CN104049107B - 基于t型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计 - Google Patents
基于t型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计包括有谐振器、质量块、正电极、负电极、安装框、隔离框、固定框和连接臂；正负电极为覆铜在谐振器、固定框、连接臂和安装框上，质量块与固定框之间是谐振器。本发明设计的石英振梁加速度计，采用竖梁、横梁及T型梁的结构形式，从而使谐振器具有测量温度信息的功能，三梁结构在敏感轴方向的等效刚度很低，可实现高灵敏度的加速度测量。在非敏感轴方向的等效刚度很大，有效抑制非敏感轴方向上力的干扰。从结构设计上可消除两个差动结构谐振器间的机械耦合，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种加速度计，更特别地说，是指一种基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计，属于微机电系统(简称MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)中的微惯性传感技术领域。
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。
石英振梁加速度计是通过再次装配形成差动结构的，因而两个谐振器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
为了改变环境温度对石英振梁加速度计测量精度的影响，本发明设计了一种基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计。本发明一方面采用质量块所受的惯性力与谐振器振动梁振动方向保持一致，另一方面谐振器设计为三梁结构，且谐振器在石英振梁加速度计的敏感轴方向的弹性刚度较小，从而提高了石英振梁加速度计的灵敏度。通过测量谐振器中的T型结构件的振动频率的改变量，以克服环境温度对加速度计测量精度的影响。
本发明的一种基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计，其包括有A谐振器(1)、B谐振器(2)、A质量块(6A)、B质量块(6B)、第一正电极(7A)、第一负电极(7B)、第二正电极(7C)、第二负电极(7D)、第三正电极(8A)、第三负电极(8B)、第四正电极(8C)、第四负电极(8D)、安装框(3)、A隔离框(4A)、B隔离框(4B)、A固定框(5A)、B固定框(5B)、第一连接臂(9A)、第二连接臂(9B)、第三连接臂(9C)、第四连接臂(9D)；
其中，A谐振器(1)与B谐振器2的结构相同；
其中，A质量块(6A)与B质量块6B的结构相同；
其中，第一正电极(7A)、第一负电极(7B)、第二正电极(7C)和第二负电极(7D)的结构相同；
其中，第三正电极(8A)与第三负电极(8B)的结构相同；
其中，第四正电极(8C)与第四负电极(8D)的结构相同；
其中，A隔离框(4A)与B隔离框(4B)的结构相同；
其中，A固定框(5A)与B固定框(5B)的结构相同；
其中，第一连接臂(9A)与第三连接臂(9C)的结构相同；
其中，第二连接臂(9B)与第四连接臂(9D)的结构相同；
A谐振器(1)由AA竖梁(1A)、AB竖梁(1B)、AC竖梁(1C)、AD竖梁(1D)、AA横梁(1E)、AB横梁(1F)、AC横梁(1G)、AD横梁(1H)、第一T形梁(1J)和第二T形梁(1K)构成；第一T形梁(1J)设置在AA竖梁(1A)的中心处外侧；第二T形梁(1K)设置在AD竖梁(1D)的中心处外侧；AA竖梁(1A)、AB竖梁(1B)、AC竖梁(1C)和AD竖梁(1D)沿X轴向平行放置，且AA竖梁(1A)、AB竖梁(1B)、AC竖梁(1C)和AD竖梁(1D)之间有切缝；AB横梁(1F)、AC横梁(1G)和AD横梁(1H)沿Y轴向平行放置，且AB横梁(1F)用于连接AA竖梁(1A)、AB竖梁(1B)、AC竖梁(1C)和AD竖梁(1D)的上部，AD横梁(1H)用于连接AA竖梁(1A)、AB竖梁(1B)、AC竖梁(1C)和AD竖梁(1D)的下部，AB竖梁(1B)和AC竖梁(1C)用于连接AB竖梁(1B)与AC竖梁(1C)；
B谐振器(2)由BA竖梁(2A)、BB竖梁(2B)、BC竖梁(2C)、BD竖梁(2D)、BA横梁(2E)、BB横梁(2F)、BC横梁(2G)、BD横梁(2H)、第三T形梁(2J)和第四T形梁(2K)构成；第三T形梁(2J)设置在BA竖梁(2A)的中心处外侧；第四T形梁(2K)设置在BD竖梁(2D)的中心处外侧；BA竖梁(2A)、BB竖梁(2B)、BC竖梁(2C)和BD竖梁(2D)沿X轴向平行放置，且BA竖梁(2A)、BB竖梁(2B)、BC竖梁(2C)和BD竖梁(2D)之间有切缝；BB横梁(2F)、BC横梁(2G)和BD横梁(2H)沿Y轴向平行放置，且BB横梁(2F)用于连接BA竖梁(2A)、BB竖梁(2B)、BC竖梁(2C)和BD竖梁(2D)的上部，BD横梁(2H)用于连接BA竖梁(2A)、BB竖梁(2B)、BC竖梁(2C)和BD竖梁(2D)的下部，BB竖梁(2B)和BC竖梁(2C)用于连接BB竖梁(2B)与BC竖梁(2C)；
