CN103675350B

CN103675350B - 一种硅微静电悬浮加速度计

Info

Publication number: CN103675350B
Application number: CN201310692808.6A
Authority: CN
Inventors: 马高印; 韩丰田; 张龙; 游鹏程; 严小军
Original assignee: China Aerospace Times Electronics Corp
Current assignee: China Aerospace Times Electronics Corp
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: CN103675350A

Abstract

一种硅微静电悬浮加速度计，涉及MEMS微惯性器件及仪表。它包括测控系统、金属基座和表头；所述测控系统由垂直堆栈的四层电路组成；所述四层电路依次包括数字控制板、模数数模接口板、主体检测板和前置检测板；所述表头焊接于前置检测板上；金属基座上有安装孔和安装凸台；所述数字控制板、模数数模接口板和主体检测板依次连接并固定于金属基座的安装孔上；前置检测板固定于金属基座的安装凸台上。本发明分辨率高、安装误差的稳定性好，具有局部温控功能而且结构紧凑。

Description

一种硅微静电悬浮加速度计

技术领域

本发明涉及MEMS微惯性器件及仪表，特别涉及微静电悬浮加速度计。

背景技术

微静电悬浮加速度计将静电悬浮与MEMS工艺相结合，采用六自由度闭环悬浮的检验质量来检测三轴线加速度，具有成本低、体积小、重量轻、潜在分辨率高、多轴集成等特点，在微小卫星无拖曳控制、星载重力测量、矿产资源地震勘探、高精度水平检测等方面具有独特的应用价值。

采用非硅MEMS工艺制作六自由度微静电悬浮加速度计时，近100um厚的径向电极需要用SU-8负胶，但该胶去除困难，往往导致结构损坏。同时，对微电镀后的图形化径向电极从顶部进行减薄和抛磨时，难以保证其高度的一致性和精度。在上玻璃定子在回流焊接键合时，也很难保证上定子与自由检验质量之间轴向间隙的精确性和一致性。该专利以实现悬浮结构制备为目标，并未针对提高径向分辨率进行特殊设计。也未见其它针对提高微静电悬浮加速度计相关的研究报道。

目前，硅微静电悬浮加速度计的研究主要集中于器件级的微结构制备工艺，比如采用喷砂打孔或湿法去除铝牺牲层等方式来释放位于中间层的自由微结构，关于其相关的测控系统、高精度安装及工程化研究较少。目前已有的研究中，加工完成的表头直接安装在PCB电路板上进行测试试验，PCB电路板本身的应力变形和温度蠕变等因素导致安装误差很大，直接限制了加速度计的分辨率和精度水平。此外，与微静电悬浮加速度计配套的测控电路体积大、功耗高、工程实用性差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种硅微静电悬浮加速度计，分辨率高、安装误差的稳定性好，具有局部温控功能而且结构紧凑。

本发明的技术解决方案是：一种硅微静电悬浮加速度计，包括测控系统、金属基座和表头；所述测控系统由垂直堆栈的四层电路组成；所述四层电路依次柔性连接，包括数字控制板、模数数模接口板、主体检测板和前置检测板；所述模数数模接口板还与前置检测板柔性连接；所述表头焊接于前置检测板上；金属基座上有安装孔和安装凸台；所述数字控制板、模数数模接口板和主体检测板之间依次连接并固定于金属基座的安装孔上；前置检测板固定于金属基座的安装凸台上。

所述表头采用垂直堆栈的上玻璃层、中间硅层和下玻璃层；上玻璃层和下玻璃层的轴向加力电极、轴向检测电极和公共电极（5）单独排布；所述中间硅层包括检验质量、径向加力电极和径向检测电极；所述检验质量为正方形且四边带有梳齿；径向加力电极和径向检测电极单独排布于检验质量的外缘且与检测质量构成构成外梳齿阵列；径向加力电极均匀分布于检验质量每条边的两端；径向检测电极均匀分布于检验质量的每条边的中间。

所述前置检测板采用复合陶瓷材料，所述金属基座的安装凸台的上表面的平面度小于或等于0.01。

所述金属基座上开有凹槽，凹槽的内壁上贴有温控装置，表头焊接于前置检测板的下表面且位于凹槽中间。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）本发明设计了垂直堆栈的四层电路作为测控装置，将表头焊接在测控装置上，整个微加速度计具有结构紧凑、分辨率高、体积小、重量轻的优点，在需要高分辨率的场合如微小卫星无拖曳控制、星载重力测量、地震检波器等方面具有良好的应用前景。

