CN109188021A - 低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构，该敏感结构包括左盖板、悬臂结构以及右盖板，采用的单侧多孔弹簧‑质量块悬臂结构，具有较大的刚度，由11行5列共28个中空结构构成的多孔弹簧悬臂结构在x，y，z三个方向可以达到谐振频率分别为24.2Hz，164.6Hz和4.7Hz的低频振动。本发明公开的低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构具有强度高、谐振频率低等优点，可用于y轴方向加速度的低频检测。

Description

低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构
技术领域
本发明属于微加速度传感器技术领域，具体涉及一种低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构。
背景技术
随着全球经济的发展，矿业开发及能源探测需要深入开采。深部地层的岩体力学状态十分复杂，为了满足工程开发的需要，微地震监测技术代替普通地震勘探技术越来越多地应用在采矿诱发的微地震监测和石油天然气勘探领域，压电加速度传感器和MEMS加速度传感器等新型传感器被应用于地震监测中。其中，电容式MEMS加速度传感器由于具有谐波失真小、采集系统动态范围大、道间串扰小、抗电磁干扰强、相位失真小、矢量保真度高等常规模拟检波器无法达到的优点，在石油勘探等很多领域得到了广泛的应用。
目前，国内电容式MEMS加速度传感器尚不完善，存在敏感结构形式复杂，加工难度大，低频检测精度不高等问题。与此同时，加速度芯片设计制造受到国外技术垄断，大部分自主设计的电容式微加速度传感器无法有效实现低频微震信号的检测。
发明内容
针对目前低频微震检测领域中加速度传感器敏感结构形式复杂、加工难度高等问题，本发明提供一种低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构，该敏感结构采用单侧多孔弹簧-质量块悬臂结构，具有较大的刚度，由11行5列共28个中空结构构成的多孔弹簧悬臂结构在x，y，z三个方向可以达到谐振频率分别为24.2Hz，164.6Hz和4.7Hz的低频振动。
本发明采用的技术方案如下：
低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构，包括左盖板(1)、悬臂结构(2)以及右盖板(3)，所述悬臂结构包括质量块(4)、多孔弹簧(5)、基板(6)、A电极阵列(7)、电信号输出极板(8)、悬臂结构金属密封环(13)、悬臂结构电接触焊盘(19)以及4个定位通孔(9)，所述的质量块为矩形；基板为中空的矩形框；多孔弹簧是多个由上、下对称的两条曲线边围成的中空结构连接而成，每个中空结构的两个端点为尖角，多孔弹簧最上面和最下面的边分别与质量块的下底边和基板的下部内边框连接；悬臂结构金属密封环为中空的矩形导电金属框，位于定位通孔内侧与左盖板相对的基板表面，悬臂结构金属密封环与基板表面设有与悬臂结构金属密封环尺寸相同的中空矩形绝缘层；A电极阵列由平行排列的若干大小相同的矩形导电金属片构成，位于质量块中部与左盖板相对应的表面上，电信号输出极板为多个矩形导电金属片，位于基板下部；悬臂结构电接触焊盘包括两个矩形导电金属片，位于悬臂结构金属密封环外侧、电信号输出极板上方右侧；所述的4个定位通孔分别位于基板的左、右两边且靠近上、下端面处；
