CN111766405A - 一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计 - Google Patents

一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计，包括上层的信号敏感结构以及下层的信号引出结构。上层信号敏感结构通过硅微加工技术加工而成，下层通过玻璃湿法刻蚀及金属层溅射技术加工而成，上层的信号敏感结构通过阳极键合技术键合在下层的信号引出结构之上。本发明的双轴惯性加速度测量采用两组结构参数一致的弱耦合谐振器的振动幅度比例之差作为整体输出信号，避免输出响应曲线严重非线性区的出现，同时有效的抑制外界共模干扰，进一步提升加速度计的环境稳定性。

Description

一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计
技术领域
本发明涉及微机电系统和微惯性测量领域，特别是涉及一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计。
背景技术
微机电系统是指尺寸在几毫米甚至更小的高科技装置，其内部结构通常为微米或者纳米量级。微机电系统设计各类应用科学和工程技术，在智能系统、消费电子、智能家居、可穿戴设备以及微流控技术等领域具有广阔的应用前景。
硅微加速度计是利用微机电系统加工技术实现的一种典型惯性传感器，是惯性导航、制导、定向、运动载体测量和控制的核心部件，相对于传统的加速度计，具有体积小、重量轻、低成本、低能耗、高可靠性、易于数字化、可满足恶劣环境应用等特点。
自从上世纪末以来，国内外针对硅微加速度计做了很多工作。加州大学Berkeley分校的研究人员基于谐振敏感原理开发了谐振式硅微加速度计，可以实现对外界输入加速度的测量。但是目前一般硅微加速度计随着结构尺寸的极大缩小，仪表的灵敏度和分辨率大大降低，而受寄生效应、机械结构噪声、电路噪声等的影响较大，已基本达到了检测能力的极限，其精度仅仅维持在中低精度水平，只能基本满足中低精度应用需求，进一步大幅度提高测量精度难度很大。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计，具有相对灵敏度高、交叉轴干扰小、环境稳定性高等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计整体采用双层结构，包括上层的信号敏感结构以及下层的信号引出结构。上层信号敏感结构通过硅微加工技术加工而成，下层通过玻璃湿法刻蚀及金属层溅射技术加工而成，表面布置有金属引出电极及信号线，上层的信号敏感结构通过阳极键合技术键合在下层的信号引出结构之上。
所述上层信号敏感结构由惯性质量块，第一、二、三、四弱耦合谐振器，第一、二、三、四力放大结构组成；
其中第一弱耦合谐振器位于惯性质量块的左侧，与第一力放大结构上的第一输出直梁相连接；
所述第二弱耦合谐振器位于惯性质量块的下侧，与第二力放大结构的第二输出直梁相连接；
所述第三弱耦合谐振器位于惯性质量块的右侧，与第三力放大结构的第三输出直梁相连接；
所述第四弱耦合谐振器位于惯性质量块的上侧，与第四力放大结构的第四输出直梁相连接。
其中第一、二、三、四力放大结构的第一、二、三、四输入直梁均与惯性质量块相连接；
本发明进一步改进在于：所述第一、二、三、四弱耦合谐振器结构完全相同；其中第一弱耦合谐振器由一组第一单端固定振动部件，一组第一双端固定振动部件，第一、二弱耦合梁，第一、二、三、四激励信号施加机构，第一、二、三、四、五、六、七八敏感信号检测机构组成；第一单端固定振动部件和第一双端固定振动部件分别通过第一、二弱耦合梁相连接；
第一、二、三、四激励信号施加结构布置在第一单端固定振动部件和第一双端固定振动部件的外侧，组成激励电容组；第一、二、三、四、五、六、七八敏感信号检测机构布置在第一单端固定振动部件和第一双端固定振动部件的内侧，组成敏感电容组。
本发明进一步改进在于：所述第一、二、三、四力放大结构结构完全相同；其中所述第一本力放大结构由第一输出直梁、第一输入直梁、第一支撑直梁、第一杠杆、第一杠杆锚点组成；其中所述第一杠杆锚点通过第一支撑直梁与第一杠杆相连接。
本发明进一步改进在于：所述金属电极包括第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五、第十六激励电容电极；
第一第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八激励电容引出电极；第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五、第十六、第十七、第十八、第十九、第二十、第二十一、第二十二、第二十三、第二十四、第二十五、第二十六、第二十七、第二十八、第二十九、第三十、第三十二检测电容电极；第一、二、三、四、五、六、七、八检测电容引出电极，第一、二、三、四载波电极；第一、二、三、四载波引出电极。
