隔离框(4)连接；左隔离框(4)通过第一连接臂(5)与安装框(10D)连成一体；左振梁(1)与左质量块(2)之间通过第五空腔(105)、第六空腔(106)隔开；左质量块(2)的左侧与左固定框(3)之间通过第三空腔(103)隔开；左质量块(2)的右侧与左固定框(3)之间通过第四空腔(104)隔开；左质量块(2)的下方与左固定框(3)之间通过第七空腔(107)隔开；左固定框(3)与左隔离框(4)之间通过第二空腔(102)隔开；

所述石英振梁加速度计上的右振梁(51)的一端与右质量块(52)连接，右振梁(51)的另一端与右固定框(53)连接；右质量块(52)的四个角分别通过第五折叠梁(57A)、第六折叠梁(57B)、第七折叠梁(57C)和第八折叠梁(57D)与右固定框(53)连接；右固定框(53)通过第四连接臂(56)与右隔离框(54)连接；右隔离框(54)通过第三连接臂(55)与安装框(10D)连成一体；右振梁(51)与右质量块(52)之间通过第十一空腔(115)、第十二空腔(116)隔开；右质量块(52)的左侧与右固定框(53)之间通过第九空腔(113)隔开；右质量块(52)的右侧与右固定框(53)之间通过第十空腔(114)隔开；右质量块(52)的上方与右固定框(53)之间通过第十三空腔(117)隔开；右固定框(53)与右隔离框(54)之间通过第八空腔(112)隔开。

本发明基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的优点在于：

1、本发明的石英振梁加速度计中，采用隔离框与连接臂的结构，能够有效隔离外界振动和热应力对振梁的影响。

2、本发明的石英振梁加速度计中，两个结构相同的差动结构的传感头通过MEMS加工技术一体加工而成，这种一体差动结构可以完全消除两个差动传感头间的机械耦合，消除测量盲区，降低测量误差，提高加速度计的检测精度。

3、本发明的石英振梁加速度计中，质量块的四角采用的折叠梁结构，能够使质量块沿石英基片的Y轴做面内(石英基片平面)运动，这种面内运动方式便于石英振梁加速度计的单片集成和辅助功能的扩展(例如增加微杠杆结构等)，而且折叠梁结构可以进一步隔绝热应力和高频干扰，从而提高了石英振梁加速度计的精度。

4、本发明的石英振梁加速度计中，采用折叠梁结构，因而省略了已有一体式石英振梁加速度计中的质量块支座，增大了质量块体积，这种折叠梁结构可以减小加速度计支承结构在石英基片的Y轴方向的弹性刚度，从而降低了阈值，提高加速度计的检测灵敏度，实现了对加速度计的高精度测量，能够满足航空航天和军事领域对高性能技术指标的要求。

5、本发明的石英振梁加速度计中，整片结构采用同一种石英材料，避免了由于不同材料热膨胀系数不同导致的热应力的影响。本发明还避免了传统石英振梁加速度计振梁电极的环周布电极法，而只设置正反面电极，避免了侧面电极的制作，能有效降低工艺难度和加工成本，易于批量生产。

附图说明

图1是以构形空腔特征表示的本发明基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的主视图。

图1A是带有灰度表示的图1。

图2是本发明基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的主视图。

图2A是带有灰度表示的图2。

图2B是本发明基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的前视等轴结构图。

图2C是本发明基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的后视等轴结构图。

图3是不同极性的电极结构图。

图4是在加速度作用下传感头单元的运动示意图。

1.左振梁	2.左质量块	3.左固定框	4.左隔离框
				5.第一连接臂	6.第二连接臂	7A.第一折叠梁	7B.第二折叠梁
7C.第三折叠梁	7D.第四折叠梁	8.左金属前电极	9.左金属后电极
				51.右振梁	52.右质量块	53.右固定框	54.右隔离框
55.第三连接臂	56.第四连接臂	57A.第五折叠梁	57B.第六折叠梁
				57C.第七折叠梁	57D.第八折叠梁	58.右金属前电极	59.右金属后电极
10.石英基片	10A.安装孔	10B.左凹槽	10C.右凹槽

10D.安装框	101.第一空腔	102.第二空腔	103.第三空腔
				104.第四空腔	105.第五空腔	106.第六空腔	107.第七空腔
112.第八空腔	113.第九空腔	114.第十空腔	115.第十一空腔
				116.第十二空腔	117.第十三空腔

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A所示，本发明的一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计是在石英基片10上采用常规的湿法腐蚀加工工艺去除构形空腔后得到。所述构形空腔包括有第一空腔101、第二空腔102、第三空腔103、第四空腔104、第五空腔105、第六空腔106、第七空腔107、第八空腔112、第九空腔113、第十空腔114、第十一空腔115、第十二空腔116、第十三空腔117；为了实现将本发明设计的加速度计与其它平台的安装，第一空腔101的外侧称为安装框10D，在所述安装框10D的四个角上开有安装孔10A；在安装框10D的左侧开有左凹槽10B，在安装框10D的右侧开有右凹槽10C。