左盖板和右盖板是相同大小的矩形平板，其宽度与悬臂结构的宽度相同，其长度小于悬臂结构的长度，使悬臂结构上的电信号输出极板裸露在外面；左盖板和右盖板分别位于悬臂结构的左侧和右侧，左盖板和右盖板上分别设有与悬臂结构上4个定位通孔位置一致、大小相同的4个左盖板定位通孔(15)和4个右盖板定位螺钉孔(16)；左盖板与悬臂结构接触的一侧设有左盖板矩形槽(17)，左盖板矩形槽中部设有左盖板中心凸台(10)，左盖板中心凸台上部为正方形，下部为细长的矩形，左盖板中心凸台的下部底边与左盖板矩形槽的下边连接，左盖板中心凸台的中部设有B电极阵列(11)，B电极阵列与A电极阵列组成相同且位置交错，B电极阵列的表面高度略低于左盖板的表面高度；左盖板矩形槽与左盖板定位通孔之间设有左盖板金属密封环(12)，左盖板金属密封环为中空的矩形导电金属框，左盖板金属密封环与左盖板表面设有与左盖板金属密封环尺寸相同的中空矩形绝缘层；左盖板金属密封环外侧左下方设有左盖板电接触焊盘(20)，左盖板电接触焊盘与悬臂结构电接触焊盘组成相同，位置相对；右盖板与悬臂结构接触的一侧加工右盖板矩形槽(18)，右盖板矩形槽的深度为质量块的z轴方向振动提供足够的空间；
A电极阵列通过导线与电信号输出极板中的部分矩形导电金属片连接，自A电极阵列引出的导线从悬臂结构金属密封环下的绝缘层与基板表面之间穿过；B电极阵列中的一部分矩形导电金属片通过导线与左盖板电接触焊盘中的一个矩形导电金属片连接，B电极阵列中的另一部分矩形导电金属片通过导线与左盖板电接触焊盘中的另一个矩形导电金属片连接，自B电极阵列引出的导线均从左盖板金属密封环下的绝缘层与左盖板表面之间穿过；左盖板电接触焊盘与悬臂结构电接触焊盘通过金属焊料连接，悬臂结构电接触焊盘通过导线与电信号输出极板中未连接导线的矩形金属片连接。
所述悬臂结构通过深反应离子刻蚀方式整体穿透刻蚀形成。
所述的左盖板和右盖板的材料为玻璃，悬臂结构的材料为单晶硅。
所述的多孔弹簧最上面边与质量块直接连接或通过间隙梁连接，间隙梁为长方体，长度为0.3mm-0.4mm，宽度为0.1mm-0.2mm。
所述的左盖板和右盖板通过焊料和螺钉(14)与多孔弹簧悬臂结构固连在一起。
所述的多孔弹簧悬臂结构中中空结构曲线边的宽度为0.08mm-0.15mm。
本发明具有以下有益效果：
1)结构强度高：本发明提供了一种多孔弹簧悬臂结构，这种结构受到激励时孔会受到挤压变形，具有较大的弹性，同时，由于其变形时位移受限，具有一定的结构强度。
2)结构谐振频率低：本发明的多孔弹簧悬臂结构具有较大的刚度，由11行5列共28个中空结构构成的多孔弹簧悬臂结构在x，y，z三个方向的谐振频率分别可以达到24.2Hz，164.6Hz和4.7Hz的低频，现有技术同等低频水平结构需要五组以上共10个的矩形弹簧才能实现，但是无法在y方向保持稳定振动。
3)结构易加工：本发明多孔弹簧悬臂结构的关键尺寸为几十到几百微米，工艺难度较低，成品率较高。
附图说明
图1为本发明多孔弹簧悬臂敏感结构爆炸图；
图2为本发明多孔弹簧悬臂敏感结构装配图；
图3为本发明悬臂结构示意图；
图4为本发明左盖板结构示意图；
图5为本发明右盖板结构示意图；
图6为本发明多孔弹簧的中空结构示意图；
图7为本发明多孔弹簧悬臂结构x轴方向谐振频率的有限元分析结果；
图8为本发明多孔弹簧悬臂结构y轴方向谐振频率的有限元分析结果；
图9为本发明多孔弹簧悬臂结构z轴方向谐振频率的有限元分析结果。
图中，1-左盖板；2-悬臂结构；3-右盖板；4-质量块；5-多孔弹簧；6-基板；7-A电极阵列；8-电信号输出极板；9-定位通孔；10-左盖板中心凸台；11-B电极阵列；12-左盖板金属密封环；13-悬臂结构金属密封环；14-螺钉；15-左盖板定位通孔；16-右盖板定位螺钉孔；17-左盖板矩形槽；18-右盖板矩形槽；19-悬臂结构电接触焊盘；20-左盖板电接触焊盘。
具体实施方式
以下结合附图对本发明技术方案做进一步说明：