本发明基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计受到惯性力作用时，惯性质量块产生的惯性力被第一、二、三、四力放大结构放大，进一步作用在第一、二、三、四力放大结构上的第一、二、三、四单端固定振动部件的振动梁上，从而导致振动梁轴向刚度产生差异，因此第一、二、三、四弱耦合谐振器的运动特性发生变化，第一、二、三、四单端固定振动部件和第一、二、三、四力放大结构上的第一、二、三、四双端固定振动部件的振动梁的振动幅度比例发生变化。因此，通过测量第一、二、三、四双端固定振动部件的振动梁的振动幅度比例的变化程度，即可反推外界输入加速度的大小。
进一步的，在弱耦合谐振器的激励信号施加结构上施加同频反相交流激励电压时，振动梁会在电场激励力的作用下进行振动，从而在敏感信号检测机构上能够检测到输出交流信号。对输出信号进行闭环运算后可以将交流激励信号的频率锁定为弱耦合谐振器的有效模态频率，从而确保弱耦合谐振器工作在有效模态。
进一步的，基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计选择弱耦合谐振器的反相运动模态作为有效模态。弱耦合谐振器工作在有效模态时，单端固定振动部件和双端固定振动部件的振动梁运动频率一致，方向相反。将同轴的两组结构参数一致的弱耦合谐振器的振动幅度比例进行求差运算，可以避免输出响应曲线严重非线性区的出现，同时有效的抑制外界共模干扰。
本发明的有益效果：本发明相对于现有技术而言具有以下优点：
1、采用双轴敏感结构，可以敏感平面内两个方向的惯性加速度；
2、采用力放大结构对外界引入惯性力进行放大，提升加速度计的绝对机械灵敏度；
3、采用弱耦合谐振器的振动幅度比例信号作为检测信号，提升加速计的相对机械灵敏度，并且提升加速度计的温度稳定性；
4、采用两组结构参数一致的弱耦合谐振器的振动幅度比例之差作为整体输出信号，相对于原有的单一弱耦合谐振器的振动幅度比例信号输出，可以有效避免输出响应曲线严重非线性区的出现，同时有效的抑制外界共模干扰，进一步提升加速度计的环境稳定性。
附图说明
图1为本发明的整体机械结构示意图；
图2为本发明的信号敏感结构示意图；
图3(a)为本发明的弱耦合谐振器结构示意图；
图3(b)为本发明的弱耦合谐振器结构示意图；
图3(c)为本发明的弱耦合谐振器结构示意图；
图3(d)为本发明的弱耦合谐振器结构示意图；
图4(a)为本发明的力放大杠杆结构示意图；
图4(b)为本发明的力放大杠杆结构示意图；
图4(c)为本发明的力放大杠杆结构示意图；
图4(d)为本发明的力放大杠杆结构示意图；
图5为本发明的信号引出结构的信号引线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明提供的一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计采用双层结构，包括上层的信号敏感结构以及下层的信号引出结构5。上层信号敏感结构通过硅微加工技术加工而成，下层信号引出结构5通过玻璃湿法刻蚀及金属层溅射技术加工而成，上层的信号敏感结构通过阳极键合技术键合在下层的信号引出结构5之上。
如图2所示，所述上层信号敏感结构由惯性质量块1，第一、二、三、四弱耦合谐振器2-1、2-2、2-3、2-4，第一、二、三、四力放大结构3-1、3-2、3-3、3-4组成；其中第一弱耦合谐振器2-1位于惯性质量块1的左侧，与第一力放大结构3-1上的第一输出直梁3-1-1相连接；所述第二弱耦合谐振器2-2位于惯性质量块1的下侧，与第二力放大结构3-2的第二输出直梁3-2-1相连接；所述第三弱耦合谐振器2-3位于惯性质量块1的右侧，与第三力放大结构3-3的第三输出直梁3-3-1相连接；所述第四弱耦合谐振器2-4位于惯性质量块1的上侧，与第四力放大结构3-4的第四输出直梁3-4-1相连接。
其中第一、二、三、四力放大结构3-1、3-2、3-3、3-4的第一、二、三、四输入直梁3-1-2、3-2-2、3-3-2、3-4-2均与惯性质量块1相连接；
如图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)所示：所述第一、二、三、四弱耦合谐振器2-1、2-2、2-3、2-4的结构完全相同。
如图3(a)所示，具体以第一弱耦合谐振器2-1为例：
其中第一弱耦合谐振器2-1由一组第一单端固定振动部件2-1-3，一组第一双端固定振动部件2-1-4，第一、二弱耦合梁2-1-1、2-1-2，第一、二、三、四激励信号施加机构2-1-5、2-1-6、2-1-7、2-1-8，第一、二、三、四、五、六、七八敏感信号检测机构2-1-9、2-1-10、2-1-11、2-1-12、2-1-13、2-1-14、2-1-15、2-1-16组成；
第一单端固定振动部件2-1-3和第一双端固定振动部件2-1-4分别通过第一、二弱耦合梁2-1-1、2-1-2相连接；
