CN105606845A - 一种基于二级微杠杆的双质量块高灵敏度硅微谐振式加速度计结构 - Google Patents

Abstract

一种基于二级微杠杆的双质量块高灵敏度硅微谐振式加速度计结构，包括质量块、二级微杠杆放大机构、音叉谐振器；加速度计采用两个质量块敏感加速度，并通过连接衬底的支撑梁和被测物体与这两个质量块相连接；两个完全相同的谐振器的一端通过锚点固定在基底上，另一端通过微杠杆机构与质量块相连；在每个质量块上，各连接有两个相同的二级微杠杆。当加速度计工作时，质量块产生的惯性力经二级微杠杆机构进行力放大后，作用于音叉谐振器，改变其固有振动频率，通过检测音叉谐振器固有频率的变化，即可解算出被测加速度值。本发明具有灵敏度高、量程大、差动检测、稳定性好、体积小、结构简单以及可实现音叉振动耦合抑制等优点，可用于航空航天、汽车工业、地震监测领域。

Description

一种基于二级微杠杆的双质量块高灵敏度硅微谐振式加速度计结构

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，涉及一种基于二级微杠杆的双质量块高灵敏度硅微谐振式加速度计结构，它作为微惯性器件广泛应用于汽车工业、航空航天、地震监测等领域。

背景技术

微机械加速度计是微机电系统中最为成功的器件之一，在民用与军事领域有广泛的应用前景，孕育着巨大的社会效益和经济效益。微机械加速度计研究的相关报道最早出现于20世纪70年代初，80年代单轴微机械加速度计产品面市，90年代末出现了多轴微机械加速度计，美国AD公司的ADXL系列微机械加速度计是最具代表性的产品之一。

加速度计根据所采用的敏感机理分为压阻式、压电式、电容式、力平衡式、热对流式、隧道电流式和谐振式等多种形式。其中谐振式加速度计通过测量谐振敏感元件固有振动频率的变化敏感被测加速度，其输出为频率信号，这种准数字信号具有很强的抗干扰能力，且加速度计输出无需A/D转换即可与数字处理器相连。采用微机械加工工艺制作的硅微谐振式加速度计除继承上述谐振式测量原理的优良特性外，还兼具硅微传感器体积小、重量轻、功耗低等优点，成为加速度计的重要发展方向。

在实际应用中，由于微机械加速度计尺寸限制，常常需要使用力学放大机构对惯性力进行力学放大，与单级杠杆相比，二级杠杆放大机构可在减小力学放大机构尺寸的情况下进一步提高加速度计的力学放大倍数，实现高灵敏度测量。目前，使用单级杠杆作为力学放大机构的加速度计比较普遍，而具有二级杠杆放大机构的硅微谐振式加速度计的研究比较少。与国外相比，国内谐振式硅微加速度计的研究起步较晚，目前一些研究机构已开展了基于微杠杆的加速度计结构设计、仿真或实验工作，但也多偏重于单级杠杆的加速度计结构。2005年，美国加州大学伯克利分校的Susan设计了一款具有二级杠杆放大的谐振式微加速度计，二级杠杆的放大倍数达到140，标度因数为158Hz/g。国内2007年，重庆大学的何高法等人采用硅微工艺的ICP深硅刻蚀工艺制作了具有二级杠杆的谐振式加速度计，样机测试结果表明，其标度因数为55.03Hz/g，分辨力约为182μg。

