CN107686091B - 一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片 - Google Patents

一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片 Download PDF

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Abstract

一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片，由硅基底和石英音叉梁构成，硅基底包括敏感质量块，敏感质量块和支撑框架通过柔性支撑梁、安装支撑梁连接成整体，敏感质量块上刻蚀出安装空槽和安装对准标记，支撑框架上设有两个安装对准标记，石英音叉梁安装于安装空槽上方，石英音叉梁两端的石英梁底座分别与安装对准标记对齐；石英音叉梁上四面溅射电极，用于石英音叉梁的激振，石英梁底座与外部电路相连接，支撑框架上的过载结构和敏感质量块上的过载结构配合，保护过载工况下的柔性支撑梁和石英音叉梁不受损坏，两根石英音叉梁的频率差与加速度成比例关系，测量频率的差值从而得到加速度的大小数值，本发明具有精度高，体积小，批量化等优点。

Description

一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片
技术领域
本发明属于微机械电子(MEMS)数字式加速度计技术领域，具体涉及一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片。
背景技术
目前的谐振式加速度计多基于纯硅材料或者石英材料。硅材料具有良好的机械特性，能够保证产品的精度、较低的成本及批量化生产，但对于采用硅材料的谐振式加速度计，其激励和检测方式比较固定，且硅本身没有压电特性，需要借助于静电力、热膨胀力、沉积其他压电材料、电磁力等手段激励谐振器振动，容易引入噪音干扰，限制精度的进一步提高。石英晶体具有压电特性，通过合理的切型设计和电极布置能够很容易被激励电路激励且品质因数较高，不需要像其他材料一样需要采用复杂的加工工艺和技术来实现，但石英本身的晶格结构复杂，微加工工艺难度较大。故现有的谐振式加速度计多因材料自身的缺陷，存在抗过载冲击能力差，模拟输出，灵敏度低，加工复杂等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片，具有精度高，体积小，批量化等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片，由硅基底和石英音叉梁构成，硅基底包括敏感质量块1、支撑框架2、柔性支撑梁4和安装支撑梁3，敏感质量块1和支撑框架2通过柔性支撑梁4、安装支撑梁3连接成为一个整体，敏感质量块1上刻蚀出第一安装空槽5a、第二安装空槽5b和第三安装对准标记8a、第四安装对准标记8b；柔性支撑梁4位于对角线A上，对称分布，安装支撑梁3对称分布于对角线A两侧，第一安装空槽5a和第二安装空槽5b对称于对角线A分布，支撑框架2上设有第一安装对准标记7a、第二安装对准标记7b，第一安装对准标记7a、第二安装对准标记7b对称于对角线A分布，第三安装对准标记8a、第四安装对准标记8b对称于对角线A分布，第一石英音叉梁9a安装于第一安装空槽5a上方，第一石英音叉梁9a两端的石英梁第二底座11a、石英梁第一底座10a分别与第一安装对准标记7a、第三安装对准标记8a对齐；第二石英音叉梁9b安装于第二安装空槽5b上方，第二石英音叉梁9b两端的石英梁第四底座11b、石英梁第三底座10b分别与第二安装对准标记7b、第四安装对准标记8b对齐；
第一石英音叉梁9a、第二石英音叉梁9b四面溅射电极，用于石英音叉梁的激振，石英梁第二底座11a、石英梁第一底座10a、石英梁第四底座11b、石英梁第三底座10b用于与外部电路相连接。
所述的支撑框架2上的第一过载结构6a和敏感质量块1上的第二过载结构6b组成过载结构，第一过载结构6a和第二过载结构6b的形状均为正弦曲线，由同一个三角函数生成，第一过载曲线6a由第二过载曲线6b从c点沿A方向向右上方平移20um后，并绕c点顺时针旋转而获得，c点为敏感质量块1的顶点，旋转角度由过载要求确定，从c点开始沿曲线方向，两条曲线各对应位置之间的距离为15-25um不等，以保证敏感质量块1上的第二过载结构6b在转过某个角度后恰好能与支撑框架2上的第一过载结构6a接触处完全重合，起到接触保护的作用，其中顺时针旋转的角度由敏感质量块1和过载结构的几何关系确定。
所述的柔性支撑梁4与敏感质量块1和支撑框架2相交位置设置有倒角。
所述的安装支撑梁3位于敏感质量块1和支撑框架2之间，单面刻蚀，宽度为50um，用于石英梁安装时辅助柔性支撑梁4，起到固定作用，安装完成后去除安装支撑梁3。
所述的第一安装空槽5a和第二安装空槽5b宽度为500um，深度200um，两安装空槽之间的距离为1000um。
所述的高过载谐振式微加速度计芯片的敏感方向为B方向，B方向垂直于对角线A。
