CN103439529B - 基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，上层为真空封装盖板，下层为衬底，中层单晶硅上制作有加速度计机械结构；加速度计机械结构包括外框架、质量块、两个刚度调整组件、两个测加速度谐振器、两个测温谐振器和四个一级杠杆放大机构，测加速度谐振器对称布置在质量块的上、下两端，该两个测加速度谐振器的一端与外框架相连，另一通过刚度调整组件与左右对称的一级杠杆放大机构的输出端相连；各一级杠杆放大机构的支点端均与外框架相连，输入端分别与质量块相连；测温谐振器对称布置在质量块的左、右两侧，外框架通过固定基座使机械结构悬空在下层的单晶硅衬底之上。本发明提高了温度补偿的精度，且实时性好、灵敏度高。

Description

基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计

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领域，特别是一种基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计。

背景技术

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。硅微谐振梁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。因此硅微谐振式加速度计具有良好的发展前景。硅振梁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。

中国专利1（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：2008100255749）公开了一种硅振梁加速度计结构，该结构机械结构由质量块、谐振器和杠杆放大机构等组成，两个谐振器位于质量块中间，相邻对称布置，质量块由位于其四角的折叠梁支撑，提高了结构的稳定性和抗冲击能力。但是由于加工误差使得两个谐振器的谐振频率并不完全相等，作用在两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；而且该结构的两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；在全温范围内的温度实验发现，加速度计频率的温度系数高达160Hz/℃，标度因数的温度系数为0.67%/℃；此外在测试过程中发现该加速度计存在较大的电耦合，当两个谐振器的谐振频率相近时，会产生邻频干扰，从而无法识别所作用的加速度信号。

中国专利2（裘安萍，施芹，苏岩.硅微谐振式加速度计，南京理工大学，专利号：201010293127.9）公开了一种硅振梁加速度计的新结构，该结构由上下两层构成，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，机械结构由质量块、外框架、谐振器、导向机构和杠杆放大机构等组成，质量块位于结构中间，通过四根轴对称多折梁与外框架相连，提高了加速度计结构的稳定性和抗冲击能力，并在一定程度上提高了加速度计的灵敏度。两个完全相同的谐振器在质量块上下对称布置，大大减小电耦合，且两根谐振梁的中间相连，降低了高阶模态的干扰。谐振器、杠杆、导向机构和质量块都通过外框架与固定基座相连，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。在全温范围内的温度实验发现，该加速度计频率的温度系数从原来结构的160Hz/℃降至24～25Hz/℃，降低了84.4%；由于加工误差以及残余应力分布不均匀，两个谐振器的温度系数差为3～5Hz/℃，性能试验表明该加速度计的零偏稳定性优于50μg，标度因数稳定性优于100ppm。由此可见，减小温度误差是提高谐振式加速度计精度的关键。减小温度误差的方法有结构合理设计、优化工艺和温度补偿，其中温度补偿精度受到测温精度的影响。目前，测温方法通常采用加速度计内部的铂电阻或外部的温度测量，这两种方法受温度梯度和温度延时的影响，且测温精度不高，从而温度补偿精度不高，无法满足高精度谐振式加速度计的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时性好、温度系数低的基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，该硅振梁加速度计灵敏度高、稳定性好、抗冲击能力强且易于实现高精度测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，由上、中、下三层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入和输出线的加速度计真空封装盖板，下层单晶硅为加速度计的衬底，中层单晶硅上制作有加速度计机械结构，并且加速度计机械结构通过固定基座与下层单晶硅相连；所述加速度计机械结构包括外框架以及位于外框架内的质量块、两个刚度调整组件、两个测加速度谐振器、两个测温谐振器和四个一级杠杆放大机构，其中质量块位于整体结构的中间，第一、二测加速度谐振器对称布置在质量块的上、下两端，该第一测加速度谐振器的上端与外框架相连，第一测加速度谐振器的下端通过第一刚度调整组件与左右对称的第一、二一级杠杆放大机构的输出端相连，第二测加速度谐振器的下端与外框架相连，第二测加速度谐振器的上端通过第二刚度调整组件与左右对称的第三、四一级杠杆放大机构的输出端相连；各个一级杠杆放大机构的支点端均与外框架相连，各个一级杠杆放大机构的输入端分别通过一根对应直梁与质量块相连，质量块通过四根多折梁与外框架相连；第一、二测温谐振器对称布置在质量块的左、右两侧，该两个测温谐振器所在直线与敏感轴向y垂直，各个测温谐振器的两端均与外框架相连；外框架通过十二根与质量块的中心对称的固定基座使加速度计的机械结构部分悬空在下层的单晶硅衬底部分之上。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）两个测温谐振器位于质量块左右两侧，测温谐振器提供了加速度计内部的实时温度；两个测温点反映了加速度计结构的温度梯度，有利于建立较高精度的温度模型，从而提高了温度补偿的精度；（2）一级杠杆放大机构的输出端通过刚度调整组件与测加速度谐振器连接，刚度调整组件抑制了加速度计的侧向灵敏度，同时刚度调整组件具有的质量特性，提高了加速度计灵敏度；（3）一级杠杆放大机构的输入端采用细梁结构，降低了加工误差导致的杠杆力传递误差的放大；刚度调整组件的y方向刚度大，减少了杠杆输出效率的损耗；（4）使用多个分立的固定基座与外框架相连，有效的减少了干扰模态，并提高了加速度计结构的稳定性和抗冲击能力。

