CN103901225B - 硅微谐振式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硅微谐振式加速度计，主要包括：一玻璃基底；硅微机械结构键合在玻璃基底表面，所述硅微机械结构包括一质量块及四个硅微机械结构单元，所述质量块为一中心对称结构，所述四个硅微机械结构单元围绕所述质量块两两对称设置；每一硅微机械结构单元包括一组谐振式双端音叉、一组微机械杠杆及一组解耦导向支撑，所述解耦导向支撑一端与所述质量块连接接收惯性力，另一端与所述微机械光杆的一力输入端相连，通过微机械杠杆的一力输出端将接收的惯性力传递给所述谐振式双端音叉。

Description

硅微谐振式加速度计

技术领域

本发明属于微电子机械系统的微惯性测量领域，具体涉及一种硅微谐振式加速度计。

背景技术

硅微谐振式加速度计具有稳定性高、分辨率高、动态范围大的特点，被认为是可以实现高精度测量的微电子机械系统(MEMS)惯性导航器件，在国防领域有着重要的应用。对于硅微谐振式加速度计高精度、小型化、高集成度的研究也得到开展。

然而，现有技术中的硅微谐振式加速度计存在着结构简单，解耦能力较弱、温度漂移、振动耦合等潜在问题。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种能够克服上述问题的硅微谐振式加速度计。

一种硅微谐振式加速度计，主要包括：一玻璃基底；硅微机械结构键合在玻璃基底表面，所述硅微机械结构包括一质量块及四个硅微机械结构单元，所述质量块为一中心对称结构，所述四个硅微机械结构单元围绕所述质量块两两对称设置；每一硅微机械结构单元包括一组谐振式双端音叉、一组微机械杠杆及一组解耦导向支撑，所述解耦导向支撑一端与所述质量块连接接收惯性力，另一端与所述微机械光杆的一力输入端相连，通过微机械杠杆的一力输出端将接收的惯性力传递给所述谐振式双端音叉。

与现有技术相比较，本发明提供的硅微谐振式加速度计，通过对称设计的解耦导向支撑系统，有效降低了敏感轴和正交轴的惯性力输入耦合，通过优化设计的杠杆和双端音叉键合锚区结构，有效降低了由于微机械机构和玻璃基底膨胀系数不同带来的温漂，从而提高了所述硅微谐振式加速度计的灵敏度。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的双轴集成硅微谐振式加速度计顶层硅微机械结构和键合锚区的平面示意图。

图2为本发明第一实施例提供的双轴集成硅微谐振式加速度计解耦导向支撑局部示意图。

图3为本发明第一实施例提供的双轴集成硅微谐振式加速度计双轴解耦示意图。

图4为本发明第一实施例提供的双轴集成硅微谐振式加速度计整体等轴侧三维立体视图。

图5为图1所述硅微谐振式加速度计中微机械杠杆的结构示意图及等效模型示意图。

图6为本发明第二实施例提供的双轴集成硅微谐振式加速度计设计平面示意图。

图7为本发明第二实施例提供的双轴集成硅微谐振式加速度计设计三维等轴侧示意图。

主要元件符号说明

玻璃基底	9，12
		质量块	1
谐振式双端音叉	2a、2b、2c、2d
		微机械杠杆	6a、6b、6c、6d、6a1、6a2、6b1、6b2、6c1、6c2、6d1、6d2
解耦导向支撑	8a、8b、8c、8d、8a1、8a2、8b1、8b2、8c1、8c2、8d1、8d2
		折叠梁	17a1、17a2、17a3、17a4、17b1、17b2、17b3、17b4、17c1、17c2、17c3、17c4、17d1、17d2、17d3、17d4
细长直梁	16a1、16a2、16b1、16b2、16c1、16c2、16d1、16d2
		导向块	15a1、15a2、15d1、15d2
力输入端	14a1、14a2、14d1、14d2
		力输出端	12a1、12a2、12d1、12d2
驱动电极	4a1、4a2、4b1、4b2、4c1、4c2、4d1、4d2
		检测电极	3a1、3a2、3b1、3b2、3c1、3c2、3d1、3d2
双端音叉力输入端	10a、10b、10c、10d
		键锚合区	5a、5b、5c、5d、7a、7b、7c、7d、7a1、7a2、7b1、7b2、7c1、7c2、7d1、7d2、18a1、18a2、18a3、18a4、18b1、18b2、18b3、18b4、18c1、18c2、18c3、18c4、18d1、18d2、18d3、18d4
电极引线	9a1、9a2、10a1、10a2、9b1、9b2、10b1、10b2、9c1、9d2、10c1、10c2、9d1、9d2、10d1、10d2、
		支点梁	13a2