为此，基于现有硅微加工工艺水平，为提高谐振式加速度计的灵敏度，本发明设计了一款具有二级杠杆放大的硅微谐振式加速度计，建立了该二级杠杆力学模型，并对具有二级杠杆的加速度计整体结构进行了ANSYS有限元仿真，获取了微杠杆敏感结构参数对力学放大与灵敏度性能的影响规律，评估了温度对加速度计标度因数的影响，同时采用了双质量块结构实现了零点附近低载荷时谐振音叉双梁耦合振动引起的锁定现象，为高灵敏度硅微谐振式加速度计的设计与制作提供了模型依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于二级微杠杆的双质量块高灵敏度硅微谐振式加速度计结构，以解决现有微机械加速度计灵敏度不高、结构复杂、环境振动与温度影响大等问题，实现高灵敏度的加速度测量。同时，使用设计的双质量块结构消除由于结构对称产生的谐振音叉的振动耦合现象。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于二级微杠杆的双质量块高灵敏度硅微谐振式加速度计结构，其利用单晶硅的体硅工艺而制成，所述加速度计结构包括第一质量块、第二质量块、第一音叉谐振器、第二音叉谐振器、第一二级微杠杆放大机构、第二二级微杠杆放大机构、第三二级微杠杆放大机构、第四二级微杠杆放大机构、第一质量块支撑梁、第二质量块支撑梁、第三质量块支撑梁、第四质量块支撑梁、第一锚点、第二锚点、第三锚点、第四锚点、第五锚点、第六锚点、第七锚点、第八锚点、第九锚点和第二锚点；所述的第一质量块分别连接第一二级微杠杆放大机构、第二二级微杠杆放大机构，所述的第二质量块分别连接第三二级微杠杆放大机构、第四二级微杠杆放大机构，所述的第一质量块分别与第一质量块支撑梁、第二质量块支撑梁相连，所述的第二质量块分别与第三质量块支撑梁、第四质量块支撑梁相连，且第一质量块支撑梁、第二质量块支撑梁、第三质量块支撑梁、第四质量块支撑梁通过第三锚点、第四锚点、第五锚点、第六锚点、第九锚点和第二锚点固定在基底上，使第一质量块、第二质量块悬浮于基底之上，并可消除由于对称的音叉谐振器易产生的振动耦合效应；所述二级微杠杆放大机构的支点梁通过第二锚点、第八锚点固定在基底上；所述的第一音叉谐振器、第二音叉谐振器呈对称关系，构成一组差动式谐振音叉结构，且第一音叉谐振器的一端、第二音叉谐振器的一端分别通过第一锚点、第七锚点固定在基底上，第一音叉谐振器的另一端通过第一二级微杠杆机构和第二二级微杠杆放大机构与第一质量块相连，第二音叉谐振器的另一端通过第三二级微杠杆放大机构、第四二级微杠杆放大机构与第二质量块相连，且第一、第二每个音叉谐振器的两个谐振梁制备有梳状排列的活动梳齿，这样，第一质量块、第二质量块在被测加速度作用下产生的惯性力分别经过第一、第二二级微杠杆放大机构和第三、第四二级微杠杆放大机构进行力放大后作用于第一、第二音叉谐振器，并改变第一、第二音叉谐振器的固有振动频率；之后，通过测量梳齿电容检测器电容量的变化得到第一、第二音叉谐振器的固有振动频率，进而解算出被测加速度值。

其中，所述的第一、第二质量块、第一、第二、第三、第四二级微杠杆放大机构、第一、第二音叉谐振器均采用标准体硅工艺制作，所用材料为单晶硅。

其中，所述的第一、第二、第三、第四二级微杠杆放大机构使用二级杠杆，在输入端处使用折叠结构，减小了惯性力因结构刚性连接所带来的损耗，实现了惯性力的较大倍数放大，从而提高了微加速度计灵敏度。

其中，所述第一、第二质量块的双质量块结构将两个音叉谐振器完全隔离，避免了零点附近低载荷时两个对称音叉谐振器由于结构相同产生的振动耦合，实现了音叉振动耦合的消除。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用两个分离的质量块分别作为两个差动音叉的惯性力感应结构，从而消除了两对称音叉的振动耦合；二级微杠杆放大机构对惯性力进行放大，提高了加速度计的灵敏度和分辨率，且在输入端使用折叠梁结构，减小了惯性力因结构刚性连接所带来的损耗；谐振音叉一端的固定端设置于音叉梁中间，提高了结构空间的利用率；谐振敏感结构采用双端固支音叉谐振器，音叉两端通过细颈结构分别与微杠杆力放大机构的输出端和锚点固连，可有效减小音叉与外界的能量耦合，提高机械品质因数；两个谐振器对称布置，构成差动式测量，不仅提高了加速度计灵敏度，而且有效消除了环境温度等因素引起的共模干扰，且不同温度条件下加速度计标定因数拟合成线性，从而可方便地实现温度线性补偿。