第一正电极(7A)的覆铜构型从里向外顺次覆铜为AA竖梁(1A)、AA横梁(1E)、AB竖梁(1B)、A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A隔离框(4A)、第一连接臂(9A)和安装框(3)；
第一负电极(7B)的覆铜构型从里向外顺次覆铜为AC竖梁(1C)、AA横梁(1E)、AD竖梁(1D)、A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A隔离框(4A)、第一连接臂(9A)和安装框(3)；
第二正电极(7C)的覆铜构型从里向外顺次覆铜为BA竖梁(2A)、BA横梁(2E)、BB竖梁(2B)、B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B隔离框(4B)、第四连接臂(9D)和安装框(3)；
第二负电极(7D)的覆铜构型从里向外顺次覆铜为BC竖梁(2C)、BA横梁(2E)、BD竖梁(2D)、B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B隔离框(4B)、第四连接臂(9D)和安装框(3)；
第三正电极(8A)的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第一T形梁(1J)、AA竖梁(1A)；第三正电极(8A)的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第二T形梁(1K)、AD竖梁(1D)；第三正电极(8A)的第三支覆铜构型从里向外顺次覆铜为A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A隔离框(4A)、第一连接臂(9A)和安装框(3)；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在A固定框(5A)汇合后共用第三支覆铜构型；
第三负电极(8B)的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第一T形梁(1J)、AA竖梁(1A)、A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A隔离框(4A)、第一连接臂(9A)和安装框(3)；第三负电极(8B)的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第二T形梁(1K)、AD竖梁(1D)、A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A隔离框(4A)、第一连接臂(9A)和安装框(3)；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在安装框(3)汇合；
第四正电极(8C)的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第三T形梁(2J)、BA竖梁(2A)；第四正电极(8C)的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第四T形梁(2K)、BD竖梁(2D)；第四正电极(8C)的第三支覆铜构型从里向外顺次覆铜为B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B隔离框(4B)、第四连接臂(9D)和安装框(3)；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在B固定框(5B)汇合后共用第三支覆铜构型；
第四负电极(8D)的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第三T形梁(2J)、BA竖梁(2A)、B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B隔离框(4B)、第四连接臂(9D)和安装框(3)；第四负电极(8D)的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第四T形梁(2K)、BD竖梁(2D)、B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B隔离框(4B)、第四连接臂(9D)和安装框(3)；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在安装框(3)汇合；
在介质基板(9)上采用光刻腐蚀出多个切缝得到镂空构型；
在介质基板(9)上去除第一切缝(91)后构型得到A隔离框(4A)、B隔离框(4B)、第一连接臂(9A)和第四连接臂(9D)，通过第一连接臂(9A)实现A隔离框(4A)与安装框(3)连接，通过第四连接臂(9D)实现B隔离框(4B)与安装框(3)连接；