附图说明

图1是本发明基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计的结构示意图。

图2是本发明的谐振器、刚度调整组件和一级杠杆放大机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，采用SOI工艺制备，用于测量平行于基座水平的测量仪器，结合图1，该基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，由上、中、下三层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入和输出线的加速度计真空封装盖板，下层单晶硅为加速度计的衬底，中层单晶硅上制作有加速度计机械结构，并且加速度计机械结构通过固定基座与下层单晶硅相连；所述加速度计机械结构包括外框架2以及位于外框架2内的质量块1，两个刚度调整组件3a、3b，两个测加速度谐振器4a、4b，两个测温谐振器4c、4d和四个一级杠杆放大机构5a、5b、5c、5d，其中质量块1位于整体结构的中间，第一、二测加速度谐振器4a、4b对称布置在质量块1的上、下两端，该第一测加速度谐振器4a的上端与外框架2相连，第一测加速度谐振器4a的下端通过第一刚度调整组件3a与左右对称的第一、二一级杠杆放大机构5a、5b的输出端相连，第二测加速度谐振器4b的下端与外框架2相连，第二测加速度谐振器4b的上端通过第二刚度调整组件3b与左右对称的第三、四一级杠杆放大机构5c、5d的输出端相连，该两个测加速度谐振器4a、4b的一端均通过外框架2与固定基座6a～6n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；各个一级杠杆放大机构的支点端均与外框架2相连，各个一级杠杆放大机构的输入端分别通过一根对应直梁与质量块1相连，质量块1通过四根用作支撑梁的多折梁7a、7b、7c、7d与外框架2相连，增加了加速度计的稳定性，并提高其抗冲击能力，且轴对称的多折梁7a、7b、7c、7d不仅有效地释放残余应力，而且降低了交叉轴灵敏度；第一、二测温谐振器4c、4d对称布置在质量块1的左、右两侧，该两个测温谐振器4c、4d所在直线与敏感轴向y垂直，各个测温谐振器的两端均与外框架2相连，两个测温谐振器4c、4d提供了加速度计内部的实时温度，两个测温点反映了加速度计结构的温度梯度，有利于建立较高精度的温度模型，从而提高了温度补偿的精度；外框架2通过十二根与质量块1的中心对称的固定基座6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、6j、6k、6m、6n使加速度计的机械结构部分悬空在下层的单晶硅衬底部分之上，多个分立的固定基座6a～6n与外框架相连，可以有效的减少干扰模态，并提高加速度计结构的稳定性和抗冲击能力。

所述两个测加速度谐振器4a、4b，两个测温谐振器4c、4d，四个一级杠杆放大机构5a、5b、5c、5d和四根多折梁7a、7b、7c、7d均通过外框架2与对应位置的固定基座相连，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；所述四根多折梁7a、7b、7c、7d是轴对称结构，在x方向具有很大的刚度，而在y方向刚度较小。

结合图2，本发明的测加速度谐振器、刚度调整组件和一级杠杆放大机构的具体结构如下：

（1）两个测加速度谐振器4a、4b和两个测温谐振器4c、4d的结构相同，每个测加速度谐振器由两根谐振梁17a、17b，两个固定驱动电极14a、14b，四个固定检测电极15a、15b、15c、15d以及活动梳齿16组成，其中两根谐振梁17a、17b的中间部分相连，减小了干扰模态，采用双边驱动，在两根谐振梁17a、17b的两侧布置活动梳齿16，在活动梳齿16的外侧布置固定驱动电极14a、14b，活动梳齿16的内侧布置四个固定检测电极15a、15b、15c、15d，活动梳齿16与固定驱动电极14a、14b上的固定梳齿对插形成驱动电容，在固定驱动电极14a、14b上施加带直流偏置的反相交流电压，活动梳齿16与固定检测电极15a、15b、15c、15d上的固定梳齿对插形成检测电容。

（2）两个刚度调整组件3a、3b结构相同，每个刚度调整组件均由悬臂梁8和刚性构件9组成，刚度调整组件3a、3b具有的质量特性提高了加速度计灵敏度，且其y方向刚度很大，可以有效地将杠杆输出的惯性力传递给谐振梁；

（3）四个一级杠杆放大机构5a、5b、5c、5d的结构相同，每个一级杠杆放大机构由杠杆13、支点端11、输入端10和输出端12组成，其中支点端11、输入端10和输出端12均采用细梁结构，可以降低加工误差导致的杠杆力传递误差的放大，且经过合理设计可以使得力放大倍数接近杠杆放大机构的理想值；所述一级杠杆放大机构5a、5b、5c、5d的输出端12均通过刚度调整组件与测加速度谐振器相连，刚度调整组件3a、3b的悬臂梁8两端均与外框架2相连，在x方向具有很大的刚度，而在y方向刚度较小，较好地隔离了x方向运动对谐振器的影响。