参见图2、图2A、图2B、图2C所示，本发明的一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计包括有左振梁1、左质量块2、左固定框3、左隔离框4、第一连接臂5、第二连接臂6、第一折叠梁7A、第二折叠梁7B、第三折叠梁7C、第四折叠梁7D、左金属电极8、右振梁51、右质量块52、右固定框53、右隔离框54、第三连接臂55、第四连接臂56、第五折叠梁57A、第六折叠梁57B、第七折叠梁57C、第八折叠梁57D、右金属电极58；左振梁1与右振梁51的结构相同；左质量块2与右质量块52的结构相同；左固定框3与右固定框53的结构相同；左隔离框4与右隔离框54的结构相同；第一连接臂5与第三连接臂55的结构相同；第二连接臂6与第四连接臂56的结构相同；第一折叠梁7A、第二折叠梁7B、第三折叠梁7C、第四折叠梁7D、第五折叠梁57A、第六折叠梁57B、第七折叠梁57C和第八折叠梁57D的结构相同；左金属电极8与右金属电极58的结构相同。

在本发明中，左振梁1、左质量块2和左固定框3构成左传感头。

在本发明中，右振梁51、右质量块52和右固定框53构成右传感头。

参见图2B、图2C所示，在本发明中，左振梁1的前视面上镀有左金属前电极8，左振梁1的后视面上镀有左金属后电极9。

参见图2B、图2C所示，在本发明中，右振梁51的前视面上镀有右金属前电极58，右振梁51的后视面上镀有右金属后电极59。左金属前电极8、左金属后电极9、右金属前电极58和右金属后电极59的电极结构相同。

参见图3所示，振梁1上镀的电极的结构为两种不同极性的电极构成，中间部分称为中间电极801，所述中间电极801的两侧分别是左侧电极802、右侧电极803；当所述中间电极801为正极时，则左侧电极802、右侧电极803均为负电极。反之，当所述中间电极801为负极时，则左侧电极802、右侧电极803均为正电极。

在本发明中，左振梁1的一端与左质量块2连接，左振梁1的另一端与左固定框3连接；左质量块2的四个角分别通过第一折叠梁7A、第二折叠梁7B、第三折叠梁7C和第四折叠梁7D与左固定框3连接；左固定框3通过第二连接臂6与左隔离框4连接；左隔离框4通过第一连接臂5与安装框10D连成一体。左振梁1与左质量块2之间通过第五空腔105、第六空腔106隔开；左质量块2的左侧与左固定框3之间通过第三空腔103隔开；左质量块2的右侧与左固定框3之间通过第四空腔104隔开；左质量块2的下方与左固定框3之间通过第七空腔107隔开；左固定框3与左隔离框4之间通过第二空腔102隔开。

在本发明中，右振梁51的一端与右质量块52连接，右振梁51的另一端与右固定框53连接；右质量块52的四个角分别通过第五折叠梁57A、第六折叠梁57B、第七折叠梁57C和第八折叠梁57D与右固定框53连接；右固定框53通过第四连接臂56与右隔离框54连接；右隔离框54通过第三连接臂55与安装框10D连成一体。右振梁51与右质量块52之间通过第十一空腔115、第十二空腔116隔开；右质量块52的左侧与右固定框53之间通过第九空腔113隔开；右质量块52的右侧与右固定框53之间通过第十空腔114隔开；右质量块52的上方与右固定框53之间通过第十三空腔117隔开；右固定框53与右隔离框54之间通过第八空腔112隔开。

在本发明中，第一空腔101将石英基片10隔开分成左右两个传感头，通过在第一空腔101的上下各设置一个连接臂(即第一连接臂5、第三连接臂55)，可消除左右两个差动结构传感头间的机械耦合。

参见图1、图1A、图2、图2A、图2B所示，在本发明中，石英基片10的长度方向记为X轴，石英基片10的高度方向记为Y轴，石英基片10的厚度方向记为Z轴。左质量块2所承载的惯性力加载在左振梁1的Y轴方向上；右质量块52所承载的惯性力加载在右振梁51的Y轴方向上。在本发明中，加速度计的敏感轴方向也就是石英基片10的Y轴方向。

参见图4所示，在本发明中，质量块的四角采用折叠梁结构，当质量块在敏感轴向的加速度作用下，能够沿石英基片的Y轴方向做同一平面内的运动。此时，质量块所受的加速度等效力F加载在振梁上，使振梁沿X轴方向弯曲振动。