在介质基板(9)上去除第二切缝(92)与第四切缝(94)后构型得到A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A质量块(6A)和A谐振器(1)，通过第二连接臂(9B)实现A固定框(5A)与A隔离框(4A)连接，A谐振器(1)连接在A固定框(5A)与A质量块(6A)之间，且位于介质基板(9)的上层面；
在介质基板(9)上去除第三切缝(93)与第五切缝(95)后构型得到B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B质量块(6B)和B谐振器(2)，通过第三连接臂(9C)实现B固定框(5B)与B隔离框(4B)连接，B谐振器(2)连接在B固定框(5B)与B质量块(6B)之间，且位于介质基板(9)的下层面。
本发明设计的一种基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计，具有以下优点：
①本发明设计的谐振器具有T型结构部件，可以准确测量谐振器温度信息，可以避免环境温度对加速度计高精度测量的影响。
②本发明设计的谐振器采用的三梁结构在加速度计敏感轴向的弹性刚度较小，由于质量块沿敏感轴方向振动，质量块所受到的惯性力可以完全加载到振梁的轴向上，因此提高了石英振梁加速度计的灵敏度。
③本发明设计的谐振器中的竖梁与T型梁的振动模态是不同的，固有频率相差大，从而避免了竖梁、横梁及T型梁的振动产生相互影响。
④本发明的石英振梁加速度计中，三梁结构谐振器可以有效的抑制非敏感轴方向力的干扰。
⑤本发明的石英振梁加速度计中，采用隔离框将谐振器与安装框相连，因此可以有效隔离外界振动和热应力对振梁的影响。
⑥本发明的石英振梁加速度计中，两个差动结构的谐振器通过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谐振器间的机械耦合，消除测量盲区，降低测量误差，提高加速度计的检测精度。
⑦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。
附图说明
图1是本发明设计的一体差动式石英振梁加速度计的正视结构示意图。
图1A是本发明设计的一体差动式石英振梁加速度计的正视结构灰度示意图。
图1B是本发明设计的一体差动式石英振梁加速度计的后视结构示意图。
图1C是本发明设计的一体差动式石英振梁加速度计的后视结构灰度示意图。
图1D是本发明设计的一体差动式石英振梁加速度计的立体结构示意图。
图2是本发明设计的A谐振器的正视结构示意图。
图2A是本发明设计的B谐振器的正视结构示意图。
图2B是本发明设计的A谐振器的振动模态示意图。
图2C是本发明设计的A谐振器的T形梁的振动模态示意图。
图3是本发明设计的四个电极的结构图。
图3A是本发明设计的位于A谐振器处的电极结构图。
图3B是本发明设计的位于B谐振器处的电极结构图。
| 1.A谐振器 | 1A.AA竖梁 | 1B.AB竖梁 |
| 1C.AC竖梁 | 1D.AD竖梁 | 1E.AA横梁 |
| 1F.AB横梁 | 1G.AC横梁 | 1H.AD横梁 |
| 1J.第一T形梁 | 1K.第二T形梁 | 2.B谐振器 |
| 2A.AA竖梁 | 2B.AB竖梁 | 2C.AC竖梁 |
| 2D.AD竖梁 | 2E.AA横梁 | 2F.AB横梁 |
| 2G.AC横梁 | 2H.AD横梁 | 2J.第三T形梁 |
| 2K.第四T形梁 | 3.安装框 | 4A.A隔离框 |
| 4B.B隔离框 | 5A.A固定框 | 5B.B固定框 |
| 6A.A质量块 | 6B.B质量块 | 7.前板面 |
| 7A.第一正电极 | 7B.第一负电极 | 7C.第二正电极 |
| 7D.第二负电极 | 8.后板面 | 8A.第三正电极 |
| 8B.第三负电极 | 8C.第四正电极 | 8D.第四负电极 |
| 9.介质基板 | 9A.第一连接臂 | 9B.第二连接臂 |
| 9C.第三连接臂 | 9D.第四连接臂 | 9E.安装孔 |
| 91.第一切缝 | 92.第二切缝 | 93.第三切缝 |
| 94.第四切缝 | 95.第五切缝 |
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、图1B、图1C、图1D所示，本发明设计了一种基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计包括有A谐振器1、B谐振器2、A质量块6A、B质量块6B、第一正电极7A、第一负电极7B、第二正电极7C、第二负电极7D、第三正电极8A、第三负电极8B、第四正电极8C、第四负电极8D、安装框3、A隔离框4A、B隔离框4B、A固定框5A、B固定框5B、第一连接臂9A、第二连接臂9B、第三连接臂9C、第四连接臂9D；
其中，A谐振器1与B谐振器2的结构相同；
其中，A质量块6A与B质量块6B的结构相同；
其中，第一正电极7A、第一负电极7B、第二正电极7C和第二负电极7D的结构相同；
其中，第三正电极8A与第三负电极8B的结构相同；
其中，第四正电极8C与第四负电极8D的结构相同；
其中，A隔离框4A与B隔离框4B的结构相同；
其中，A固定框5A与B固定框5B的结构相同；
其中，第一连接臂9A与第三连接臂9C的结构相同；
其中，第二连接臂9B与第四连接臂9D的结构相同。