本发明基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计用于测量y方向的输入加速度，当有沿y方向的加速度a输入时，在质量块m₁上产生惯性力F₁=m₁a，该惯性力分别作用于四个一级杠杆放大机构上，在刚性构件m₂上产生惯性力F₂=m₂a，在杠杆及小质量块的作用下，作用于谐振器每根谐振梁上的作用力为：

$F=-(\frac{A{m}_{1}a}{4}+\frac{m_{2}a}{2})$

式中，A为一级杠杆放大机构的放大倍数。其中上谐振器受到的力为压力，谐振频率减小，而下谐振器的受到的力为拉力，谐振频率增大，两个谐振器的频率差为：

Δf＝2f₀κ(Am₁+2m₂)a

式中，κ为与谐振梁结构参数相关的常数。可见，上下谐振器的频率差与输入加速度a成正比，通过检测上下谐振器的频率差，测量输入加速度。

Claims (7)

1.一种基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，其特征在于：由上、中、下三层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入和输出线的加速度计真空封装盖板，下层单晶硅为加速度计的衬底，中层单晶硅上制作有加速度计机械结构，并且加速度计机械结构通过固定基座与下层单晶硅相连；所述加速度计机械结构包括外框架(2)以及位于外框架(2)内的质量块(1)、两个刚度调整组件(3a、3b)、两个测加速度谐振器(4a、4b)、两个测温谐振器(4c、4d)和四个一级杠杆放大机构(5a、5b、5c、5d)，其中质量块(1)位于整体结构的中间，第一、二测加速度谐振器(4a、4b)对称布置在质量块(1)的上、下两端，该第一测加速度谐振器(4a)的上端与外框架(2)相连，第一测加速度谐振器(4a)的下端通过第一刚度调整组件(3a)与左右对称的第一、二一级杠杆放大机构(5a、5b)的输出端相连，第二测加速度谐振器(4b)的下端与外框架(2)相连，第二测加速度谐振器(4b)的上端通过第二刚度调整组件(3b)与左右对称的第三、四一级杠杆放大机构(5c、5d)的输出端相连；各个一级杠杆放大机构的支点端均与外框架(2)相连，各个一级杠杆放大机构的输入端分别通过一根对应直梁与质量块(1)相连，质量块(1)通过四根多折梁(7a、7b、7c、7d)与外框架(2)相连；第一、二测温谐振器(4c、4d)对称布置在质量块(1)的左、右两侧，两个测加速度谐振器(4a、4b)和两个测温谐振器(4c、4d)的结构相同，该两个测温谐振器(4c、4d)所在直线与敏感轴向y垂直，各个测温谐振器的两端均与外框架(2)相连；外框架(2)通过十二个与质量块(1)的中心对称的固定基座(6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、6j、6k、6m、6n)使加速度计的机械结构部分悬空在下层的单晶硅衬底部分之上。

2.根据权利要求1所述基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，其特征在于：所述两个刚度调整组件(3a、3b)结构相同，每个刚度调整组件均由悬臂梁(8)和刚性构件(9)组成。

3.根据权利要求1所述基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，其特征在于：所述两个测加速度谐振器(4a、4b)、两个测温谐振器(4c、4d)、四个一级杠杆放大机构(5a、5b、5c、5d)和四根多折梁(7a、7b、7c、7d)均通过外框架(2)与对应位置的固定基座相连。

4.根据权利要求1所述基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，其特征在于：所述四个一级杠杆放大机构(5a、5b、5c、5d)的结构相同，每个一级杠杆放大机构由杠杆(13)、支点端(11)、输入端(10)和输出端(12)组成，其中支点端(11)、输入端(10)和输出端(12)均采用细梁结构。

5.根据权利要求1所述基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，其特征在于：所述两个测加速度谐振器(4a、4b)的结构相同，每个测加速度谐振器(4a、4b)由两根谐振梁(17a、17b)、两个固定驱动电极(14a、14b)、四个固定检测电极(15a、15b、15c、15d)以及活动梳齿(16)组成，其中两根谐振梁(17a、17b)的中间部分相连，采用双边驱动，即在两根谐振梁(17a、17b)的两侧布置活动梳齿(16)，在活动梳齿(16)的外侧布置固定驱动电极(14a、14b)，活动梳齿(16)的内侧布置四个固定检测电极(15a、15b、15c、15d)，活动梳齿(16)与固定驱动电极(14a、14b)上的固定梳齿对插形成驱动电容、活动梳齿(16)与固定检测电极(15a、15b、15c、15d)上的固定梳齿对插形成检测电容。

6.根据权利要求1所述基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，其特征在于：所述四根多折梁(7a、7b、7c、7d)是轴对称结构。

7.根据权利要求4所述基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，其特征在于：所述一级杠杆放大机构(5a、5b、5c、5d)的输出端(12)均通过刚度调整组件与测加速度谐振器相连，刚度调整组件(3a、3b)的悬臂梁(8)两端均与外框架(2)相连。