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的硅微谐振式加速度计。

本发明提供的双轴集成硅微谐振式加速度计包括顶层可动硅微机械结构、键合锚区及玻璃基底。所述硅微机械结构可通过键合锚区键合在玻璃基底上，并可通过键合锚区连接溅射在玻璃基底上的电极引线。

所述可动硅微机械结构和键合锚区可通过SOG（Silicon-on-Glass）工艺加工而成。所述可动硅微机械结构包括一个质量块及四个硅微机械结构单元，所述质量块为一中心对称结构，且可悬浮于所述玻璃基底表面，与所述玻璃基底的表面间隔设置；所述四个硅微机械结构单元围绕所述质量块两两对称设置。每一硅微机械结构单元包括一组谐振式双端音叉、一组微机械杠杆及一组解耦导向支撑。所述解耦导向支撑通过所述微机械杠杆将惯性力传递给谐振式双端音叉。

所述解耦导向支撑包括一对折叠梁、一根细长直梁及一个导向块与所述玻璃基底间隔设置。所述导向块通过细长直梁连接质量块，通过一对折叠梁固定并约束运动，并通过与微机械杠杆的一力输入端相连传递惯性力。所述细长直梁为质量块提供在敏感轴的输入刚度和正交轴的支撑柔度。所述一对折叠梁对称设置于所述质量块在垂直于细长直梁方向上的两侧，每一折叠梁的一端可通过一键合锚区固定在玻璃基底的锚合台上，另一端连接导向块，支撑导向块敏感轴方向（细长直梁的方向）的运动，限制导向块正交轴方向（垂直于细长直梁的方向）运动。

对于每一组解耦导向支撑有其敏感方向和非敏感的正交方向。当敏感方向加速度输入时，细长直梁拉压通过导向块将惯性力传递给微机械杠杆；当正交方向加速度输入时，细长直梁弯曲，与之相连的导向块不运动，有效降低了正交力输入的耦合。

每组解耦导向支撑连接一组微机械杠杆。微机械杠杆具有一力输入端及与所述力输入端相对的力输出端，所述力输入端通过所述细长直梁与导向块相连。所述微机械杠杆通过力输出端与所述谐振式双端音叉的一谐振式双端音叉力输入端相连。所述微机械杠杆包括一支点梁设置于所述力输入端与力输出端之间，并靠近所述力输出端设置。所述支点梁一端与所述微机械杠杆相连，一端可通过一键锚合曲固定于玻璃基底的一锚合台上。所述支点梁作为所述微机械杠杆的支点。

所述谐振式双端音叉包括相对的两端，一端为所述谐振式双端音叉力输入端，另一端通过固定在玻璃基底上。每组谐振式双端音叉包含两根对称设置的谐振梁，通过驱动电极和检测电极控制两根振梁振动在反相模态，减少能量泄露。

优选的，每一硅微机械结构单元包括两组微机械杠杆及两组解耦导向支撑。所述两组微机械杠杆及两组解耦导向支撑对称分布于谐振式双端音叉中心轴线两侧，能够进一步减缓音叉振动力耦合到质量块上，引起质量块扭转振动造成的干扰。进一步，在中心轴线方向上的两组谐振式双端音叉的谐振频率可不相同，从而在有效量程内避免自锁现象发生。