在本发明中，为了清楚表征本发明加速度计结构设计的特点及区别，采用线条绘制图和灰度图片(图1A、图1C)进行对照说明。
参见图1A所示，在本发明中，所述的加速度计是在介质基板9上采用光刻腐蚀出多个切缝得到镂空构型。所述切缝有第一切缝91、第二切缝92、第三切缝93、第四切缝94、第五切缝95以及光刻腐蚀在A谐振器1与B谐振器2上的切缝；其中，第二切缝92与第三切缝93的结构相同，第四切缝94与第五切缝95的结构相同。
在介质基板9上去除第一切缝91后构型得到A隔离框4A、B隔离框4B、第一连接臂9A和第四连接臂9D，通过第一连接臂9A实现A隔离框4A与安装框3连接，通过第四连接臂9D实现B隔离框4B与安装框3连接。
在介质基板9上去除第二切缝92与第四切缝94后构型得到A固定框5A、第二连接臂9B、A质量块6A和A谐振器1，通过第二连接臂9B实现A固定框5A与A隔离框4A连接，A谐振器1连接在A固定框5A与A质量块6A之间，且位于介质基板9的上层面。
在介质基板9上去除第三切缝93与第五切缝95后构型得到B固定框5B、第三连接臂9C、B质量块6B和B谐振器2，通过第三连接臂9C实现B固定框5B与B隔离框4B连接，B谐振器2连接在B固定框5B与B质量块6B之间，且位于介质基板9的下层面。
参见图1、图1D所示，在本发明中，沿介质基板9的长度方向记为本发明设计的加速度计的X轴方向，沿介质基板9的宽度方向记为本发明设计的加速度计的Y轴方向，沿介质基板9的厚度方向记为本发明设计的加速度计的Z轴方向。
A谐振器1
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图2所示，在本发明中，A谐振器1由AA竖梁1A、AB竖梁1B、AC竖梁1C、AD竖梁1D、AA横梁1E、AB横梁1F、AC横梁1G、AD横梁1H、第一T形梁1J和第二T形梁1K构成；第一T形梁1J设置在AA竖梁1A的中心处外侧；第二T形梁1K设置在AD竖梁1D的中心处外侧；AA竖梁1A、AB竖梁1B、AC竖梁1C和AD竖梁1D沿X轴向平行放置，且AA竖梁1A、AB竖梁1B、AC竖梁1C和AD竖梁1D之间有切缝；AB横梁1F、AC横梁1G和AD横梁1H沿Y轴向平行放置，且AB横梁1F用于连接AA竖梁1A、AB竖梁1B、AC竖梁1C和AD竖梁1D的上部，AD横梁1H用于连接AA竖梁1A、AB竖梁1B、AC竖梁1C和AD竖梁1D的下部，AB竖梁1B和AC竖梁1C用于连接AB竖梁1B与AC竖梁1C。
B谐振器2
参见图1、图1B、图1C、图1D、图2A所示，在本发明中，B谐振器2由BA竖梁2A、BB竖梁2B、BC竖梁2C、BD竖梁2D、BA横梁2E、BB横梁2F、BC横梁2G、BD横梁2H、第三T形梁2J和第四T形梁2K构成；第三T形梁2J设置在BA竖梁2A的中心处外侧；第四T形梁2K设置在BD竖梁2D的中心处外侧；BA竖梁2A、BB竖梁2B、BC竖梁2C和BD竖梁2D沿X轴向平行放置，且BA竖梁2A、BB竖梁2B、BC竖梁2C和BD竖梁2D之间有切缝；BB横梁2F、BC横梁2G和BD横梁2H沿Y轴向平行放置，且BB横梁2F用于连接BA竖梁2A、BB竖梁2B、BC竖梁2C和BD竖梁2D的上部，BD横梁2H用于连接BA竖梁2A、BB竖梁2B、BC竖梁2C和BD竖梁2D的下部，BB竖梁2B和BC竖梁2C用于连接BB竖梁2B与BC竖梁2C。
在本发明中，由于A谐振器1与B谐振器2的结构相同，谐振器的构型具体尺寸为：AA竖梁1A、AB竖梁1B、AC竖梁1C和AD竖梁1D的结构相同。将竖梁沿X轴向上的宽度记为d1A，竖梁沿Y轴向上的长度记为h1A，两个竖梁之间的间隔记为a1A，则有d1A＝a1A，h1A＝(36～40)d1A。
其中，AA横梁1E和AD横梁1H的结构相同，AB横梁1F和AC横梁1G的结构相同。横梁沿Y轴向上的长度记为h1E，AA横梁1E和AD横梁1H沿X轴向上的宽度记为d1E，且d1E＝4d1A+3a1A。AB横梁1F和AC横梁1G沿X轴向上的宽度记为d1F，且d1F＝2d1A+a1A。AA横梁1E与AB横梁1F之间的间隔记为h1E-1F，AB横梁1F与AC横梁1G之间的间隔记为h1F-1G，h1F-1G＝(1.5～2.5)d1A。
其中，第一T形梁1J和第二T形梁1K的结构相同。T形梁沿X轴向上的宽度记为d1J，T形梁连接臂沿X轴向上的宽度记为T形梁沿Y轴向上的长度记为h1J，T形梁连接臂沿Y轴向上的长度记为所述也是第一T形梁1J与AA竖梁1A的间距，同理，所述也是第二T形梁1K与AD竖梁1D的间距。d1J＝(0.5～1)d1A，h1J＝(1.5～2.5)d1A，
本发明设计的A谐振器1在Y轴方向上的形变量记为Δy＝γd1A，γ表示形变系数。B谐振器2在Y轴方向上的形变量记为Δy＝γd2A，γ表示形变系数。由于两个谐振器的结构是相同的，故谐振器在Y轴方向上的形变量的通式为Δy＝γd，d＝d1A＝d2A，d表示竖梁沿X轴向上的宽度。
谐振器的形变请参考图2B、图2C所示，在ANSYS仿真中进行模态分析，图2B可知竖梁振型为沿Z轴的弯曲振动，AA竖梁、AD竖梁相对AB竖梁、AC竖梁出现相对位移。图2C可知T形梁是沿Y轴方向的伸缩振动。
第一正电极7A
