CN108008149A - 对应力不敏感的自校准硅微谐振式加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对应力不敏感的自校准硅微谐振式加速度计，为圆片级SOI三层真空封装结构，上层为加速度计的结构盖板，布置信号输入/输出线，加速度计机械结构制作在中间的硅片层上，下层单晶硅为加速度计的衬底。加速度计机械结构由质量块、两个差分谐振器组成。敏感加速度的质量块位于结构的中间，质量块上下两侧连接的活动梳齿，其与上下对称的四个自校准电极连接的固定梳齿形成自校准电容；两个检测加速度的谐振器分别对称布置在质量块的两侧，一端通过应力隔离框架与固定基座连接，另一端通过一级杠杠放大机构与质量块相连。本发明对外界应力不敏感、敏感加速度方向强度大、具有很强的自校准能力。

Description

对应力不敏感的自校准硅微谐振式加速度计
技术领域
本发明涉及一种谐振式硅微加速度计，特别是一种对应力不敏感的自校准硅微谐振式加速度计。
背景技术
硅微加速度计是典型的MEMS惯性传感器，其研究始于20世纪70年代初，现有电容式、压电式、压阻式、热对流、隧道电流式和谐振式等多种形式。硅微谐振式加速度计的独特特点是其输出信号是频率信号，它的准数字量输出可直接用于复杂的数字电路，具有很高的抗干扰能力和稳定性，而且免去了其它类型加速度计在信号传递方面的诸多不便，直接与数字处理器相连。目前美国Draper实验室对谐振式加速度计的研究处于国际领先地位，研究开发的微机械加速度计主要应用于战略导弹，零偏稳定性和标度因数稳定性分别达到5μg和3ppm。因此硅微谐振式加速度计具有良好的发展前景。
硅微谐振式加速度计结构一般由谐振梁和敏感质量块组成，敏感质量块将加速度转换为惯性力，惯性力作用于谐振梁的轴向，使谐振梁的频率发生变化，通过测试谐振频率推算出被测加速度。如2008年，南京理工大学裘安萍等公开了一种硅微谐振式加速度计(裘安萍，施芹，苏岩.硅微谐振式加速度计，南京理工大学，申请号：2008100255749)。该结构机械结构由质量块、谐振器和杠杆放大机构等组成，两个谐振器位于质量块中间，相邻对称布置，质量块由位于其四角的折叠梁支撑，提高了结构的稳定性和抗冲击能力。但是由于加工误差使得两个谐振器的谐振频率并不完全相等，作用在两个谐振器上的热应力也不相同，则无法通过差分检测的方式消除热应力的影响。而且，该结构的两个谐振器直接与固定基座相连，加工残余应力和热应力对谐振频率的影响很大，但在全温范围内的温度实验发现，加速度计频率的温度系数高达160Hz/℃，标度因数的温度系数为0.67％/℃。此外，在测试过程中发现该加速度计存在较大的电耦合，当两个谐振器的谐振频率相近时，会产生邻频干扰，从而无法识别所作用的加速度信号。
2010年，南京理工大学公开了硅微谐振式加速度计的新结构(硅微谐振式加速度计，南京理工大学，专利号：201010293127.9)，该结构由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线。机械结构由质量块、外框架、谐振器、导向机构和杠杆放大机构等组成。质量块位于结构中间，通过四根轴对称多折梁与外框架相连，提高了加速度计结构的稳定性和抗冲击能力，并在一定程度上提高加速度计灵敏度。两个完全相同的谐振器在质量块上下对称布置，大大减小电耦合，且两根谐振梁的中间相连，降低了高阶模态的干扰。谐振器、杠杆、导向机构和质量块都通过外框架与固定基座直接相连，通过结构的合理设计，在全温范围内的温度实验发现，该加速度计频率的温度系数从原来结构的160Hz/℃降至24～25Hz/℃，降低了84.4％；但由于加工误差以及残余应力分布不均匀，使得两个谐振器的温度系数不同，该结构中的谐振器用于敏感加速度，不易实现温度补偿。在目前的工艺条件下，该结构的两个谐振器的温度系数差很难继续降低，且不易实现温度补偿，因此该结构的性能很难得到提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对外界应力不敏感、敏感加速度方向强度大、具有自校准能力的高精度测量的硅微谐振式加速度计结构。