如图1-6所示，低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构，包括左盖板1、悬臂结构2以及右盖板3，所述悬臂结构包括质量块4、多孔弹簧5、基板6、A电极阵列7、电信号输出极板8、悬臂结构金属密封环13、悬臂结构电接触焊盘19以及4个定位通孔9，所述的质量块为矩形；基板为中空的矩形框；多孔弹簧是多个由上、下对称的两条曲线边围成的中空结构连接而成，每个中空结构的两个端点为尖角，多孔弹簧最上面和最下面的边分别与质量块的下底边和基板的下部内边框连接；悬臂结构金属密封环为中空的矩形导电金属框，位于定位通孔内侧与左盖板相对的基板表面，悬臂结构金属密封环与基板表面设有与悬臂结构金属密封环尺寸相同的中空矩形绝缘层；A电极阵列由平行排列的若干大小相同的矩形导电金属片构成，位于质量块中部与左盖板相对应的表面上，电信号输出极板为4个矩形导电金属片，位于基板下部；悬臂结构电接触焊盘包括两个矩形导电金属片，位于悬臂结构金属密封环外侧、电信号输出极板上方右侧；所述的4个定位通孔分别位于基板的左、右两边且靠近上、下端面处。
左盖板和右盖板是相同大小的矩形平板，其宽度与悬臂结构的宽度相同，其长度小于悬臂结构的长度，使悬臂结构上的电信号输出极板裸露在外面；左盖板和右盖板分别位于悬臂结构的左侧和右侧，左盖板和右盖板上分别设有与悬臂结构上4个定位通孔位置一致、大小相同的4个左盖板定位通孔15和4个右盖板定位螺钉孔16；左盖板与悬臂结构接触的一侧设有左盖板矩形槽17，左盖板矩形槽中部设有左盖板中心凸台10，左盖板中心凸台上部为正方形，下部为细长的矩形，左盖板中心凸台的下部底边与左盖板矩形槽的下边连接，左盖板中心凸台的中部设有B电极阵列11，B电极阵列与A电极阵列组成相同且位置交错，B电极阵列的表面高度略低于左盖板的表面高度；左盖板矩形槽与左盖板定位通孔之间设有左盖板金属密封环12，左盖板金属密封环为中空的矩形导电金属框，左盖板金属密封环与左盖板表面设有与左盖板金属密封环尺寸相同的中空矩形绝缘层；左盖板金属密封环外侧左下方设有左盖板电接触焊盘20，左盖板电接触焊盘与悬臂结构电接触焊盘组成相同，位置相对；右盖板与悬臂结构接触的一侧加工右盖板矩形槽18，右盖板矩形槽的深度为质量块的z轴方向振动提供足够的空间。
A电极阵列通过导线与电信号输出极板中的部分矩形导电金属片连接，自A电极阵列引出的导线从悬臂结构金属密封环下的绝缘层与基板表面之间穿过；B电极阵列中的一部分矩形导电金属片通过导线与左盖板电接触焊盘中的一个矩形导电金属片连接，B电极阵列中的另一部分矩形导电金属片通过导线与左盖板电接触焊盘中的另一个矩形导电金属片连接，自B电极阵列引出的导线均从左盖板金属密封环下的绝缘层与左盖板表面之间穿过；左盖板电接触焊盘与悬臂结构电接触焊盘通过金属焊料连接，悬臂结构电接触焊盘通过导线与电信号输出极板中未连接导线的矩形金属片连接。
所述悬臂结构通过深反应离子刻蚀方式整体穿透刻蚀形成。
所述的左盖板和右盖板的材料为玻璃，悬臂结构的材料为单晶硅。
所述的多孔弹簧最上面边与质量块直接连接或通过间隙梁连接，间隙梁为长方体，长度为0.3，宽度为0.2mm。
所述的左盖板和右盖板通过焊料和螺钉14与多孔弹簧悬臂结构固连在一起。
所述的多孔弹簧悬臂结构中中空结构曲线边的宽度为0.13mm。
对本发明多孔弹簧悬臂结构采用有限元方法进行仿真研究，由11行5列共28个中空结构构成的多孔弹簧悬臂结构在x，y，z轴方向的谐振频率分别为24.2Hz，164.6Hz和4.7Hz(图7-图9)。
本发明结构简单，仅用单侧11行5列共28个中空结构构成的多孔弹簧悬臂结构就实现了现有技术中五组(左右各5个串联)矩形弹簧悬臂结构在x方向能够达到的振动频率；该结构还提高了结构的强度，可用于y轴方向加速度的低频检测，这种应用在现有矩形弹簧悬臂结构中无法实现；同时加工中工艺层为单层，降低了加工难度，提高了成品率，易于实现批量生产，可封装在加速度传感器中，应用于微震检测。

Claims (6)