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图3、图3A、图3B所示，第一正电极7A的覆铜构型从里向外顺次覆铜为AA竖梁1A、AA横梁1E、AB竖梁1B、A固定框5A、第二连接臂9B、A隔离框4A、第一连接臂9A和安装框3。
第一负电极7B
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图3、图3A、图3B所示，第一负电极7B的覆铜构型从里向外顺次覆铜为AC竖梁1C、AA横梁1E、AD竖梁1D、A固定框5A、第二连接臂9B、A隔离框4A、第一连接臂9A和安装框3。
第二正电极7C
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图3、图3A、图3B所示，第二正电极7C的覆铜构型从里向外顺次覆铜为BA竖梁2A、BA横梁2E、BB竖梁2B、B固定框5B、第三连接臂9C、B隔离框4B、第四连接臂9D和安装框3。
第二负电极7D
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图3、图3A、图3B所示，第二负电极7D的覆铜构型从里向外顺次覆铜为BC竖梁2C、BA横梁2E、BD竖梁2D、B固定框5B、第三连接臂9C、B隔离框4B、第四连接臂9D和安装框3。
第三正电极8A
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图3、图3A、图3B所示，第三正电极8A的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第一T形梁1J、AA竖梁1A；第三正电极8A的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第二T形梁1K、AD竖梁1D；第三正电极8A的第三支覆铜构型从里向外顺次覆铜为A固定框5A、第二连接臂9B、A隔离框4A、第一连接臂9A和安装框3；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在A固定框5A汇合后共用第三支覆铜构型。
第三负电极8B
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图3、图3A、图3B所示，第三负电极8B的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第一T形梁1J、AA竖梁1A、A固定框5A、第二连接臂9B、A隔离框4A、第一连接臂9A和安装框3；第三负电极8B的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第二T形梁1K、AD竖梁1D、A固定框5A、第二连接臂9B、A隔离框4A、第一连接臂9A和安装框3；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在安装框3汇合。
第四正电极8C
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图3、图3A、图3B所示，第四正电极8C的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第三T形梁2J、BA竖梁2A；第四正电极8C的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第四T形梁2K、BD竖梁2D；第四正电极8C的第三支覆铜构型从里向外顺次覆铜为B固定框5B、第三连接臂9C、B隔离框4B、第四连接臂9D和安装框3；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在B固定框5B汇合后共用第三支覆铜构型。
第四负电极8D
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图3、图3A、图3B所示，第四负电极8D的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第三T形梁2J、BA竖梁2A、B固定框5B、第三连接臂9C、B隔离框4B、第四连接臂9D和安装框3；第四负电极8D的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第四T形梁2K、BD竖梁2D、B固定框5B、第三连接臂9C、B隔离框4B、第四连接臂9D和安装框3；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在安装框3汇合。
在本发明中，所有电极为覆铜构型得到，且第一正电极7A与第二正电极7C的结构相同，第三正电极8A与第四正电极8C的结构相同，第一负电极7B与第二负电极7D的结构相同，第三负电极8B与第四负电极8D的结构相同。对于制作电极实现的覆铜构型与加载电源方便相关。
质量块
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D所示，A质量块6A和B质量块6B用于将本发明设计的加速度计所承受的惯性力转换为施加到竖梁上的应变力。
安装框