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于频率检测原理的硅微加速度计，圆片级SOI三层真空封装结构，上层为加速度计的结构盖板，布置信号输入/输出线，加速度计机械结构制作在中间的硅片层上，下层单晶硅为加速度计的衬底。加速度计机械结构由质量块、两个差分谐振器、四个完全相同的一级杠杆放大机构、支撑结构、驱动电极、驱动检测电极、自校准电极、应力隔离框架组成。敏感加速度的质量块位于结构的中间，质量块上下两侧连接的活动梳齿，其与上下对称的四个自校准电极连接的固定梳齿形成自校准电容；两个检测加速度的谐振器分别对称布置在质量块的两侧，一端通过应力隔离框架与固定基座连接，另一端通过一级杠杠放大机构与质量块相连。一级杠杠放大机构的支点端也通过应力隔离框架与固定基座连接，其输入端与质量块连接，输出端与谐振器连接。应力隔离框与固定基座之间通过多个完全对称的U形梁相连，形成应力释放机构。整个结构层的固定基座与下层单晶硅衬底上的固定基座及上层硅盖板进行硅-硅键合，形成真空的硅腔体，使机械结构部分的可动结构悬空。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)谐振器、杠杆放大机构、质量块等关键结构均通过应力释放机构与固定基座相连，最大限度降低了敏感结构内部在工作状态下的能量损失；同时，当外部温度变化时，对结构产生的热应力通过多个U形梁的变形释放，即保证了内部敏感结构对外界应力不敏感；(2)应力隔离框上下为对称拱形设计，左右为平行直梁设计，提高了加速度计在敏感加速度方向的强度；同时，又因为所有内部敏感结构都通过应力隔离框与固定基座相连，充分提高了敏感结构的一致性与对工艺误差的容忍度；(3)质量块通过细长、对称的U形梁与其四角的应力隔离框架相连，既保证其在水平方向的大刚度与在竖直方向敏感加速度的特征，又抑制了质量块绕水平轴运动的模态；同时，细长的U形梁有效的降低了交叉轴灵敏；(4)当工艺误差导致上下谐振器的基本频率不一致时，质量块上下的活动梳齿与自校准电极连接的固定梳齿形成的自校准电容，通过外接电路产生的静电力可以有效调节谐振器加工后的基准振动频率。
附图说明
图1是本发明的硅微谐振式加速度计的机械结构示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种对应力不敏感的自校准硅微谐振式加速度计，装置整体为圆片级SOI三层真空封装结构，上层为加速度计的结构盖板，用于布置信号输入/输出线，下层单晶硅为加速度计的衬底，中间的硅片层上设置加速度计机械结构；
所述加速度计机械结构包括敏感加速度质量块1、两个谐振器、四个完全相同的一级杠杆放大结构、固定基座、自校准电极和应力释放机构，其中两个差分谐振器分别为第一谐振器4a和第二谐振器4b，谐振器包括驱动电极、驱动检测电极、谐振梁；四个完全相同的一级杠杆放大结构分别为第一杠杆放大结构3a第二杠杆放大结构3b第三杠杆放大结构3c第四杠杆放大结构3d；所述四个固定基座分别为第一固定基座6a、第二固定基座6b、第三固定基座6c、第四固定基座6d；所述四个自校准电极分别为第一自校准电极8a、第二自校准电极8b、第三自校准电极8c、第四自校准电极8d；
其中，应力释放机构包括应力隔离框架2以及与其相连的U形梁6，应力隔离框架2通过对应的U形梁6与四个固定基座相固连，该四个固定基座分别为第一固定基座6a、第二固定基座6b、第三固定基座6c、第四固定基座6d，该四个固定基座对称设置于应力隔离框架2的四个角上，每个固定基座的横截面均为正方形，固定基座的每个侧面均通过四个相同的U形梁与应力隔离框架2相固连；
所述敏感加速度质量块1位于应力释放机构的中部，敏感加速度质量块1通过四个对称的细长U形梁7与应力隔离框架2相固连；