所述的硅基底为一个整体，由硅微加工工艺获得。
本发明的有益效果为：
硅基底一体化结构，简化了加工步骤，降低了多次加工带来的误差，避免了安装过载结构的误差，对角线位置安装石英音叉梁，减小了整体芯片的体积；采用石英音叉梁作为振动元件，易于激励，品质因数较高；差动结构减少温度等干扰因素的影响；过载结构避免了过载冲击对于芯片的破坏，扩大了应用范围，减少了芯片损坏更换频率，提高了经济效率。
本发明芯片结合石英和硅两种材料的优良特性，拥有精度高，体积小，批量生产等显著特点。且在某些恶劣环境中，例如火炮发射时，末制导炮弹在膛内变加速旋进，其上的电子控制元器件以及其他传感器将受到很大冲击，发射镗内加速过程中的加速度远远超过其正常飞行过程中的所承受的加速度，往往要承受其自身量程几百倍到上千倍的惯性冲击，因此加速度计需要具备超高过载的能力，且在冲击过后快速恢复到其正常工作状态。
附图说明
图1为本发明硅基底的结构示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为图2的B-B界面示意图。
图4为本发明的第一石英音叉梁9a的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
参照图1、图2、图3和图4，一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片，由硅基底和石英音叉梁构成，硅基底包括敏感质量块1、支撑框架2、柔性支撑梁4和安装支撑梁3，敏感质量块1和支撑框架2通过柔性支撑梁4、安装支撑梁3连接成为一个整体，敏感质量块1上刻蚀出第一安装空槽5a、第二安装空槽5b和第三安装对准标记8a、第四安装对准标记8b；柔性支撑梁4位于芯片的对角线A上，对称分布，用于敏感质量块1在加速度作用下的支撑和转动；柔性支撑梁4与敏感质量块1和支撑框架2相交位置设置有倒角，减少应力集中带来的破坏；安装支撑梁3对称分布于对角线A两侧，位于敏感质量块1和支撑框架2之间，单面刻蚀，宽度为50um，用于石英梁安装时辅助柔性支撑梁4，起到固定作用，安装完成后去除安装支撑梁3；第一安装空槽5a和第二安装空槽5b对称于对角线A分布，宽度为500um，深度200um，用于提供足够的空间供石英梁振动，两空槽之间的距离为1000um；支撑框架2上设有第一安装对准标记7a、第二安装对准标记7b，第一安装对准标记7a、第二安装对准标记7b对称于对角线A分布，第三安装对准标记8a、第四安装对准标记8b对称于对角线A分布，安装对准标记用于第一石英梁9a和第二石英梁9b的精确定位安装，第一石英音叉梁9a安装于第一安装空槽5a上方，第一石英音叉梁9a两端设有的石英梁第二底座11a、石英梁第一底座10a分别与第一安装对准标记7a、第三安装对准标记8a对齐；第二石英音叉梁9b安装于第二安装空槽5b上方，第二石英音叉梁9b两端设有的石英梁第四底座11b、石英梁第三底座10b分别与第二安装对准标记7b、第四安装对准标记8b对齐，保证石英音叉梁处于完全的差动状态；第一石英音叉梁9a、第二石英音叉梁9b四面溅射电极，用于石英音叉梁的激振，石英梁第二底座11a、石英梁第一底座10a、石英梁第四底座11b、石英梁第三底座10b用于与外部电路相连接；
所述的高过载谐振式微加速度计芯片的敏感方向为B方向，B方向垂直于对角线A。
所述的支撑框架2上的第一过载结构6a和敏感质量块1上的第二过载结构6b组成过载结构，第一过载结构6a和第二过载结构6b的形状均为正弦曲线，由同一个三角函数生成，第一过载曲线6a由第二过载曲线6b从c点沿A方向向右上方平移20um后，并绕c点顺时针旋转而获得，c点为敏感质量块1的顶点，旋转角度由过载要求确定，从c点开始沿曲线方向，两条曲线各对应位置之间的距离为15-25um不等，以保证敏感质量块1上的第二过载结构6b在转过某个角度后恰好能与支撑框架2上的第一过载结构6a接触处完全重合，起到接触保护的作用，其中顺时针旋转的角度由敏感质量块1和过载结构的几何关系确定。
本发明的工作原理是：
参照图2，石英音叉梁安装于硅基底上，沿其对角线A方向，对称分布，敏感方向为B方向。由于石英音叉梁四周布置有起振电极，在交变电压的作用下，石英音叉梁处于其固有频率下振动，当芯片受到来自B方向的加速度时，敏感质量块1受惯性力的作用，带动柔性支撑梁4和石英音叉梁发生变形，从而改变石英音叉梁的谐振频率，其中一根石英音叉梁受到拉应力，频率升高，另一根石英音叉梁受到压应力，频率降低，两根石英音叉梁的频率差与加速度成比例关系，测量频率的差值从而得到加速度的大小数值。当工作过程中受到突变的过载加速度时，敏感质量块1受到巨大的惯性力作用，带动柔性支撑梁4和石英音叉梁发生大变形，变形的距离大于敏感质量块1与支撑框架2之间的过载缝隙，敏感质量块1上的第二过载结构6b与支撑框架2上的第一过载结构6a就会发生硬接触，阻止柔性支撑梁4和石英音叉梁的进一步变形，防止了因变形过大带来的柔性支撑梁4和石英音叉梁的破坏，起到保护芯片的作用，当加速度恢复到正常测量范围时，柔性支撑梁4和石英音叉梁均回到正常工作状态，芯片继续进行测量工作。