所述质量块、键合台、振梁、支撑梁等所用材料为单晶硅。

请参阅图1至图4，本发明第一实施例提供一种双轴集成硅微谐振式加速度计，所述可动硅微机械结构包括一个质量块(1)、四组谐振式双端音叉(2a、2b、2c、2d)、八组微机械杠杆(6a1、6a2、6b1、6b2、6c1、6c2、6d1、6d2)、八组解耦导向支撑(8a1、8a2、8b1、8b2、8c1、8c2、8d1、8d2)。

所述质量块（1）为一正方形结构，在所述正方形结构的四边分别设置有一凹口，所述四个凹口围绕所述正方形结构的对称轴完全对称分布。即以所述正方形结构的中心为原点建立坐标轴，则相对的两个凹口所在的对称轴方向为x轴，另外两个对称分布的凹口所在的对称轴为垂直于x的y轴。

述所述四组谐振式双端音叉（2a、2b、2c、2d）正交分布。具体的，所述谐振式双端音叉（2a）与谐振式双端音叉（2b）沿y轴分布；所述谐振式双端音叉（2c）与谐振式双端音叉（2d）沿x轴分布。所述y轴的谐振式双端音叉（2a）与谐振式双端音叉（2b）差分输出谐振频率，x轴的谐振式双端音叉（2c）与谐振式双端音叉（2d）差分输出谐振频率。所述谐振式双端音叉（2a）与谐振式双端音叉（2b）的谐振频率不同，类似的，所述谐振式双端音叉（2c）与谐振式双端音叉（2d）的谐振频率不同，从而能够有效的避免自锁现象的发生。

所述谐振式双端音叉（2a）包含对称分布于y轴两侧的两根谐振梁，一驱动电极（4a1）及一检测电极（3a1）对称分布于一谐振梁两侧，一驱动电极（4a2）及一检测电极（3a2）对称分布于另一谐振梁两侧。通过驱动电极（4a1、4a2）及检测电极（3a1、3a2）可以控制两根振梁振动在反相模态，从而能够减少能量泄漏。

同样的，所述谐振式双端音叉（2b）包括一驱动电极（4b1、4b2）及检测电极（3b1、3b2）依例设置于所述双端音叉（2b）中；所述双端音叉（2c）包括一驱动电极（4c1、4c2）及检测电极（3c1、3c2）依例设置于所述双端音叉（2c）中；所述双端音叉（2d）包括一驱动电极（4d1、4d2）及检测电极（3d1、3d2）依例设置于所述双端音叉（2d）中。在满足检测最小电容的前提下，两组谐振式双端音叉横向振动刚度相同、振梁质量相同、振梁梳齿的质量有微小差异，即可达到两组谐振式双端音叉的谐振频率相差几十至几百赫兹。在有效量程内避免自锁现象发生。所述梳齿质量微小差异对谐振频率的影响为：

其中为振梁振动方向等效刚度，为振梁等效集中质量（不含梳齿），为梳齿等效集中质量。

所述八组解耦导向支撑(8a1、8a2、8b1、8b2、8c1、8c2、8d1、8d2)均与所述质量块（1）相连且对称分布。所述解耦导向支撑(8a1、8a2)对称分布于谐振式双端音叉（2a）两侧、并与谐振式双端音叉（2a）的一端相连以输入力。同样的，所述解耦导向支撑(8b1、8b2)对称分布于谐振式双端音叉（2b）两侧、并共同与谐振式双端音叉（2b）的一端相连以输入力；所述解耦导向支撑(8c1、8c2)对称分布于谐振式双端音叉（2c）两侧、并与谐振式双端音叉（2c）的一端相连以输入力；所述解耦导向支撑(8d1、8d2)对称分布于谐振式双端音叉（2d）两侧、并与谐振式双端音叉（2d）的一端相连以输入力。