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D所示，安装框3作为本发明设计的加速度计的外框及固定平台，用于实现与外部的承载平台进行固定。通过在安装孔9E内放置螺钉实现与外部承载平台的固定。
隔离框
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D所示，A隔离框4A和B隔离框4B用于在振动情况下抑制两个谐振器之间的机械耦合。
固定框
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D所示，A固定框5A与A质量块6A及B固定框5B与B质量块6B之间的挠性结合，使得本发明设计的加速度计工作在差动状态。
本发明设计的加速度计的工作原理是：
谐振器的竖梁、横梁和T型梁上均镀有金属铜电极。第一正电极7A、第一负电极7B、第二正电极7C和第二负电极7D分布在介质基板9的同一面上(即上层面)；第三正电极8A、第三负电极8B、第四正电极8C和第四负电极8D分布在介质基板9的同一面上(即下层面)。在一体差动式石英振梁加速度计工作前，在金属电极上分别加相应的驱动电压使谐振器起振。谐振器沿其厚度方向(即Z轴)弯曲振动。谐振器上的T型梁沿其长度方向(即Y轴)伸缩振动。由于谐振器上的竖梁之间有横梁，造成竖梁振动频率与T型梁的振动频率不同。在本发明中，谐振器上的竖梁振动模式命名为振动模式，谐振器上的T型梁振动模式命名为温度模式，故振动模式对于Z轴方向的加速度力敏感，温度模式对于T型梁的X、Y两个轴方向的加速度力敏感。
在振动模式下，谐振器做沿其厚度方向的弯曲振动。由于挠性支承部件(由质量块和固定框组成)的z轴方向的等效刚度很低，因而质量块能感受到z轴方向的加速度。由于质量块与固定框存在接合处，质量块将z轴方向的加速度力转化为惯性力，作用于谐振器y轴方向上，从而使谐振器感受到z轴方向的加速度变化。基于石英(介质基板9所选的加工材料)的力频特性，谐振器的固有频率会发生改变。由于谐振器的机械结构使其在x,y轴方向上的等效刚度很高，因而谐振器对于x,y轴方向的加速度不敏感。当本发明设计的加速度计工作时，谐振器振动产生热量或者工作环境温度发生改变，石英材料均会具有热膨胀现象，产生热应力，进而改变了谐振器的固有频率。因此在振动模式下，由于谐振器对温度和z轴方向加速度敏感，从而使固有频率改变，产生频移现象。虽然温度对频移的改变量远远小于z轴方向加速度作用产生的频移量，但仍会制约高精度加速度计的测量精度。
在温度模式下，T型梁沿其长度方向进行伸缩振动。尽管T型梁与竖梁连接。但是，谐振器运动方向与T型梁运动方向始终正交。因此，谐振器作用力无法改变T型梁单端振动的固有频率。从而，在振动模式下，T型梁只对温度敏感，对轴向力不敏感。因此，T型梁固有频率的改变只有温度变化造成的。
由于竖梁振动频率与T型梁振动频率不同，相差很大，因此振动彼此独立，不会产生机械耦合。振动模式与温度模式彼此独立工作。检测温度模式下的频移量，可以得到关于温度的函数f(T)，T代表环境温度。检测振动模式下的频移量，可以得到关于温度和敏感轴方向上力两个自变量的函数f(F,T)，T代表环境温度，F代表振动形变量。联合两个函数，即可消除温度变化对加速度计频移产生的干扰，得到准确的敏感轴方向上力的信息，可以满足高精度加速度计对精度的要求。
本发明设计的石英振梁加速度计中，通过在介质基板9上采用光刻腐蚀技术去除切缝后形成各个结构体，结构体采用常规的湿法腐蚀加工工艺，通过掩膜、光刻和刻蚀等工艺，最后得到完整的MEMS器件。
本发明设计的石英振梁加速度计，由于采用竖梁、横梁及T型梁的结构形式，从而使谐振器具有测量温度信息的功能，可以避免环境温度对加速度计高精度测量的影响。三梁(即竖梁、横梁及T型梁)结构在敏感轴方向的等效刚度很低，因此提高了石英振梁加速度计的灵敏度，可实现高灵敏度的加速度测量。在非敏感轴方向的等效刚度很大，因此可以有效抑制非敏感轴方向上力的干扰。另一方面，从结构设计上可消除两个差动结构谐振器间的机械耦合，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，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。
Claims (6)
1.一种基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于：该加速度计包括有A谐振器(1)、B谐振器(2)、A质量块(6A)、B质量块(6B)、第一正电极(7A)、第一负电极(7B)、第二正电极(7C)、第二负电极(7D)、第三正电极(8A)、第三负电极(8B)、第四正电极(8C)、第四负电极(8D)、安装框(3)、A隔离框(4A)、B隔离框(4B)、A固定框(5A)、B固定框(5B)、第一连接臂(9A)、第二连接臂(9B)、第三连接臂(9C)、第四连接臂(9D)；
其中，A谐振器(1)与B谐振器(2)的结构相同；
其中，A质量块(6A)与B质量块(6B)的结构相同；
其中，第一正电极(7A)、第一负电极(7B)、第二正电极(7C)和第二负电极(7D)的结构相同；
其中，第三正电极(8A)与第三负电极(8B)的结构相同；
其中，第四正电极(8C)与第四负电极(8D)的结构相同；