附图说明

图1为本发明的加速度计结构示意图；

图2为本发明的加速度计一侧结构的局部放大图；

图3为本发明的二级杠杆结构受力示意图；

图4为本发明的加速度计在不同温度条件下标度因数仿真；

图5为加速度计零位误差仿真示意图，其中图5(a)为单质量块条件下加速度计零位误差仿真示意图，图5(b)为双质量块条件下加速度计零位误差仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明一种基于二级微杠杆的双质量块高灵敏度硅微谐振式加速度计结构，其利用单晶硅的体硅工艺而制成，所述加速度计结构包括第一质量块1、第二质量块13、第一音叉谐振器2、第二音叉谐振器14、第一二级微杠杆放大机构4、第二二级微杠杆放大机构5、第三二级微杠杆放大机构16、第四二级微杠杆放大机构17、第一质量块支撑梁6、第二质量块支撑梁7、第三质量块支撑梁18、第四质量块支撑梁19、第一锚点3、第二锚点8、第三锚点9、第四锚点10、第五锚点11、第六锚点12、第七锚点15、第八锚点20、第九锚点21和第二锚点22；所述的第一质量块1分别连接第一二级微杠杆放大机构4、第二二级微杠杆放大机构5，所述的第二质量块13分别连接第三二级微杠杆放大机构16、第四二级微杠杆放大机构17，所述的第一质量块1分别与第一质量块支撑梁6、第二质量块支撑梁7相连，所述的第二质量块13分别与第三质量块支撑梁18、第四质量块支撑梁19相连，且第一质量块支撑梁6、第二质量块支撑梁7、第三质量块支撑梁18、第四质量块支撑梁19通过第三锚点9、第四锚点10、第五锚点11、第六锚点12、第九锚点21和第二锚点22固定在基底上，使第一质量块1、第二质量块13悬浮于基底之上，并可消除由于对称的音叉谐振器易产生的振动耦合效应；所述二级微杠杆放大机构的支点梁通过第二锚点8、第八锚点20固定在基底上；所述的第一音叉谐振器2、第二音叉谐振器14呈对称关系，构成一组差动式谐振音叉结构，且第一音叉谐振器2的一端、第二音叉谐振器14的一端分别通过第一锚点3、第七锚点15固定在基底上，第一音叉谐振器2的另一端通过第一二级微杠杆机构4和第二二级微杠杆放大机构5与第一质量块1相连，第二音叉谐振器14的另一端通过第三二级微杠杆放大机构16、第四二级微杠杆放大机构17与第二质量块13相连，且第一、第二每个音叉谐振器的两个谐振梁制备有梳状排列的活动梳齿，这样，第一质量块1、第二质量块13在被测加速度作用下产生的惯性力分别经过第一、第二二级微杠杆放大机构4、5和第三、第四二级微杠杆放大机构16、17进行力放大后作用于第一、第二音叉谐振器2、14，并改变第一、第二音叉谐振器2、14的固有振动频率；之后，通过测量梳齿电容检测器电容量的变化得到第一、第二音叉谐振器的固有振动频率，进而解算出被测加速度值。图2为加速度计一侧结构的局部放大图。

所述的第一、第二质量块、第一、第二、第三、第四二级微杠杆力放大机构、第一、第二音叉谐振器均采用标准体硅工艺制作，选用单晶硅作为材料。基片材料选用温度特性与硅接近的7740玻璃，基片与第一、第二音叉谐振器和第一、第二、第三、第四二级微杠杆力放大机构之间通过锚点采用硅-玻璃键合工艺相连接。

本发明的工作原理：第一、第二质量块1、13将被测加速度转化为惯性力，惯性力作用于谐振敏感结构，使谐振敏感结构固有振动频率发生改变，通过测量谐振敏感结构的固有频率变化量即可换算出被测加速度值。如图1所示，当有X轴正方向的加速度分量时，第一质量块1、第二质量块13产生的沿X负方向的惯性力分别作用于第一、第二、第三、第四二级微杠杆力放大机构4、5、16、17的输入端，微杠杆力放大机构将质量块的惯性力放大后，分别沿轴向施加于第一音叉谐振器2、第二音叉谐振器14。第一音叉谐振器2承受轴向拉力，固有振动频率增加；第二音叉谐振器14承受轴向压力，固有振动频率减小，因此第一音叉谐振器2和第二音叉谐振器14形成一组差动敏感结构。静电梳齿驱动器激励第一、第二音叉谐振器2、14以固有频率振动，梳齿电容检测器检测两音叉谐振器2、14的固有频率，将两音叉谐振器2、14的固有频率之差作为加速度计的输出即可换算出沿X轴正方向加速度分量的值。同理，当有沿X轴负方向的加速度分量时，第一音叉谐振器2的固有振动频率减小，第二音叉谐振器14的固有振动频率增加，将第一、第二音叉谐振器2、14的固有频率之差作为加速度计输出可换算出沿X轴负方向加速度分量的值。