请参阅图2，以解耦导向支撑（8a2）为例详细说明。所述解耦导向支撑（8a2）包括一对折叠梁(17a3、17a4)、一根细长直梁(16a2)和一个导向块(15a2)。所述细长直梁（16a2）沿y方向延伸，所述导向块(15a2)通过细长直梁(16a2)连接质量块(1)。所述一对折叠梁（17a3、17a4）对称分布于细长直梁（16a2）在x方向上的两侧，通过折叠梁(17a3、17a4)固定并约束导向块（15a2）运动。所述折叠梁（17a3）的一端通过一键合锚区（18a3）固定于所述玻璃基底9上，另一端与所述导向块（15a2）相连；类似的，所述折叠梁（17a4）一端通过键锚合区（18a4）固定于所述玻璃基底9上，另一端与所述导向块（15a2）相连。所述折叠梁（17a3、17a4）用于支撑导向块（15a2）在敏感轴(y轴)方向的运动，并限制导向块（15a2）在正交轴(x轴)方向运动。

所述细长直梁（16a2）沿y方向延伸，一端与所述质量块（1）相连，另一端与所述导向块（15a2）相连。所述细长直梁（16a2）用于提供质量块（1）在敏感轴(y轴)的输入刚度和正交轴(x轴)的支撑柔度。

所述解耦导向支撑（8a2）与微机械杠杆（6a2）相连，具体的，所述微机械杠杆（6a2）沿x方向延伸，在延伸方向上所述微机械杠杆（6a2）包括一力输入端（14a2）及相对一力输出端（12a2）。所述微机械杠杆（6a2）的力输入端（14a2）与导向块（15a2）相连，以传递惯性力。所述力输出端（12a2）与谐振式双端音叉（2a）相连，以将接收的惯性力通过振梁（11a）及与振梁（11a）相连的谐振式双端音叉力输入端（14a2）传递给谐振式双端音叉（2a），所述谐振式双端音叉（2a）的另一端通过键合锚区（5a）固定于所述玻璃基底（9）上。

所述微机械杠杆（6a2）通过一支点梁（13a2）支撑，所述支点梁（13a2）设置于所述微机械杠杆（6a2）的力输入端（14a2）及力输出端（12a2）之间，并靠近所述力输出端（12a2）设置。所述支点梁（13a2）的一端支撑所述微机械杠杆（6a2），另一端通过一键锚合区（7a2）固定于所述玻璃基底（9）上。

类似的，所述可动硅微机械结构可通过多个键合锚区(5a、5b、5c、5d、7a1、7a2、7b1、7b2、7c1、7c2、7d1、7d2、18a1、18a2、18a3、18a4、18b1、18b2、18b3、18b4、18c1、18c2、18c3、18c4、18d1、18d2、18d3、18d4)固定在玻璃基底(9)上。

请一并参阅图3及图4，所述解耦导向支撑的解耦工作原理如下：以y轴分布的两组谐振式双端音叉(2a、2b)为例，当其敏感方向(y轴)加速度输入时，敏感方向的细长直梁(16a1、16a2、16b1、16b2)拉压通过导向块(15a1、15a2、15b1、15b2)将惯性力传递给微机械杠杆(6a1、6a2、6b1、6b2)，与此同时，正交方向(x轴)的细长直梁(16c1、16c2、16d1、16d2)弯曲，提供敏感方向的柔度支撑；当正交方向(x轴)加速度输入时，敏感方向(y轴)的细长直梁(16a1、16a2、16b1、16b2)弯曲，与之相连的导向块(15a1、15a2、15b1、15b2)不运动，有效降低了正交力输入的耦合。

进一步，由于硅微机械可动结构通过键合锚区固定在玻璃基底上，玻璃基底和硅结构的热膨胀系数不同。通过调整所述谐振式双端音叉键合锚区(5a、5b、5c、5d)、微机械杠杆支撑点键合锚区(7a1、7a2、7b1、7b2、7c1、7c2、7d1、7d2)以及解耦导向支撑键合锚区(18a1、18a2、18a3、18a4、18b1、18b2、18b3、18b4、18c1、18c2、18c3、18c4、18d1、18d2、18d3、18d4)的分布，调节由热膨胀系数不同引入的温度应力，使之与硅材料杨氏模量引入的负温度系数相互抵消，可以有效降低由微机械结构和玻璃基底膨胀系数不同带来的温漂。