其中，A隔离框(4A)与B隔离框(4B)的结构相同；
其中，A固定框(5A)与B固定框(5B)的结构相同；
其中，第一连接臂(9A)与第三连接臂(9C)的结构相同；
其中，第二连接臂(9B)与第四连接臂(9D)的结构相同；
A谐振器(1)由AA竖梁(1A)、AB竖梁(1B)、AC竖梁(1C)、AD竖梁(1D)、AA横梁(1E)、AB横梁(1F)、AC横梁(1G)、AD横梁(1H)、第一T形梁(1J)和第二T形梁(1K)构成；第一T形梁(1J)设置在AA竖梁(1A)的中心处外侧；第二T形梁(1K)设置在AD竖梁(1D)的中心处外侧；AA竖梁(1A)、AB竖梁(1B)、AC竖梁(1C)和AD竖梁(1D)沿X轴向平行放置，且AA竖梁(1A)、AB竖梁(1B)、AC竖梁(1C)和AD竖梁(1D)之间有切缝；AB横梁(1F)、AC横梁(1G)和AD横梁(1H)沿Y轴向平行放置，且AB横梁(1F)用于连接AA竖梁(1A)、AB竖梁(1B)、AC竖梁(1C)和AD竖梁(1D)的上部，AD横梁(1H)用于连接AA竖梁(1A)、AB竖梁(1B)、AC竖梁(1C)和AD竖梁(1D)的下部，AB竖梁(1B)和AC竖梁(1C)用于连接AB竖梁(1B)与AC竖梁(1C)；
B谐振器(2)由BA竖梁(2A)、BB竖梁(2B)、BC竖梁(2C)、BD竖梁(2D)、BA横梁(2E)、BB横梁(2F)、BC横梁(2G)、BD横梁(2H)、第三T形梁(2J)和第四T形梁(2K)构成；第三T形梁(2J)设置在BA竖梁(2A)的中心处外侧；第四T形梁(2K)设置在BD竖梁(2D)的中心处外侧；BA竖梁(2A)、BB竖梁(2B)、BC竖梁(2C)和BD竖梁(2D)沿X轴向平行放置，且BA竖梁(2A)、BB竖梁(2B)、BC竖梁(2C)和BD竖梁(2D)之间有切缝；BB横梁(2F)、BC横梁(2G)和BD横梁(2H)沿Y轴向平行放置，且BB横梁(2F)用于连接BA竖梁(2A)、BB竖梁(2B)、BC竖梁(2C)和BD竖梁(2D)的上部，BD横梁(2H)用于连接BA竖梁(2A)、BB竖梁(2B)、BC竖梁(2C)和BD竖梁(2D)的下部，BB竖梁(2B)和BC竖梁(2C)用于连接BB竖梁(2B)与BC竖梁(2C)；
第一正电极(7A)的覆铜构型从里向外顺次覆铜为AA竖梁(1A)、AA横梁(1E)、AB竖梁(1B)、A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A隔离框(4A)、第一连接臂(9A)和安装框(3)；
第一负电极(7B)的覆铜构型从里向外顺次覆铜为AC竖梁(1C)、AA横梁(1E)、AD竖梁(1D)、A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A隔离框(4A)、第一连接臂(9A)和安装框(3)；
第二正电极(7C)的覆铜构型从里向外顺次覆铜为BA竖梁(2A)、BA横梁(2E)、BB竖梁(2B)、B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B隔离框(4B)、第四连接臂(9D)和安装框(3)；
第二负电极(7D)的覆铜构型从里向外顺次覆铜为BC竖梁(2C)、BA横梁(2E)、BD竖梁(2D)、B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B隔离框(4B)、第四连接臂(9D)和安装框(3)；
第三正电极(8A)的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第一T形梁(1J)、AA竖梁(1A)；第三正电极(8A)的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第二T形梁(1K)、AD竖梁(1D)；第三正电极(8A)的第三支覆铜构型从里向外顺次覆铜为A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A隔离框(4A)、第一连接臂(9A)和安装框(3)；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在A固定框(5A)汇合后共用第三支覆铜构型；
第三负电极(8B)的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第一T形梁(1J)、AA竖梁(1A)、A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A隔离框(4A)、第一连接臂(9A)和安装框(3)；第三负电极(8B)的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第二T形梁(1K)、AD竖梁(1D)、A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A隔离框(4A)、第一连接臂(9A)和安装框(3)；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在安装框(3)汇合；