Claims (6)

1.一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片，由硅基底和石英音叉梁构成，其特征在于：硅基底包括敏感质量块(1)、支撑框架(2)、柔性支撑梁(4)和安装支撑梁(3)，敏感质量块(1)和支撑框架(2)通过柔性支撑梁(4)、安装支撑梁(3)连接成为一个整体，敏感质量块(1)上刻蚀出第一安装空槽(5a)、第二安装空槽(5b)和第三安装对准标记(8a)、第四安装对准标记(8b)；柔性支撑梁(4)位于芯片的对角线A上，对称分布，安装支撑梁(3)对称分布于对角线A两侧，第一安装空槽(5a)和第二安装空槽(5b)对称于对角线A分布，支撑框架(2)上设有第一安装对准标记(7a)、第二安装对准标记(7b)，第一安装对准标记(7a)、第二安装对准标记(7b)对称于对角线A分布，第三安装对准标记(8a)、第四安装对准标记(8b)对称于对角线A分布，第一石英音叉梁(9a)安装于第一安装空槽(5a)上方，第一石英音叉梁(9a)两端的石英梁第二底座(11a)、石英梁第一底座(10a)分别与第一安装对准标记(7a)、第三安装对准标记(8a)对齐；第二石英音叉梁(9b)安装于第二安装空槽(5b)上方，第二石英音叉梁(9b)两端的石英梁第四底座(11b)、石英梁第三底座(10b)分别与第二安装对准标记(7b)、第四安装对准标记(8b)对齐；
第一石英音叉梁(9a)、第二石英音叉梁(9b)四面溅射电极，用于石英音叉梁的激振，石英梁第二底座(11a)、石英梁第一底座(10a)、石英梁第四底座(11b)、石英梁第三底座(10b)用于与外部电路相连接；
所述的支撑框架(2)上的第一过载结构(6a)和敏感质量块(1)上的第二过载结构(6b)组成过载结构，第一过载结构(6a)和第二过载结构(6b)的形状均为正弦曲线，由同一个三角函数生成，第一过载结构(6a)由第二过载结构(6b)从c点沿A方向向右上方平移20um后，并绕c点顺时针旋转而获得，c点为敏感质量块(1)的顶点，旋转角度由过载要求确定，从c点开始沿曲线方向，两条曲线各对应位置之间的距离为15-25um不等，以保证敏感质量块(1)上的第二过载结构(6b)在转过某个角度后恰好能与支撑框架(2)上的第一过载结构(6a)接触处完全重合，起到接触保护的作用，其中顺时针旋转的角度由敏感质量块(1)和过载结构的几何关系确定。
2.根据权利要求1所述的一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片，其特征在于：所述的柔性支撑梁(4)与敏感质量块(1)和支撑框架(2)相交位置设置有倒角。
3.根据权利要求1所述的一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片，其特征在于：所述的安装支撑梁(3)位于敏感质量块(1)和支撑框架(2)之间，单面刻蚀，宽度为50um，用于石英梁安装时辅助柔性支撑梁(4)，起到固定作用，安装完成后去除安装支撑梁(3)。
4.根据权利要求1所述的一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片，其特征在于：所述的第一安装空槽(5a)和第二安装空槽(5b)宽度为500um，深度200um，两安装空槽之间的距离为1000um。
5.根据权利要求1所述的一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片，其特征在于：所述的高过载谐振式微加速度计芯片的敏感方向为B方向，B方向垂直于对角线A。
6.根据权利要求1所述的一种曲线高过载谐振式微加速度计芯片，其特征在于：所述的硅基底为一个整体，由硅微加工工艺获得。
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