请一并参阅图5，所示的微机械杠杆结构示意图和等效简化模型图，可推导出振梁受到温度变化时引入的温度应力F_g：

；

其中为输入轴方向杠杆的输入总刚度，为杠杆的放大倍数，为玻璃基底热膨胀系数，为硅结构热膨胀系数。为质量块垂直于输入轴方向的对称轴与振梁靠近对称轴一端的键合锚区的距离，振梁靠近对称轴一端键合锚区与振梁连接杠杆一端的距离，杠杆支撑梁键合锚区与杠杆的距离。

同时，随着温度变化，硅材料的杨氏模量变化也导致敏感结构输出信号的温度漂移。通过结构尺寸和锚点位置设计将膨胀结构应力导致的输出变化（为敏感轴质量，为重力加速度，SF为敏感轴标度因数）与杨氏模量温度效应导致的输出的变化进行相互抵消，即，据此调节各键合锚区位置，以达到削弱敏感结构整体温度应力的效果，可有效提高敏感结构输出信号的温度稳定性。

本发明提供的硅微谐振式加速度计，通过对称设计的解耦导向支撑系统，有效降低了敏感轴和正交轴的惯性力输入耦合。进一步，通过分离质量块相对两边的两组谐振式双端音叉的谐振频率，有效避免了振动自锁现象。另外，通过优化设计键合锚区，有效降低了由于微机械机构和玻璃基底膨胀系数不同带来的温漂，从而提高了所述硅微谐振式加速度计的灵敏度。

请一并参阅图6及图7，本发明第二实施例提供一种硅微谐振式加速度计，包括硅微机械结构、键合锚区及玻璃基底。所述硅微机械结构包括一个质量块(1)、四组谐振式双端音叉(2a、2b、2c、2d)、四组微机械杠杆(6a、6b、6c、6d)、四组解耦导向支撑(8a、8b、8c、8d)。所述硅微机械结构通过键合锚区(5a、5b、5c、5d、7a、7b、7c、7d)固定在玻璃基底(12)上。本发明第二实施例提供的微谐振式加速度计结构与第一实施例基本相同，其不同在于，所述质量块（1）的形状为完全对称的“十”字状结构，且所每一组谐振式双端音叉(2a、2b、2c、2d)仅与一组微机械杠杆(6a、6b、6c、6d)对应相连。

具体的，所述质量块（1）为一“十”字状结构，定义所述十字状结构的质量块（1）的四个凸棱分别沿x轴及y轴延伸，相邻的两条凸棱定义出第一区域、第二区域、第三区域及第四区域四个区域。所述四组谐振式双端音叉（2a、2b、2c、2d）分别对应设置于所述四个区域内，且围绕所述质量块（1）的中心对称设置，使得所述质量块（1）在所述x轴及y轴方向上相对的两端分别连接一组谐振式双端音叉。进一步，与所述质量块（1）相对的两端连接的谐振式双端音叉具有不同的谐振频率，差分输出谐振频率。

具体的，分别与所述质量块（1）在x轴方向上的两端相连的谐振式双端音叉（2b、2d）具有不同的谐振频率；同样的，分别与所述质量块（1）在y方向上的两端相连的谐振式双端音叉（2a、2c）具有不同的谐振频率。每组谐振式双端音叉(2a、2b、2c、2d)包含两根谐振梁，通过驱动电极(4a1、4a2、4b1、4b2、4c1、4c2、4d1、4d2)和检测电极(3a1、3a2、3b1、3b2、3c1、3c2、3d1、3d2)控制两根振梁振动在反相模态，减少能量泄露。

进一步，以解耦导向支撑（8a）及其连接关系为例详细说明。所述解耦导向支撑（8a）与微机械杠杆（6a）相连，所述微机械杠杆（6a）沿x方向延伸。所述微机械杠杆（6a）的一端与解耦导向支撑（8a）相连，以传递惯性力；另一端作为力输出端可移动的通过一细长直梁连接至玻璃基底（12）上的键合锚区（7a）。所述微机械杠杆（6a）可通过细长直梁向所述谐振式双端音叉（2a）输入惯性力。