本发明设计的加速度计的工作原理：

将交流电的正极加载在左金属前电极8、左金属后电极9、右金属前电极58和右金属后电极59的正极(即中间电极)上，将交流电的负极加载在左金属前电极8、左金属后电极9、右金属前电极58和右金属后电极59的负极(即左侧电极、右侧电极)上；在驱动电压的作用下振梁(即左振梁1和右振梁51)起振，致使振梁在X轴方向弯曲振动。由于折叠梁(即第一折叠梁7A、第二折叠梁7B、第三折叠梁7C、第四折叠梁7D、第五折叠梁57A、第六折叠梁57B、第七折叠梁57C和第八折叠梁57D)在石英基片的Y轴方向的等效刚度很低，因而质量块(即左质量块2和右质量块52)只能敏感到Y轴方向上的加速度，可以降低交叉加速度误差；当加速度作用时，本发明的一体差动式石英振梁加速度计感受到Y轴方向的加速度变化，通过质量块将加速度转化为惯性力，由于石英晶体的力频特性，振梁的固有频率会发生变化。通过检测两个差动结构传感头中振梁的频差信号，就可实现加速度计敏感轴方向加速度的检测。两个差动结构的传感头通过MEMS加工技术一体加工而成，这种一体差动结构可以完全消除两个差动传感头间的机械耦合，消除加速度计的检测盲区，提高石英振梁加速度计的检测精度。

综上所述，本发明在设计上对石英振梁加速度计进行了创新，由于采用的折叠梁结构在敏感轴方向的等效刚度很低，因此有效降低了阈值，提高了石英振梁加速度计的检测灵敏度。另一方面，从结构设计上可消除两个差动结构传感头间的机械耦合，消除加速度计的检测盲区，提高石英振梁加速度计的检测精度。本发明在工艺加工过程中，避免了传统石英振梁加速度计振梁电极的环周布电极法，而仅设置正反面电极，有效降低了工艺难度和加工成本，易于批量生产。

Claims

1.一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计是在一石英基片上加工制得，其特征在于：所述石英振梁加速度计上的左振梁（1）的一端与左质量块（2）连接，左振梁（1）的另一端与左固定框（3）连接；左质量块（2）的四个角分别通过第一折叠梁（7A）、第二折叠梁（7B）、第三折叠梁（7C）和第四折叠梁（7D）与左固定框（3）连接；左固定框（3）通过第二连接臂（6）与左隔离框（4）连接；左隔离框（4）通过第一连接臂（5）与安装框（10D）连成一体；左振梁（1）与左质量块（2）之间通过第五空腔（105）、第六空腔（106）隔开；左质量块（2）的左侧与左固定框（3）之间通过第三空腔（103）隔开；左质量块（2）的右侧与左固定框（3）之间通过第四空腔（104）隔开；左质量块（2）的下方与左固定框（3）之间通过第七空腔（107）隔开；左固定框（3）与左隔离框（4）之间通过第二空腔（102）隔开；

所述石英振梁加速度计上的右振梁（51）的一端与右质量块（52）连接，右振梁（51）的另一端与右固定框（53）连接；右质量块（52）的四个角分别通过第五折叠梁（57A）、第六折叠梁（57B）、第七折叠梁（57C）和第八折叠梁（57D）与右固定框（53）连接；右固定框（53）通过第四连接臂（56）与右隔离框（54）连接；右隔离框（54）通过第三连接臂（55）与安装框（10D）连成一体；右振梁（51）与右质量块（52）之间通过第十一空腔（115）、第十二空腔（116）隔开；右质量块（52）的左侧与右固定框（53）之间通过第九空腔（113）隔开；右质量块（52）的右侧与右固定框（53）之间通过第十空腔（114）隔开；右质量块（52）的上方与右固定框（53）之间通过第十三空腔（117）隔开；右固定框（53）与右隔离框（54）之间通过第八空腔（112）隔开。

2.根据权利要求1所述的基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于：左振梁（1）、左质量块（2）和左固定框（3）构成左传感头；右振梁（51）、右质量块（52）和右固定框（53）构成右传感头。

3.根据权利要求1所述的基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于：左振梁（1）的前视面上镀有左金属前电极（8），左振梁（1）的后视面上镀有左金属后电极（9）；右振梁（51）的前视面上镀有右金属前电极（58），右振梁（51）的后视面上镀有右金属后电极（58）；左金属前电极（8）、左金属后电极（9）、右金属前电极（58）和右金属后电极（59）的结构相同。

4.根据权利要求3所述的基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于：左金属前电极（8）、左金属后电极（9）、右金属前电极（58）和右金属后电极（59）的结构为两种不同极性的电极构成，中间部分称为中间电极（801），所述中间电极（801）的两侧分别是左侧电极（802）、右侧电极（803）；当所述中间电极（801）为正极时，则左侧电极（802）、右侧电极（803）均为负电极；反之，当所述中间电极（801）为负极时，则左侧电极（802）、右侧电极（803）均为正电极。

5.根据权利要求1所述的基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于：质量块的四角采用折叠梁结构，能够使质量块沿石英基片的Y轴方向做同一平面内的运动。