第四正电极(8C)的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第三T形梁(2J)、BA竖梁(2A)；第四正电极(8C)的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第四T形梁(2K)、BD竖梁(2D)；第四正电极(8C)的第三支覆铜构型从里向外顺次覆铜为B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B隔离框(4B)、第四连接臂(9D)和安装框(3)；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在B固定框(5B)汇合后共用第三支覆铜构型；
第四负电极(8D)的第一支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第三T形梁(2J)、BA竖梁(2A)、B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B隔离框(4B)、第四连接臂(9D)和安装框(3)；第四负电极(8D)的第二支覆铜构型从里向外顺次覆铜为第四T形梁(2K)、BD竖梁(2D)、B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B隔离框(4B)、第四连接臂(9D)和安装框(3)；且第一支覆铜构型与第二支覆铜构型在安装框(3)汇合；
在介质基板(9)上采用光刻腐蚀出多个切缝得到镂空构型；
在介质基板(9)上去除第一切缝(91)后构型得到A隔离框(4A)、B隔离框(4B)、第一连接臂(9A)和第四连接臂(9D)，通过第一连接臂(9A)实现A隔离框(4A)与安装框(3)连接，通过第四连接臂(9D)实现B隔离框(4B)与安装框(3)连接；
在介质基板(9)上去除第二切缝(92)与第四切缝(94)后构型得到A固定框(5A)、第二连接臂(9B)、A质量块(6A)和A谐振器(1)，通过第二连接臂(9B)实现A固定框(5A)与A隔离框(4A)连接，A谐振器(1)连接在A固定框(5A)与A质量块(6A)之间，且位于介质基板(9)的上层面；
在介质基板(9)上去除第三切缝(93)与第五切缝(95)后构型得到B固定框(5B)、第三连接臂(9C)、B质量块(6B)和B谐振器(2)，通过第三连接臂(9C)实现B固定框(5B)与B隔离框(4B)连接，B谐振器(2)连接在B固定框(5B)与B质量块(6B)之间，且位于介质基板(9)的下层面。
2.根据权利要求1所述的基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于A谐振器(1)和B谐振器(2)的构型具体尺寸为：将竖梁沿X轴向上的宽度记为d1A，竖梁沿Y轴向上的长度记为h1A，两个竖梁之间的间隔记为a1A，则有d1A＝a1A，h1A＝(36～40)d1A；
其中，AA横梁(1E)和AD横梁(1H)的结构相同，AB横梁(1F)和AC横梁(1G)的结构相同；横梁沿Y轴向上的长度记为h1E，AA横梁(1E)和AD横梁(1H)沿X轴向上的宽度记为d1E，且d1E＝4d1A+3a1A；AB横梁(1F)和AC横梁(1G)沿X轴向上的宽度记为d1F，且d1F＝2d1A+a1A；AA横梁(1E)与AB横梁(1F)之间的间隔记为h1E-1F，AB横梁(1F)与AC横梁(1G)之间的间隔记为h1F-1G，h1F-1G＝(1.5～2.5)d1A；
其中，第一T形梁(1J)和第二T形梁(1K)的结构相同；T形梁沿X轴向上的宽度记为d1J，T形梁连接臂沿X轴向上的宽度记为T形梁沿Y轴向上的长度记为h1J，T形梁连接臂沿Y轴向上的长度记为所述也是第一T形梁(1J)与AA竖梁(1A)的间距，同理，所述也是第二T形梁(1K)与AD竖梁(1D)的间距；d1J＝(0.5～1)d1A，h1J＝(1.5～2.5)d1A，
A谐振器(1)和B谐振器(2)的在Y轴方向上的形变量的通式为Δy＝γd，γ表示形变系数，d表示竖梁沿X轴向上的宽度。
3.根据权利要求1所述的基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于：质量块用于将惯性力转换为施加到谐振器的竖梁上的应变力。
4.根据权利要求1所述的基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于：隔离框能够抑制A谐振器(1)与B谐振器(2)在振动情况下的机械耦合。
5.根据权利要求1所述的基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于：A固定框(5A)与A质量块(6A)及B固定框(5B)与B质量块(6B)之间的挠性结合，使得加速度计工作在差动状态。
6.根据权利要求1所述的基于T型结构的具有测温功能的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于：谐振器上的竖梁振动模式为振动模式，谐振器上的T型梁振动模式为温度模式，振动模式对于Z轴方向的加速度力敏感，温度模式对于T型梁的X、Y两个轴方向的加速度力敏感。
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