所述谐振式双端音叉（2a）通过一键合锚区（5a）固定于所述玻璃基底（12）上，所述键合锚区（5a）与玻璃基底（12）上的电极引线（11a）电连接。所述驱动电极（4a1、4a2）可分别电连接至玻璃基底（12）上的电极引线（10a1、10a2）；所述检测电极（3a1、3a2）可分别电连接至玻璃基底（12）上的电极引线（9a1、9a2）。

所述解耦导向支撑结构的设计以及各组谐振器谐振频率及模态设计方法与第一实施例相同。通过调节键合锚区的位置，可调节谐振器支撑锚点、微机械杠杆支撑锚点以及结构支撑锚点的位置，实现低温漂结构的设计。单微机械杠杆的设计可有效降低结构面积，结构整体成中心对称分布。进一步，单微机械杠杆的设计对于整体调整温度应力和解耦等优化设计，更灵活方便。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种硅微谐振式加速度计，主要包括：

一玻璃基底；

硅微机械结构键合在玻璃基底表面，所述硅微机械结构包括一质量块及四个硅微机械结构单元，所述质量块为一中心对称结构，所述四个硅微机械结构单元围绕所述质量块两两对称设置；

每一硅微机械结构单元包括一组谐振式双端音叉、一组微机械杠杆及一组解耦导向支撑，所述解耦导向支撑一端与所述质量块连接接收惯性力，另一端与所述微机械光杆的一力输入端相连，通过微机械杠杆的一力输出端将接收的惯性力传递给所述谐振式双端音叉，所述解耦导向支撑包括一对折叠梁、一根细长直梁及一导向块，所述导向块通过细长直梁与所述质量块连接，并通过所述一对折叠梁固定并约束运动。

2.如权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述一对折叠梁对称设置与所述质量块在垂直于细长直梁方向上的两侧，每一折叠梁的一端与所述导向块相连以支撑导向块在敏感轴方向的运动，并限制导向块在正交轴方向的运动，另一端固定于所述玻璃基底上。

3.如权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述微机械杠杆包括一支点梁设置于所述力输入端与所述力输出端之间，并靠近所述力输出端设置，以支撑所述微机械杠杆，所述支点梁及其键合锚区设置于杠杆靠近中心对称轴的一侧，利用玻璃与硅热膨胀系数不同引入的输出变化平衡杨氏模量随温度变化引入的输出变化。

4.如权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述细长直梁的一端与所述质量块连接，另一端与所述微机械杠杆的力输入端连接以输入惯性力至谐振式双端音叉。

5.如权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述谐振式双端音叉包括两个对称设置的谐振梁，并在两对驱动电极及检测电极的控制下振动在反相模态。

6.如权利要求1所述的微谐振式加速度计，其特征在于，所述质量块为正方形结构，所述正方形结构的四边均设置有一凹口，所述四个凹口相对于所述正方形的对称轴完全对称设置，所述谐振式双端音叉设置于所述凹口中，每一硅微机械结构单元包括两组微机械杠杆及两组解耦导向支撑对称分布于谐振式双端音叉中心轴线的两侧。

7.如权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述硅微机械结构通过多个键合锚区键合于所述玻璃基底表面。

8.如权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述质量块为一“十”字状结构，所述质量块包括四个凸棱分别沿相互垂直的x轴及y轴延伸，所述四组谐振式双端音叉分别设置于所述四个凸棱交叉形成的区域内，且围绕所述质量块的中心对称设置，每一谐振式双端音叉的一端通过一微机械杠杆与凸棱的一端连接。

9.如权利要求8所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于，与所述质量块在x方向上的凸棱两端相连的谐振式双端音叉具有不同的谐振频率，与所述质量块在y方向上的凸棱两端相连的谐振式双端音叉具有不同的谐振频率。