1.低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构，其特征在于：包括左盖板(1)、悬臂结构(2)以及右盖板(3)，所述悬臂结构包括质量块(4)、多孔弹簧(5)、基板(6)、A电极阵列(7)、电信号输出极板(8)、悬臂结构金属密封环(13)、悬臂结构电接触焊盘(19)以及4个定位通孔(9)，所述的质量块为矩形；基板为中空的矩形框；多孔弹簧是多个由上、下对称的两条曲线边围成的中空结构连接而成，每个中空结构的两个端点为尖角，多孔弹簧最上面和最下面的边分别与质量块的下底边和基板的下部内边框连接；悬臂结构金属密封环为中空的矩形导电金属框，位于定位通孔内侧与左盖板相对的基板表面，悬臂结构金属密封环与基板表面设有与悬臂结构金属密封环尺寸相同的中空矩形绝缘层；A电极阵列由平行排列的若干大小相同的矩形导电金属片构成，位于质量块中部与左盖板相对应的表面上，电信号输出极板为多个矩形导电金属片，位于基板下部；悬臂结构电接触焊盘包括两个矩形导电金属片，位于悬臂结构金属密封环外侧、电信号输出极板上方右侧；所述的4个定位通孔分别位于基板的左、右两边且靠近上、下端面处；
左盖板和右盖板是相同大小的矩形平板，其宽度与悬臂结构的宽度相同，其长度小于悬臂结构的长度，使悬臂结构上的电信号输出极板裸露在外面；左盖板和右盖板分别位于悬臂结构的左侧和右侧，左盖板和右盖板上分别设有与悬臂结构上4个定位通孔位置一致、大小相同的4个左盖板定位通孔(15)和4个右盖板定位螺钉孔(16)；左盖板与悬臂结构接触的一侧设有左盖板矩形槽(17)，左盖板矩形槽中部设有左盖板中心凸台(10)，左盖板中心凸台上部为正方形，下部为细长的矩形，左盖板中心凸台的下部底边与左盖板矩形槽的下边连接，左盖板中心凸台的中部设有B电极阵列(11)，B电极阵列与A电极阵列组成相同且位置交错，B电极阵列的表面高度略低于左盖板的表面高度；左盖板矩形槽与左盖板定位通孔之间设有左盖板金属密封环(12)，左盖板金属密封环为中空的矩形导电金属框，左盖板金属密封环与左盖板表面设有与左盖板金属密封环尺寸相同的中空矩形绝缘层；左盖板金属密封环外侧左下方设有左盖板电接触焊盘(20)，左盖板电接触焊盘与悬臂结构电接触焊盘组成相同，位置相对；右盖板与悬臂结构接触的一侧加工右盖板矩形槽(18)，右盖板矩形槽的深度为质量块的z轴方向振动提供足够的空间；
A电极阵列通过导线与电信号输出极板中的部分矩形导电金属片连接，自A电极阵列引出的导线从悬臂结构金属密封环下的绝缘层与基板表面之间穿过；B电极阵列中的一部分矩形导电金属片通过导线与左盖板电接触焊盘中的一个矩形导电金属片连接，B电极阵列中的另一部分矩形导电金属片通过导线与左盖板电接触焊盘中的另一个矩形导电金属片连接，自B电极阵列引出的导线均从左盖板金属密封环下的绝缘层与左盖板表面之间穿过；左盖板电接触焊盘与悬臂结构电接触焊盘通过金属焊料连接，悬臂结构电接触焊盘通过导线与电信号输出极板中未连接导线的矩形金属片连接。
2.根据权利要求1所述的低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构，其特征在于：所述悬臂结构通过深反应离子刻蚀方式整体穿透刻蚀形成。
3.根据权利要求1所述的低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构，其特征在于：所述的左盖板和右盖板的材料为玻璃，悬臂结构的材料为单晶硅。
4.根据权利要求1所述的低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构，其特征在于：所述的多孔弹簧最上面边与质量块直接连接或通过间隙梁连接，间隙梁为长方体，长度为0.3mm-0.4mm，宽度为0.1mm-0.2mm。
5.根据权利要求1所述的低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构，其特征在于：所述的左盖板和右盖板通过焊料和螺钉(14)与多孔弹簧悬臂结构固连在一起。
6.根据权利要求1所述的低频微加速度传感器的多孔弹簧悬臂敏感结构，其特征在于：所述的多孔弹簧悬臂结构中中空结构曲线边的宽度为0.08mm-0.15mm。
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