图3示出了二级微杠杆机构的受力模型图。该二级杠杆放大倍数A等于第一、二级杠杆的放大倍数A₁、A₂的乘积，且分别由式(1)、(2)确定：

$A_1=\frac{\frac{1}{k_{vp,1}}\left(\right(k_{\mathrm{\θ}o,1}+k_{\mathrm{\θ}c})+k_{\mathrm{\θ}p,1})+l_1{L}_1}{l_1^2+(\frac{1}{(k_{vo,1}+k_{vc})}+\frac{1}{k_{vp,1}})\left(\right(k_{\mathrm{\θ}o,1}+k_{\mathrm{\θ}c})+k_{\mathrm{\θ}p,1})}---\left(1\right)$

$A_2=\frac{-\frac{1}{k_{vp,2}}(k_{\mathrm{\θ}o,2}+k_{\mathrm{\θ}p,2})+l_2{L}_2}{l_2^2+(\frac{1}{k_{vo,2}}+\frac{1}{k_{vp,2}})(k_{\mathrm{\θ}o,2}+k_{\mathrm{\θ}p,2})}---\left(2\right)$

式中，k_vp,1、k_vp,2、k_vc分别为第一级杠杆支撑梁、第二级杠杆支撑梁、杠杆连接梁的轴向抗拉(压)刚度；k_θp,1、k_θp,2、k_θc分别为第一级杠杆支撑梁、第二级杠杆支撑梁、杠杆连接梁的横向抗弯刚度；k_vo,1、k_θo,1分别为第一级杠杆等效输出系统轴向抗拉(压)刚度和横向抗弯刚度，且第一级杠杆等效输出系统由第二级杠杆等效输出系统和第二级杠杆共同组成；k_vo,2、k_θo,2分别为第二级杠杆等效输出系统的轴向抗拉(压)刚度和横向抗弯刚度；L₁、l₁、L₂、l₂分别为第一、二级杠杆的动力臂、阻力臂的长度。且，

$k_{vo,1}=\frac{F_{in}}{L_2{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\δ}}_2}=\frac{(k_{vo,2}+k_{vp,2})(k_{\mathrm{\θ}o,2}+k_{\mathrm{\θ}p,2})+k_{vo,2}{k}_{vp,2}{l}_2^2}{(k_{\mathrm{\θ}o,2}+k_{\mathrm{\θ}p,2})+k_{vp,2}{L}_2^2+k_{vo,2}{(L_2+l_2)}^2}---\left(3\right)$

k_θo,1＝k_θo,2+k_θp,2(4)

式中，θ₂、δ₂分别为外力作用下第二级杠杆产生的转角和第二级杠杆支撑梁产生的轴向位移。而且，二级杠杆放大倍数与图2中支撑梁、连接梁的轴向抗拉(压)刚度和横向抗弯刚度有关，可由式(5)求解。

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{vj}=\frac{{\mathrm{Ew}}_j{t}_j}{l_j}\\ k_{\mathrm{\θ}j}=\frac{{\mathrm{Et}}_j{w}_j^3}{12l_j}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，j＝p,c,o，分别表示杠杆的支撑梁、连接梁和输出系统，l_j，w_j和t_j分别为相应敏感结构的长、宽和厚。对于理想杠杆系统，k_vj→∞，k_θj→0，则放大倍数A取得最大值，并等于二级杠杆的整体动阻比K，即A＝L₁L₂/(l₁l₂)。通过设计梁结构尺寸，可优化杠杆放大倍数A。

对设计的加速度计整体结构进行有限元仿真可知，加速度计谐振音叉的基频为22482Hz，在施加1g加速度载荷前后，加速度计差动音叉的频率变化量为150Hz，谐振音叉工作模态与干扰模态频差为554Hz，加速度计工作模态频率为2574Hz。

图4示出了±50g载荷范围内不同温度下(-40～80℃)加速度计标度因数的变化关系与最小二乘线性拟合。图4中Y对应于纵坐标输出，X对应于横坐标输入。由此可知，加速度计标度因数随温度上升而不断增加。当温度从-40℃增加到80℃时，标度因数增加了66.1Hz/g，标度因数变化率为0.55Hz/g/℃，谐振频率变化量为8.136kHz，变化率为67.8Hz/℃。该线性拟合直线斜率为0.53，从而可实现本专利所述加速度计的标度因数的线性温度补偿。

为验证本专利所述双质量块的性能，建立了质量块面积与双质量块加速度计相同的单质量块加速度计结构。图5(a)示出了单质量块加速度计的谐振音叉在零位附近的频率变化曲线，则该加速度计在载荷为0mg附近时谐振音叉的工作模态频率变化呈现非线性，且发生跳变，导致加表测量精度下降严重。而双质量块加速度计结构可很好地避免在零点附近低载荷时两完全一致的谐振音叉因具有相同谐振频率而导致的振动耦合现象，同时在零位载荷附近保持线性，如图5(b)所示。

