CN103063877B - 带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器 - Google Patents

带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器 Download PDF

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Abstract

带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器，包括硅基和双端固定石英音叉，硅基上的质量块通过两个挠性梁与硅基相连，硅基表面在挠性梁同侧刻蚀有槽，槽的两端分别与质量块挠性梁和温度隔离结构下方的腔体相连，温度隔离结构由固定座和支撑梁组成，双端固定石英音叉的一端支座固定在温度隔离结构的固定座上，双端固定石英音叉的另一端支座固定在质量块上，双端固定石英音叉的两个叉齿通过固定端与支座相连，叉齿四周覆有电极；当有加速度作用传感器时，挠性梁支撑的质量块产生位移，对双端固定石英音叉拉或者压，从而改变其振动频率，石英对加速度的测量；本发明中的温度隔离结构能够降低温度对传感器灵的影响。

Description

带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器
技术领域
本发明属于微机械电子技术领域，具体涉及一种带有温度隔离结构的石英加速度传感器。
背景技术
目前，以双端固定石英音叉作为感知单元的加速度传感器逐渐取得广泛的应用。这类传感器具有频率输出、信噪比高、容易激励和测量等优点，可以应用在高精度数字导航系统中。这类加速度传感器的原理主要是将双端固定石英音叉粘贴在采用传统工艺加工的金属基础上，该基础上有挠性梁支撑的质量块，当加速度施加到传感器上时，质量块受惯性力作用产生位移，从而拉或者压双端固定石英音叉，改变双端固定石英音叉的振动频率，实现对加速度的测量。为了减小传感器的尺寸，金属基础要求足够小，但这也同时增加了加工工艺的难度。硅作为目前微机械电子系统主要的加工材料，具有精度高、尺寸小、便于大批量生产等优点。为了克服普通石英加速度传感器金属基础的不足，可以用硅作为基础材料取代金属。硅可以采用微机械电子相关的工艺加工，这样就可以减小传感器的尺寸和加工难度。但是硅晶体和石英晶体的热膨胀系数差别很大，当温度发生变化时，会在双端固定石英音叉内产生热应力，严重干扰加速度信号的测量。
发明内容
为了克服上述现有双端固定石英音叉加速度计的缺点，本发明的目的在于提供一种带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器，具有体积小，温度影响小，数字信号输出和分辨率高等优点；此传感器的双端固定石英音叉贴在硅材料加工的基础上，基础带有温度隔离结构能够有效的减小温度对传感器的影响。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器，包括硅基1和双端固定石英音叉4，硅基1上的质量块3通过两个挠性梁2与硅基1相连，硅基1表面在挠性梁2同侧刻蚀有槽5，槽5的两端分别与质量块3上位于挠性梁2一侧的腔体和温度隔离结构6下方的腔体相连，温度隔离结构6由固定座7和支撑梁8组成，固定座7通过支撑梁8连接到硅基1上，双端固定石英音叉4的一端支座9固定在温度隔离结构6的固定座7上，双端固定石英音叉4的另一端支座9固定在质量块3上，双端固定石英音叉4的两个叉齿11通过固定端10与支座9相连，叉齿11四周覆有电极。
所述的温度隔离结构6的支撑梁8在DA方向上的长度尺寸小于BA方向上的长度尺寸。
所述的支撑梁8采用L型结构，DA方向上的长度尺寸小于BA方向上的长度尺寸。
所述的支撑梁8一端采用L型结构，另一端采用T型结构，DA方向上的长度尺寸小于BA方向上的长度尺寸。
所述的槽5的深度、挠性梁2的厚度、支撑梁8的厚度分别和固定座7的厚度相同。
本发明的双端固定石英音叉4的叉齿11其四周附有电极，可以采用电路激励振动。当加速度沿敏感方向（SA）作用于由挠性硅梁2支撑的质量块3时，质量块受惯性力作用产生位移，从而拉或者压双端固定石英音叉4。双端固定石英音叉4的振动频率就会发生变化，这种变化可以通过激励电路检测出来，实现对加速度信号的感知和测量。本发明的温度隔离结构要求在双端固定石英音叉的叉齿11方向（DA）容易移动，同时保证双端固定石英音叉难于绕挠性梁2支撑轴（BA）弯曲。该传感器具有频率输出，体积小，敏感度高、温度影响低等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的硅基1截面示意图。
图3为本发明的硅基1示意图。
图4为双端固定石英音叉4示意图。
图5为温度隔离结构6的第二种结构形式。
图6为温度隔离结构6的第三种结构形式。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构与工作原理详细说明。
参见图1-图4，带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器，包括硅基1和双端固定石英音叉4，硅基1上的质量块3通过两个挠性梁2与硅基1相连，硅基1表面在挠性梁2同侧刻蚀有槽5，槽5的两端分别与质量块3挠性梁2一侧的腔体和温度隔离结构6下方的腔体相连，槽5为双端固定石英音叉4提供运动和振动空间；温度隔离结构6由固定座7和支撑梁8组成，固定座7通过支撑梁8连接到硅基1上，双端固定石英音叉4的一端支座9固定在温度隔离结构6的固定座7上，双端固定石英音叉4的另一端支座9固定在质量块3上，双端固定石英音叉4的两个叉齿11通过固定端10与支座9相连，叉齿11四周覆有电极，温度隔离结构6，能够保证双端固定石英音叉沿叉齿11方向（DA）容易移动，同时保证叉齿11不能绕挠性梁2支撑轴（BA）弯曲。
所述的温度隔离结构6的支撑梁8在DA方向上的长度尺寸小于BA方向上的长度尺寸。
所述的槽5的深度、挠性梁2的厚度、支撑梁8的厚度分别和固定座7的厚度相同。
参见图5，温度隔离结构6的支撑梁8采用L型结构，DA方向上的长度尺寸远小于BA方向上的长度尺寸。
参见图6，温度隔离结构6的支撑梁8一端采用L型结构，另一端采用T型结构，DA方向上的长度尺寸远小于BA方向上的长度尺寸。
硅基1的温度隔离结构6亦可以采用此结构形式。
本发明的工作原理是：本发明的双端固定石英音叉4存在逆压电效应，其四周附有电极，可以采用电路激励振动。当有加速度沿敏感方向（SA）作用于由挠性硅梁2支撑的质量块3时，双端固定石英音叉4产生轴向力。从而双端固定石英音叉4的振动频率发生变化，这种变化可以通过电路检测出来，实现对加速度信号的感知和测量。本发明的温度隔离结构保证双端固定石英音叉方向在叉齿11方向（DA）容易移动，同时阻碍叉齿11绕挠性梁2支撑轴（BA）弯曲。这种温度隔离结构既能减小温度对检测信号的影响又能保证传感器的灵敏度。该传感器具有频率输出，体积小，敏感度高、温度影响低等优点。

