CN108732382A - 带有柔性放大机构的基于soq石英振梁加速度计芯片 - Google Patents

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Abstract

一种带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片，包括键合的石英结构和硅结构；石英结构包括石英框架、石英音叉、连接杆、杠杆、铰链、质量块、输入端和刻蚀间隙组成的平面内差动石英振梁芯片结构；硅结构包括硅框架，硅框架内设有释放槽；石英框架和硅框架完全键合到一起；石英音叉、连接杆、杠杆、铰链、输入端、质量块和刻蚀间隙完全悬空于释放槽上；输入端、铰链、杠杆、连接杆共同组成杠杆放大机构，质量块受加速度作用产生惯性力时，惯性力通过输入端传递到杠杆，杠杆放大后传递给连接杆，连接杆把力先集中再均分到石英音叉的两根振梁，影响振梁的频率，通过两端振梁的频率差测得加速度；本发明具有灵敏度高，体积小等优点。

Description

带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片
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，具体涉及一种带有柔性放大机构的基于SOQ(silicon on quartz)石英振梁加速度计芯片。
背景技术
传统的石英振梁加速度计，限制于石英加工工艺的难度，往往采用的是音叉振梁和基底材料分开加工，采用较容易加工的硅或者金属材料来加工敏感质量块和支撑部分等，单独用湿法或者干法刻蚀工艺加工石英振梁，然后装配到一起，这样的装配避免了石英整体加工的难度，但会给传感器代入装配误差，对于差动结构的加速度计来说，不能完全差动的结构无法有效的消除共模干扰，因而会影响传感器的精度。此外，因为音叉两根振梁的原因，多数的利用杠杆放大的石英振梁加速度传感器多采用两根杠杆对称放置的形式来达到两根振梁的内应力相同的效果，这样会因杠杆长度受限使放大效果大打折扣；或者不采用音叉形式，只用一根振梁作为谐振器，但只有一根振梁的话，外部的干扰严重，经常要配合隔振结构使用，从而使得芯片的整体结构过大。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于一种带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片，具有灵敏度高，体积小，批量化等优点。
为了实现上述目的，本发明拟采用的技术方案为：
一种带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片，包括键合的石英结构1和硅结构2；
所述的石英结构1为石英框架3、石英音叉4、连接杆5、杠杆6、铰链7、质量块8、输入端9和刻蚀间隙10构成的平面内差动式石英振梁芯片结构，其中石英框架3作为整体结构的支撑部分和与硅结构的键合部分，为石英结构1的固定部分，其余为悬空可动结构；石英音叉4一端固定在石英框架3上，另一端与连接杆5相连，并通过杠杆6、输入端9与质量块8相连；杠杆6通过铰链7与石英框架3相连，连接杆5、杠杆6、铰链7、输入端9共同组成微杠杆放大机构；
所述的硅结构2为由硅框架11和释放槽12组成，硅框架11为整体结构的支撑结构，释放槽12为石英可动结构释放区域；
所述的石英框架3和硅框架11完全键合到一起；所述的石英结构1中石英音叉4、连接杆5、杠杆6、铰链7、质量块8、输入端9和刻蚀间隙10完全悬空于硅结构2的释放槽12上。
所述硅结构2与石英结构1整体长*宽尺寸相同，硅框架11与石英框架3尺寸相同。
所述的石英音叉4采用石英音叉梁4-1或变截面梁4-2，在整体结构不变的情况下，石英音叉4中心对称分布，石英音叉梁4-1包括两端的第一隔振连接块a和两根音叉振梁b，变截面梁4-2包括两端的第二隔振连接块d和两根变截面振梁c。
所述的石英结构1整体长*宽在8000mm*8000mm以内，厚度为20-50um，石英框架3宽度在500-800um范围内，石英音叉4的长度在1600-3000mm范围内，石英音叉4的每根振梁宽度在30-70um范围内，杠杆6的宽度在100-400um范围内，刻蚀间隙10的宽度在100-300um范围内，石英结构1上的其他结构大小视已确定尺寸而定。
所述的带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片整体结构垂直方向完全中心对称，敏感方向为沿石英振梁长度方向。
本发明的有益效果为：
本发明结构上采用了杠杆放大机构，放大了质量块8带来的惯性力，克服了同样厚度，质量块8过轻的问题，提高了传感器的灵敏度；采用石英结构一体化加工，有效的避免了装配误差，且结构部分为纯石英，避免了异质材料因热膨胀系数不匹配引入的温度带来的应力差异；采用两边的石英音叉4差动配置，避免了交叉干扰，且能获得精确的加速度的测量；杠杆6输出部分和石英音叉4之间采用细长连接杆5的形式，有利于把杠杆6上传递过来的惯性力集中然后均分到两根石英音叉4上，避免了音叉梁直接连接到杠杆6上所出现的两根音叉梁内应力差异过大的问题。
附图说明
图1为本发明加速度计芯片结构示意图。
图2为本发明石英结构的示意图。
图3为本发明硅结构的示意图。
图4为本发明石英音叉的示意图。
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1，一种带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片，包括键合的石英结构1和硅结构2。
参照图2，所述的石英结构1为石英框架3、石英音叉4、连接杆5、杠杆6、铰链7、质量块8、输入端9和刻蚀间隙10构成的平面内差动式石英振梁芯片结构，其中石英框架3作为整体结构的支撑部分和与硅结构的键合部分，为石英结构1的固定部分，其余为悬空可动结构；石英音叉4一端固定在石英框架3上，另一端与连接杆5相连，并通过杠杆6、输入端9与敏感质量块8相连；连接杆5连接了石英音叉4和杠杆6，杠杆6通过铰链7与石英框架3相连，并通过输入端9与质量块8相连；连接杆5、杠杆6、铰链7、输入端9共同组成微杠杆放大机构，质量块8作为敏感质量块受到加速度作用产生惯性力，惯性力通过输入端9传递到杠杆6上，经过杠杆6放大，传递到连接杆5上，连接杆5把杠杆6上传递过来的惯性力先集中然后再均分到石英音叉4的两根振梁上。
参照图3，所述的硅结构2为由硅框架11和释放槽12组成，硅框架11为整体结构的支撑结构，释放槽12为石英可动结构释放区域。
所述的石英框架3和硅框架11完全键合到一起，硅框架11对于石英结构1起到支撑保护作用；所述的石英结构1中石英音叉4、连接杆5、杠杆6、铰链7、质量块8、输入端9和刻蚀间隙10完全悬空于硅结构2的释放槽12上，以保证石英可动结构的可动结构进行运动。
所述硅结构2与石英结构1整体长*宽尺寸相同，硅框架11与石英框架3尺寸相同。
参照图4，所述的石英音叉4采用石英音叉梁4-1或变截面梁4-2，在整体结构不变的情况下，石英音叉4中心对称分布，石英音叉梁4-1包括两端的第一隔振连接块a和两根音叉振梁b，变截梁4-2包括两端的第二隔振连接块d和两根变截面振梁c；采用变截面梁4-2，中间部分梁较细，降低振梁的刚度，使振梁更容易起振，灵敏度也更高。
所述的石英结构1整体长*宽在8000mm*8000mm以内，厚度为20-50um，石英框架3宽度在500-800um范围内，石英音叉4的长度在1600-3000mm范围内，石英音叉4的每根振梁宽度在30-70um范围内，杠杆6的宽度在100-400um范围内，刻蚀间隙10的宽度在100-300um范围内，石英结构1上的其他结构大小视已确定尺寸而定。
所述的带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片整体结构垂直方向完全中心对称，敏感方向为沿石英振梁长度方向。
本发明的工作原理是：
当芯片受到来自于沿石英振梁4长度方向的加速度时，质量块8受到加速作用产生惯性力，惯性力通过输入端9传递到杠杆6上，并由杠杆6进行放大，然后传递到连接杆5上，并由连接杆5进行力的集中再均分到石英音叉4的两根振梁上；垂直方向中心对称的结构，一端的石英音叉受到的力为拉应力，频率升高，另一端受到压应力，频率降低，两者的频率差与加速度的大小成正比，从而通过测量频率差获得加速度的大小。