（2）本发明对表头的结构进行了设计，在玻璃-硅-玻璃三明治结构的基础上，设计了轴向加力电极、轴向检测电极和公共电极（5）的单独排布，避免了电极复用引入的电路噪声；同时，设计了外带梳齿式的检验质量及与之相配合的四周环绕型梳齿式径向加力电极和径向检测电极，可大幅提高径向电容式微位移检测的分辨率。

（3）本发明将表头安装于高刚度的陶瓷电路板上，再固定在具有高平面度的金属基座凸台上，与安装在普通FR4材质PCB上的方式相比，可以有效减小安装误差及其受应力和温度的影响，保持安装误差的高稳定特性；

（4）本发明通过设计带有凹槽的金属基座，不仅提高了前置检测板和表头的安装精度，而且通过在金属基座的凹槽侧壁安装温控装置，形成了局部温控区，在不扩大体积的情况下，实现微小温控和温补功能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的金属基座结构示意图；

图3为本发明的中间层径向电极排布示意图；

图4为本发明的表头的三维分解示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括测控系统、金属基座14和表头。测控系统由垂直堆栈的四层电路组成。四层电路由上之下依次包括数字控制板23、模数数模接口板22、主体检测板21和前置检测板16。四层电路之间依次采用数据与逻辑柔性电路17、前置位移检测信号柔性电路18、主体位移检测信号柔性电路19连接，模数数模接口板22还与前置检测板16通过加力柔性电路15连接，柔性电路应具有良好的电磁屏蔽功能。为控制整体体积，每层电路板的体积小于5cm3。数字控制板23上安装有测控系统接口24，用于±12V电源输入、RS422数字输出及输入/输出测试。上面三层电路板单独采用贯穿螺钉12固定，与最底层的前置检测板16板无刚性连接。为了便于安装，最下层的前置检测板16的面积小于其他每一层电路板的面积。表头采用LCC封装，并焊接于前置检测板16底部。测控系统采用电容检测、静电加力和六自由度数字控制方式，基于力/力矩平衡原理，将表头的检验质量7悬浮工作于平衡位置，实现三自由度线加速度的集成检测。本发明的测控系统结构紧凑、安装误差小且稳定性高、工程实用性强，在径向两个线性运动自由度可实现超高分辨率。

如图2所示，金属基座14上有四个安装凸台26、四个安装孔27和四个固定连接孔28。金属基座14固定连接孔28位于金属基座14的外缘，用于与被测量设备的外壳连接。金属基座14的底部有基准凸台29，金属基座14的安装凸台26的上表面的平面度小于或等于0.01，安装凸台26上有定位螺孔25。结合图1所示，数字控制板23、模数数模接口板22和主体检测板21采用贯穿螺钉12依次连接，并固定至金属基座14的四个安装孔27处，各层之间还可以采用5mm～10mm高的六边形金属套管13支撑固定，套管长度应与所需层间高度匹配。前置检测板16厚度为3mm，采用复合陶瓷材料加工，通过固定螺钉20固定安装在金属基座14的安装凸台26上，为加速度计提供基准，安装凸台26的高度为2mm。由于安装凸台26的上表面具有很好的平面度，所以保证了前置检测板16和表头的安装精度。将表头安装于高刚度的陶瓷电路板上，再固定在具有高平面度的金属基座14凸台上，与安装在普通FR4材质PCB上的方式相比，可以有效减小安装误差及其受应力和温度的影响，保持安装误差的高稳定特性。金属基座14上还开有大小为20×20mm的凹槽31。凹槽31边缘有四方的环形30，四方的环形30高出基座平面1mm，内侧总深度为5mm。凹槽31的内壁上贴有温控装置，把表头焊接于前置检测板16的下表面并使其正好位于凹槽31中间，可以实现对表头的温控。金属基座14底部有四个1mm高的方形凸台，用于定义加速度计工作的水平基准面。金属基座14最外侧有四个的螺钉孔，用于安装固定厚度为1mm～2mm的金属壳体，为整个加速度计测控系统提供电磁屏蔽功能。

如图3所示，表头采用玻璃-硅-玻璃三明治结构，即垂直堆栈的上玻璃层1a、中间硅层2和下玻璃层1b。表头采用体硅微加工工艺路线制备，与表面硅和UV-LIGA工艺相比，工艺稳定且易于获得大质量、图形化的检验质量7。上玻璃层1a和下玻璃层1b的结构相同，上玻璃层1a和下玻璃层1b的内表面分别通过溅射方式得到图形化的轴向检测电极4、轴向加力电极6和公共电极55，三种电极通过焊盘3上焊接的引线实现电信号传输。为了简化附图，图3中只在下玻璃层1b中表示了轴向检测电极4、轴向加力电极6和公共电极5。实际上在上玻璃层1a中，也有上述三种电极。