第一、二、三、四激励信号施加结构2-1-5、2-1-6、2-1-7、2-1-8布置在第一单端固定振动部件2-1-3和第一双端固定振动部件2-1-4的外侧，组成激励电容组；第一、二、三、四、五、六、七八敏感信号检测机构2-1-9、2-1-10、2-1-11、2-1-12、2-1-13、2-1-14、2-1-15、2-1-16布置在第一单端固定振动部件2-1-3和第一双端固定振动部件2-1-4的内侧，组成敏感电容组。
如图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)所示所述第一、二、三、四力放大结构3-1、3-2、3-3、3-4结构完全相同。
如图4(a)所示，具体以第一力放大结构3-1为例，第一力放大结构3-1由第一输出直梁3-1-1、第一输入直梁3-1-2、第一支撑直梁3-1-3、第一杠杆3-1-4、第一杠杆锚点3-1-5组成。第一杠杆锚点3-1-5通过第一支撑直梁3-1-3与第一杠杆3-1-4相连接。
本发明中的信号引出结构的金属电极及金属引线布置如图5所示。
所述金属电极包括第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五、第十六激励电容电极4-9-3、4-9-4、4-10-3、4-10-4、4-11-3、4-11-4、4-12-3、4-12-4、4-13-3、4-13-4、4-14-3、4-14-4、4-15-3、4-15-4、4-16-3、4-16-4；
第一第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八激励电容引出电极4-1-3、4-1-4、4-2-3、4-2-4、4-3-3、4-3-4、4-4-3、4-4-4；
第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五、第十六、第十七、第十八、第十九、第二十、第二十一、第二十二、第二十三、第二十四、第二十五、第二十六、第二十七、第二十八、第二十九、第三十、第三十二检测电容电极4-9-1、4-9-2、4-9-5、4-9-6、4-10-1、4-10-2、4-10-5、4-10-6、4-11-1、4-11-2、4-11-5、4-11-6、4-12-1、4-12-2、4-12-5、4-12-6、4-13-1、4-13-2、4-13-5、4-13-6、4-14-1、4-14-2、4-14-5、4-14-6、4-15-1、4-15-2、4-15-5、4-15-6、4-16-1、4-16-2、4-16-5、4-16-6；
第一、二、三、四、五、六、七、八检测电容引出电极4-1-1、4-1-2、4-2-1、4-2-2、4-3-1、4-3-2、4-4-1、4-4-2，第一、二、三、四载波电极4-18-1、4-18-2、4-18-3、4-18-4；第一、二、三、四载波引出电极4-17-1、4-17-2、4-17-3、4-17-4。
本发明的基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计受到的惯性力表达如下：
F＝ma 1)
其中m为惯性质量块的质量大小。惯性质量产生的惯性力被力放大结构放大，进一步作用在单端固定振动部件的振动梁上，从而导致单端固定振动部件的振动梁轴向刚度产生差异，轴向刚度变化大小具体表达如下：
Figure BDA0002491989870000091
其中kg为振动梁的几何刚度系数，λ为惯性力衰减系数，A为力放大结构的放大倍数。单端固定振动部件的振动梁轴向刚度发生变化时，弱耦合谐振器的运动特性发生变化，单端固定振动部件和双端固定振动部件的振动梁的振动幅度比例发生变化。因此，同轴的谐振子结构的弱耦合谐振器的振动幅度比例之差表达式为：
Figure BDA0002491989870000092
从式(3)可以看出，加速度计受到的外界惯性力越大，振动幅度比例之差变化越大。因此，通过测量振动幅度比例的变化程度，即可反推外界输入加速度的大小。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计，其特征在于：该加速度计采用双层结构，包括上层的信号敏感结构以及下层的信号引出结构（5）上层信号敏感结构通过硅微加工技术加工而成，下层信号引出结构（5）通过玻璃湿法刻蚀及金属层溅射技术加工而成，表面布置有金属引出电极及信号线，上层的信号敏感结构通过阳极键合技术键合在下层的信号引出结构（5）之上；
所述上层信号敏感结构由惯性质量块（1），第一、二、三、四弱耦合谐振器（2-1、2-2、2-3、2-4），第一、二、三、四力放大结构（3-1、3-2、3-3、3-4）组成；
其中第一弱耦合谐振器（2-1）位于惯性质量块（1）的左侧，与第一力放大结构（3-1）上的第一输出直梁（3-1-1）相连接；
所述第二弱耦合谐振器（2-2）位于惯性质量块（1）的下侧，与第二力放大结构（3-2）的第二输出直梁（3-2-1）相连接；
所述第三弱耦合谐振器（2-3）位于惯性质量块（1）的右侧，与第三力放大结构（3-3）的第三输出直梁（3-3-1）相连接；
所述第四弱耦合谐振器（2-4）位于惯性质量块（1）的上侧，与第四力放大结构（3-4）的第四输出直梁（3-4-1）相连接;