用于检测加速度的第一谐振器4a和第二谐振器4b对称布置在质量块1的两侧，所述第一谐振器4a和第二谐振器4b结构完全相同，并且关于敏感加速度质量块1对称；第一谐振器4a的一端连接应力隔离框架2，另一端通过第一杠杆放大结构3a、第二杠杆放大结构3b与敏感加速度质量块1相固连；第二谐振器4b的一端连接应力隔离框架2，另一端通过第三杠杆放大结构3c、第四杠杆放大结构3d与敏感加速度质量块1相固连；上述四个杠杆放大结构的支点梁均与应力隔离框架2相固连。
所述敏感加速度质量块1上下两侧连接活动梳齿，与四个对称布置的自校准电极及其固连的梳齿形成的自校准电容，在加速度计工作状态下，对第一自校准电极8a和第二自校准电极8b施加直流偏置电压，对第三自校准电极8c和第四自校准电极8d施加反相的直流偏置电压。
所述谐振器4a由两个对称的谐振梁5及其对应固连的活动梳齿，驱动电极及其固连的梳齿和驱动检测电极及其固连的梳齿组成，该两个谐振梁5中间分离，第一驱动电极5a及第二驱动电极5c上固连的梳齿与谐振梁5对应固连的活动梳齿形成驱动电容，在该两个固定驱动电极上施加带直流偏置的反相交流电压；第一驱动检测电极5b及第二驱动检测电极5d上固连的梳齿与谐振梁5上对应固连的活动梳齿形成检测电容。
其中第一杠杆放大结构3a、第二杠杆放大结构3b关于谐振梁5对称；其中第三杠杆放大结构3c、第四杠杆放大结构3d关于谐振器4b中对应的梁对称。
下面进行更详细的描述。
结合图1，本发明基于谐振式的硅微加速度计，用于测量平行于基座水平的测量仪器，由上中下三层单晶硅构成，上层为加速度计的结构盖板，布置信号输入/输出线，加速度计机械结构制作在中间的硅片层上，下层单晶硅为加速度计的衬底，通过固定基座与中层结构相连。加速度计的机械结构由一个敏感加速度的质量块1，应力隔离框架2和若干U形梁6形成的应力释放机构，四个完全相同的一级杠杆放大结构3a、3b、3c、3d，两个检测加速度的谐振器4a、4b，四个完全对称的固定基座6a、6b、6c、6d和四个完全对称的自校准电极8a、8b、8c、8d组成。
质量块1位于加速度计结构的中间，两个检测加速度的谐振器4a、4b上下对称布置在质量块1的上下两侧，该两个谐振器的一端连接外框架2，通过围绕固定基座的若干对称的U形梁6形成的应力释放机构与固定基座6a、6b、6c、6d固连；该两个谐振器的另一端分别与四个上下对称的一级杠杆放大结构3a、3b、3c、3d的输出端固连。一级杠杆放大结构3a、3b、3c、3d的支点梁均与应力隔离框架2相固连。另一方面，质量块1连接该四个一级杠杆放大结构的输入端，并通过四个对称的细长U形梁7a、7b、7c、7d与其四角的应力隔离框架2固连；在质量块1上下两侧连接活动梳齿，与自校准电极8a、8b、8c、8d所固连的梳齿形成的自校准电容，在加速度计工作状态下，对自校准电极8a、8b施加直流偏置电压，对自校准电极8c、8d施加反相的直流偏置电压，则两侧的偏置电容产生的静电力可以根据谐振器4a、4b由于加工误差产生的基准振动频率偏差，将该两个谐振器自校准到完全相同的振动频率上。
谐振器4a与4b的布置完全对称，谐振器4a由两个对称的谐振梁5及其对应固连的活动梳齿，固定驱动电极5a、5c及其固连的梳齿，和固定驱动检测电极5b、5d及其固连的梳齿组成。两个谐振梁的中间分离，其相向振动模态作为检测加速度模态。固定驱动电极5a、5c上的固定梳齿与谐振梁5上的活动梳齿形成驱动电容，在固定驱动电极5a、5c上施加带直流偏置的反相交流电压；固定驱动电极5b、5d上的固定梳齿与谐振梁5上的活动梳齿形成检测电容。
本发明的硅微谐振式加速度计用于测量y方向的输入加速度，当有沿y方向的加速度a输入时，在质量块1上产生惯性力F1＝m1a，该惯性力分别作用于四个一级杠杆放大机构上，使得作用于谐振器每根谐振梁上的作用力为
式中，A为一级杠杆放大机构的放大倍数。其中上谐振器受到的力为压力，谐振频率减小，而下谐振器的受到的力为拉力，谐振频率增大，两个谐振器的频率差为