如图4所示，中间硅层2包括检验质量7、径向加力电极8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h和径向检测电极9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h。检验质量7为正方形10b且带有四边梳齿10a，采用ICP刻蚀工艺一次加工完成；检验质量7与上玻璃层1a和下玻璃层1b的轴向电极，以及硅层的径向电极均保持3～6um的间隙11。硅层的径向加力电极8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h和径向检测电极9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h单独排布于检验质量7的外缘且与检测质量构成外梳齿阵列，用于实现检验质量7沿z轴的转动和沿x、y轴平动三个自由度运动的闭环控制；径向加力电极8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h均匀分布于检验质量7每条边的两端；径向检测电极9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h均匀分布于检验质量7的每条边的中间。外梳齿阵列可以从结构上显著提高加速度计的径向分辨率水平。

上玻璃层1a和下玻璃层1b的公共电极5电气连接，用于施加六自由度运动差动电容式微位移检测所需的1MHz高频载波。上玻璃层1a的轴向检测电极4与下玻璃层1b的轴向检测电极4分别构成四对差动电极，用于检测悬浮检验质量7沿z轴平动、沿x、y轴转动的三自由度位移。径向检测电极9c、9h与径向检测电极9a、9f、径向检测电极9b、9e分别构成三对差动电极。其中，径向检测电极9c、与径向检测电极9d电气连接，径向检测电极9g与径向检测电极9h电气连接，用于检测悬浮检验质量7沿z轴转动、沿x、y轴平动的三自由度位移。七路位移信号经前置检测板16进行C/V转换和带通滤波后，经加力柔性电路15送至主体检测板21，再经二极管解调、差动放大及低通滤波处理后，经柔性电路送至模数数模接口板22。七路位移信号经A/D转换后，通过柔性电路送至数字控制板23经控制器进行矩阵变换后生成六自由度位移信号，经控制算法处理后产生控制信号并再次进行矩阵变换，通过柔性电路送至模数数模接口板22，产生16路D/A产生加力信号，这些加力信号通过柔性电路施加至置于前置检测板16上的表头的轴向加力电极6和径向加力电极8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h。采用六自由度闭环静电悬浮控制方式，维持检验质量7始终工作于零位平衡位置附近。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种硅微静电悬浮加速度计，其特征在于：包括测控系统、金属基座(14)和表头；所述测控系统由垂直堆栈的四层电路组成；所述四层电路依次由上到下包括柔性连接的数字控制板(23)、模数数模接口板(22)、主体检测板(21)和前置检测板(16)；所述模数数模接口板(22)还与前置检测板(16)柔性连接；所述表头焊接于前置检测板(16)上；金属基座(14)上有安装孔(27)和安装凸台(26)；所述数字控制板(23)、模数数模接口板(22)和主体检测板(21)依次连接并固定于金属基座(14)的安装孔(27)上；前置检测板(16)固定于金属基座(14)的安装凸台(26)上。

2.根据权利要求1所述的一种硅微静电悬浮加速度计，其特征在于：所述表头采用垂直堆栈的上玻璃层(1a)、中间硅层(2)和下玻璃层(1b)；上玻璃层(1a)和下玻璃层(1b)的轴向加力电极(6)、轴向检测电极(4)和公共电极(5)单独排布；所述中间硅层(2)包括检验质量(7)、径向加力电极(8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h)和径向检测电极(9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h)；所述检验质量(7)为正方形(10b)且带有四边梳齿(10a)；径向加力电极(8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h)和径向检测电极(9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h)单独排布于检验质量(7)的外缘且与检测质量构成外梳齿阵列；径向加力电极(8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h)均匀分布于检验质量(7)每条边的两端；径向检测电极(9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h)均匀分布于检验质量(7)的每条边的中间。

3.根据权利要求1所述的一种硅微静电悬浮加速度计，其特征在于：所述前置检测板(16)采用复合陶瓷材料，所述金属基座(14)的安装凸台(26)的上表面的平面度小于或等于0.01。

4.根据权利要求1所述的一种硅微静电悬浮加速度计，其特征在于：所述金属基座(14)上开有凹槽(31)，凹槽(31)的内壁上贴有温控装置，表头焊接于前置检测板(16)的下表面且位于凹槽(31)中间。