第一、二、三、四力放大结构（3-1、3-2、3-3、3-4）的第一、二、三、四输入直梁（3-1-2、3-2-2、3-3-2、3-4-2）均与惯性质量块（1）相连接；所述加速度计受到惯性力作用时，惯性质量块（1）产生的惯性力被第一、二、三、四力放大结构（3-1、3-2、3-3、3-4）放大，进一步作用在第一、二、三、四力放大结构（3-1、3-2、3-3、3-4）上的第一、二、三、四单端固定振动部件（2-1-3、2-2-3、2-3-3、2-4-3）的振动梁上，从而导致振动梁轴向刚度产生差异，因此第一、二、三、四弱耦合谐振器（2-1、2-2、2-3、2-4）的运动特性发生变化，第一、二、三、四单端固定振动部件（2-1-3、2-2-3、2-3-3、2-4-3）和第一、二、三、四力放大结构（3-1、3-2、3-3、3-4）上的第一、二、三、四双端固定振动部件（2-1-4、2-2-4、2-3-4、2-4-4）的振动梁的振动幅度比例发生变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计，其特征在于：所述第一、二、三、四弱耦合谐振器（2-1、2-2、2-3、2-4）结构完全相同；其中第一弱耦合谐振器（2-1）由一组第一单端固定振动部件（2-1-3），一组第一双端固定振动部件（2-1-4），第一、二弱耦合梁（2-1-1、2-1-2），第一、二、三、四激励信号施加机构（2-1-5、2-1-6、2-1-7、2-1-8），第一、二、三、四、五、六、七八敏感信号检测机构（2-1-9、2-1-10、2-1-11、2-1-12、2-1-13、2-1-14、2-1-15、2-1-16）组成；
第一单端固定振动部件（2-1-3）和第一双端固定振动部件（2-1-4）分别通过第一、二弱耦合梁（2-1-1、2-1-2）相连接；
第一、二、三、四激励信号施加结构（2-1-5、2-1-6、2-1-7、2-1-8）布置在第一单端固定振动部件（2-1-3）和第一双端固定振动部件（2-1-4）的外侧，组成激励电容组；第一、二、三、四、五、六、七八敏感信号检测机构（2-1-9、2-1-10、2-1-11、2-1-12、2-1-13、2-1-14、2-1-15、2-1-16）布置在第一单端固定振动部件（2-1-3）和第一双端固定振动部件（2-1-4）的内侧，组成敏感电容组。
3.根据权利要求1所述的一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计，其特征在于：所述第一、二、三、四力放大结构（3-1、3-2、3-3、3-4）结构完全相同；其中所述第一本力放大结构（3-1）由第一输出直梁（3-1-1）、第一输入直梁（3-1-2）、第一支撑直梁（3-1-3）、第一杠杆（3-1-4）、第一杠杆锚点（3-1-5）组成；其中所述第一杠杆锚点（3-1-5）通过第一支撑直梁（3-1-3）与第一杠杆（3-1-4）相连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于谐振器能量局部化效应的双轴硅微加速度计，其特征在于：所述金属电极包括第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五、第十六激励电容电极（4-9-3、4-9-4、4-10-3、4-10-4、4-11-3、4-11-4、4-12-3、4-12-4、4-13-3、4-13-4、4-14-3、4-14-4、4-15-3、4-15-4、4-16-3、4-16-4）；
第一第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八激励电容引出电极（4-1-3、4-1-4、4-2-3、4-2-4、4-3-3、4-3-4、4-4-3、4-4-4）；
第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五、第十六、第十七、第十八、第十九、第二十、第二十一、第二十二、第二十三、第二十四、第二十五、第二十六、第二十七、第二十八、第二十九、第三十、第三十二检测电容电极（4-9-1、4-9-2、4-9-5、4-9-6、4-10-1、4-10-2、4-10-5、4-10-6、4-11-1、4-11-2、4-11-5、4-11-6、4-12-1、4-12-2、4-12-5、4-12-6、4-13-1、4-13-2、4-13-5、4-13-6、4-14-1、4-14-2、4-14-5、4-14-6、4-15-1、4-15-2、4-15-5、4-15-6、4-16-1、4-16-2、4-16-5、4-16-6）；
第一、二、三、四、五、六、七、八检测电容引出电极（4-1-1、4-1-2、4-2-1、4-2-2、4-3-1、4-3-2、4-4-1、4-4-2），第一、二、三、四载波电极（4-18-1、4-18-2、4-18-3、4-18-4）；第一、二、三、四载波引出电极（4-17-1、4-17-2、4-17-3、4-17-4）。
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