Δf＝2f0κ(Am1a)
式中，κ为与谐振梁结构参数相关的常数。可见，上下谐振器的频率差与输入加速度a成正比，通过检测上下谐振器的频率差，测量输入加速度。
由上可知，本发明对外界应力不敏感、敏感加速度方向强度大、具有很强的自校准能力。

Claims (4)

1.一种对应力不敏感的自校准硅微谐振式加速度计，其特征在于，装置整体为圆片级SOI三层真空封装结构，上层为加速度计的结构盖板，用于布置信号输入/输出线，下层单晶硅为加速度计的衬底，中间的硅片层上设置加速度计机械结构；
所述加速度计机械结构包括敏感加速度质量块(1)、两个谐振器、四个完全相同的一级杠杆放大结构、固定基座、自校准电极和应力释放机构，其中两个差分谐振器分别为第一谐振器(4a)和第二谐振器(4b)，谐振器包括驱动电极、驱动检测电极、谐振梁；四个完全相同的一级杠杆放大结构分别为第一杠杆放大结构(3a)第二杠杆放大结构(3b)第三杠杆放大结构(3c)第四杠杆放大结构(3d)；所述四个固定基座分别为第一固定基座(6a)、第二固定基座(6b)、第三固定基座(6c)、第四固定基座(6d)；所述四个自校准电极分别为第一自校准电极(8a)、第二自校准电极(8b)、第三自校准电极(8c)、第四自校准电极(8d)；
其中，应力释放机构包括应力隔离框架(2)以及与其相连的U形梁(6)，应力隔离框架(2)通过对应的U形梁(6)与四个固定基座相固连，该四个固定基座分别为第一固定基座(6a)、第二固定基座(6b)、第三固定基座(6c)、第四固定基座(6d)，该四个固定基座对称设置于应力隔离框架(2)的四个角上，每个固定基座的横截面均为正方形，固定基座的每个侧面均通过四个相同的U形梁与应力隔离框架(2)相固连；
所述敏感加速度质量块(1)位于应力释放机构的中部，敏感加速度质量块(1)通过四个对称的细长U形梁(7)与应力隔离框架(2)相固连；
用于检测加速度的第一谐振器(4a)和第二谐振器(4b)对称布置在质量块(1)的两侧，所述第一谐振器(4a)和第二谐振器(4b)结构完全相同，并且关于敏感加速度质量块(1)对称；第一谐振器(4a)的一端连接应力隔离框架(2)，另一端通过第一杠杆放大结构(3a)、第二杠杆放大结构(3b)与敏感加速度质量块(1)相固连；第二谐振器(4b)的一端连接应力隔离框架(2)，另一端通过第三杠杆放大结构(3c)、第四杠杆放大结构(3d)与敏感加速度质量块(1)相固连；上述四个杠杆放大结构的支点梁均与应力隔离框架(2)相固连。
2.根据权利要求1所述的对应力不敏感的自校准硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述敏感加速度质量块(1)上下两侧连接活动梳齿，与四个对称布置的自校准电极及其固连的梳齿形成的自校准电容，在加速度计工作状态下，对第一自校准电极(8a)和第二自校准电极(8b)施加直流偏置电压，对第三自校准电极(8c)和第四自校准电极(8d)施加反相的直流偏置电压。
3.根据权利要求1所述的对应力不敏感的自校准硅微谐振式加速度计，其特征在于，谐振器(4a)由两个对称的谐振梁(5)及其对应固连的活动梳齿，驱动电极及其固连的梳齿和驱动检测电极及其固连的梳齿组成，该两个谐振梁(5)中间分离，第一驱动电极(5a)及第二驱动电极(5c)上固连的梳齿与谐振梁(5)对应固连的活动梳齿形成驱动电容，在该两个固定驱动电极上施加带直流偏置的反相交流电压；第一驱动检测电极(5b)及第二驱动检测电极(5d)上固连的梳齿与谐振梁(5)上对应固连的活动梳齿形成检测电容。
4.根据权利要求3所述的对应力不敏感的自校准硅微谐振式加速度计，其特征在于，其中第一杠杆放大结构(3a)、第二杠杆放大结构(3b)关于谐振梁(5)对称；其中第三杠杆放大结构(3c)、第四杠杆放大结构(3d)关于谐振器(4b)中对应的梁对称。
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