Claims (5)

1.一种带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片，其特征在于：包括键合的石英结构(1)和硅结构(2)；
所述的石英结构(1)为石英框架(3)、石英音叉(4)、连接杆(5)、杠杆(6)、铰链(7)、质量块(8)、输入端(9)和刻蚀间隙(10)构成的平面内差动式石英振梁芯片结构，其中石英框架(3)作为整体结构的支撑部分和与硅结构的键合部分，为石英结构(1)的固定部分，其余为悬空可动结构；石英音叉(4)一端固定在石英框架(3)上，另一端与连接杆(5)相连，并通过杠杆(6)、输入端(9)与质量块(8)相连；杠杆(6)通过铰链(7)与石英框架(3)相连，连接杆(5)、杠杆(6)、铰链(7)、输入端(9)共同组成微杠杆放大机构；
所述的硅结构(2)由硅框架(11)和释放槽(12)组成，硅框架(11)为整体结构的支撑结构，释放槽(12)为石英可动结构释放区域；
所述的石英框架(3)和硅框架(11)完全键合到一起；所述的石英结构(1)中石英音叉(4)、连接杆(5)、杠杆(6)、铰链(7)、质量块(8)、输入端(9)和刻蚀间隙(10)完全悬空于硅结构(2)的释放槽(12)上。
2.根据权利要求1所述的一种带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片，其特征在于：所述硅结构(2)与石英结构(1)整体长*宽尺寸相同，硅框架(11)与石英框架(3)尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的一种带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片，其特征在于：所述的石英音叉(4)采用石英音叉梁(4-1)或变截面梁(4-2)，在整体结构不变的情况下，石英音叉(4)中心对称分布，石英音叉梁(4-1)包括两端的第一隔振连接块a和两根音叉振梁b，变截面梁(4-2)包括两端的第二隔振连接块d和两根变截面振梁c。
4.根据权利要求1所述的一种带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片，其特征在于：所述的石英结构(1)整体长*宽在8000mm*8000mm以内，厚度为20-50um，石英框架(3)宽度在500-800um范围内，石英音叉(4)的长度在1600-3000mm范围内，石英音叉(4)的每根振梁宽度在30-70um范围内，杠杆(6)的宽度在100-400um范围内，刻蚀间隙(10)的宽度在100-300um范围内，石英结构(1)上的其他结构大小视已确定尺寸而定。
5.根据权利要求1所述的一种带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片，其特征在于：所述的带有柔性放大机构的基于SOQ石英振梁加速度计芯片整体结构垂直方向完全中心对称，敏感方向为沿石英振梁长度方向。
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