综上所述，本发明提出了一种结构新颖的具有二级杠杆放大机构的高灵敏度差动式双质量块式硅微谐振加速度计结构，其在±50g载荷范围内的标度因数为150Hz/g、非线性误差为0.191％、工作频率为2574Hz，具有灵敏度高、量程大、稳定性好、体积小、结构简单、可差动测量的特点。

Claims (4)

1.一种基于二级微杠杆的双质量块高灵敏度硅微谐振式加速度计结构，其利用单晶硅的体硅工艺而制成，其特征在于：所述加速度计结构包括第一质量块(1)、第二质量块(13)、第一音叉谐振器(2)、第二音叉谐振器(14)、第一二级微杠杆放大机构(4)、第二二级微杠杆放大机构(5)、第三二级微杠杆放大机构(16)、第四二级微杠杆放大机构(17)、第一质量块支撑梁(6)、第二质量块支撑梁(7)、第三质量块支撑梁(18)、第四质量块支撑梁(19)、第一锚点(3)、第二锚点(8)、第三锚点(9)、第四锚点(10)、第五锚点(11)、第六锚点(12)、第七锚点(15)、第八锚点(20)、第九锚点(21)和第二锚点(22)；所述的第一质量块(1)分别连接第一二级微杠杆放大机构(4)、第二二级微杠杆放大机构(5)，所述的第二质量块(13)分别连接第三二级微杠杆放大机构(16)、第四二级微杠杆放大机构(17)，所述的第一质量块(1)分别与第一质量块支撑梁(6)、第二质量块支撑梁(7)相连，所述的第二质量块(13)分别与第三质量块支撑梁(18)、第四质量块支撑梁(19)相连，且第一质量块支撑梁(6)、第二质量块支撑梁(7)、第三质量块支撑梁(18)、第四质量块支撑梁(19)通过第三锚点(9)、第四锚点(10)、第五锚点(11)、第六锚点(12)、第九锚点(21)和第二锚点(22)固定在基底上，使第一质量块(1)、第二质量块(13)悬浮于基底之上，并可消除由于对称的音叉谐振器易产生的振动耦合效应；所述二级微杠杆放大机构的支点梁通过第二锚点(8)、第八锚点(20)固定在基底上；所述的第一音叉谐振器(2)、第二音叉谐振器(14)呈对称关系，构成一组差动式谐振音叉结构，且第一音叉谐振器(2)的一端、第二音叉谐振器(14)的一端分别通过第一锚点(3)、第七锚点(15)固定在基底上，第一音叉谐振器(2)的另一端通过第一二级微杠杆机构(4)和第二二级微杠杆放大机构(5)与第一质量块(1)相连，第二音叉谐振器(14)的另一端通过第三二级微杠杆放大机构(16)、第四二级微杠杆放大机构(17)与第二质量块(13)相连，且第一、第二每个音叉谐振器的两个谐振梁制备有梳状排列的活动梳齿，这样，第一质量块(1)、第二质量块(13)在被测加速度作用下产生的惯性力分别经过第一、第二二级微杠杆放大机构(4、5)和第三、第四二级微杠杆放大机构(16、17)进行力放大后作用于第一、第二音叉谐振器(2、14)，并改变第一、第二音叉谐振器(2、14)的固有振动频率；之后，通过测量梳齿电容检测器电容量的变化得到第一、第二音叉谐振器的固有振动频率，进而解算出被测加速度值。

2.根据权利要求1所述的一种基于二级微杠杆的双质量块高灵敏度硅微谐振式加速度计结构，其特征在于：所述的第一、第二质量块、第一、第二、第三、第四二级微杠杆放大机构、第一、第二音叉谐振器均采用标准体硅工艺制作，所用材料为单晶硅。

3.根据权利要求1所述的一种基于二级微杠杆的双质量块高灵敏度硅微谐振式加速度计结构，其特征在于：所述的第一、第二、第三、第四二级微杠杆放大机构使用二级杠杆，在输入端处使用折叠结构，减小了惯性力因结构刚性连接所带来的损耗，实现了惯性力的较大倍数放大，从而提高了微加速度计灵敏度。

4.根据权利要求1所述的一种基于二级微杠杆的双质量块高灵敏度硅微谐振式加速度计结构，其特征在于：所述第一、第二质量块的双质量块结构将两个音叉谐振器(2、14)完全隔离，避免了零点附近低载荷时两个对称音叉谐振器由于结构相同产生的振动耦合，实现了音叉振动耦合的消除。