Claims (5)

1.带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器，其特征在于，包括硅基(1)和双端固定石英音叉(4)，硅基(1)上的质量块(3)通过两个挠性梁(2)与硅基(1)相连,硅基(1)表面在挠性梁(2)同侧刻蚀有槽(5)，槽(5)的两端分别与质量块(3)上位于挠性梁(2)一侧的腔体和温度隔离结构(6)下方的腔体相连，温度隔离结构(6)由固定座(7)和支撑梁(8)组成，固定座(7)通过支撑梁(8)连接到硅基(1)上，双端固定石英音叉(4)的一端支座(9)固定在温度隔离结构(6)的固定座(7)上，双端固定石英音叉(4)的另一端支座(9)固定在质量块(3)上，双端固定石英音叉(4)的两个叉齿(11)通过固定端(10)与支座(9)相连，叉齿(11)四周覆有电极。
2.根据权利要求1所述的带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器，其特征在于，所述的温度隔离结构(6)的支撑梁(8)在与石英音叉(4)平行的DA方向上的长度尺寸小于与石英音叉(4)垂直的BA方向上的长度尺寸。
3.根据权利要求1所述的带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器，其特征在于，所述的支撑梁(8)采用L型结构，石英音叉(4)平行的DA方向上的长度尺寸小于与石英音叉(4)垂直的BA方向上的长度尺寸。
4.根据权利要求1所述的带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器，其特征在于，所述的支撑梁(8)一端采用L型结构，另一端采用T型结构,石英音叉(4)平行的DA方向上的长度尺寸小于与石英音叉(4)垂直的BA方向上的长度尺寸。
5.根据权利要求1所述的带有温度隔离结构的硅基石英加速度传感器，其特征在于，所述的槽(5)的深度、挠性梁(2)的厚度、支撑梁(8)的厚度和固定座(7)的厚度相同。
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