CN112311352A - 一种多自由度缓冲石英芯片 - Google Patents
一种多自由度缓冲石英芯片 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112311352A CN112311352A CN202011241580.5A CN202011241580A CN112311352A CN 112311352 A CN112311352 A CN 112311352A CN 202011241580 A CN202011241580 A CN 202011241580A CN 112311352 A CN112311352 A CN 112311352A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- supporting part
- flexible supporting
- freedom
- quartz chip
- flexible
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000010453 quartz Substances 0.000 title claims abstract description 48
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 48
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 title claims abstract description 20
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 41
- 239000000872 buffer Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 10
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 241001290864 Schoenoplectus Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000000306 component Substances 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/05—Holders; Supports
- H03H9/0538—Constructional combinations of supports or holders with electromechanical or other electronic elements
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
- H03H9/19—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator consisting of quartz
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
本发明公开了一种多自由度缓冲石英芯片，包括敏感单元、载台、第一挠性支撑部、隔离框、第二挠性支撑部及固定块，其中：敏感单元的非谐振部与载台相连；载台通过第一挠性支撑部与隔离框内侧连接，第一挠性支撑部在X、Y方向的刚度小于在Z方向的刚度；隔离框外侧通过第二挠性支撑部与固定块连接，第二挠性支撑部在Z方向的刚度小于在X、Y方向的刚度；固定块用于支撑石英芯片。本发明公开了具有X、Y、Z三方向多个自由度缓冲的石英芯片结构，能有效避免敏感单元振动能量耗散，提高了敏感单元振动的稳定性，同时也衰减了通过固定块传递的三个方向上的外部振动、温度因素对敏感单元的影响，提高了石英芯片的环境适应性。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域，具体涉及一种多自由度缓冲石英芯片。
背景技术
在航天、航空、电子等领域，广泛应用着各类微型传感器，包括角速度传感器、加速度传感器、压力传感器以及温度传感器等。石英晶体材料由于具有品质因数高、物理性能稳定、时间及温度稳定性好、具有压电效应等特点，常用于制作各种类型传感器的基材。基于石英晶体材料制作的各类传感器，其谐振敏感单元大都设计成振梁或音叉结构，并利用石英晶体的压电效应，进行振动激励和信号检测。石英谐振敏感单元是微型传感器的核心部件，其谐振状态的稳定性直接影响传感器的性能。
石英芯片的稳定性容易受到外部振动和温度的影响。为提高石英芯片的振动稳定性，通常通过优化敏感单元的振动节点位置，使芯片振动节点位置处于固定块支撑结构位置，从而避免振动能量耗散，提高频率稳定性，同时也避免了外界振动条件对敏感单元的影响；另外一种方案为通过在敏感单元外部设计一个缓冲结构，以实现外部振动和热的隔离；但由于敏感单元的振动节点位置的优化，在实际制作中由于工艺误差会导致优化效果不理想；同时，传统技术设计的缓冲结构往往都只具有单个自由度，不能实现多个自由度的缓冲效果。
因此，如何实现石英芯片中敏感单元的多自由度缓冲成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明公开了一种用与敏感单元相同材料制成的多自由度缓冲芯片结构，将三个方向的缓冲集成到一个一体式芯片结构中，在保证敏感单元热稳定性的同时，增强了芯片的多纬度抗振动能力：
一种多自由度缓冲石英芯片，包括敏感单元、载台、第一挠性支撑部、隔离框、第二挠性支撑部及固定块，其中：
敏感单元的非谐振部与载台相连；
载台通过第一挠性支撑部与隔离框内侧连接，第一挠性支撑部在X、Y方向的刚度小于在Z方向的刚度，X、Y及Z分别为敏感单元的宽度方向、长度方向及厚度方向；
隔离框外侧通过第二挠性支撑部与固定块连接，第二挠性支撑部在Z方向的刚度小于在X、Y方向的刚度；
固定块用于支撑石英芯片。
优选地，第一挠性支撑部为杆状部件，4个第一挠性支撑部在XY平面内相对于敏感单元呈X型设置，两端分别连接载台及隔离框内侧，第一挠性支撑部在XY平面内与X轴的夹角为大小为30°、45°或60°。
优选地，隔离框沿敏感单元的长度方向的两端分别朝敏感单元的宽度方向两侧延伸形成两组连接部，两个固定块分别设置在两组连接部中间区域，每个固定块两端各通过一个第二挠性支撑部与连接部相连。
优选地，所述第一挠性支撑部的宽度为厚度的20％～60％；所述第二挠性支撑部的厚度为宽度的20％～60％，且所述第二挠性支撑部的厚度为所述隔离框和/或所述固定块厚度的30％～80％。
优选地，载台、第一挠性支撑部、隔离框、第二挠性支撑部与固定块一体式集成设计在单芯片上。
优选地，多自由度缓冲石英芯片中各部件均采用具有压电效应的石英晶体制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在石英芯片中构成了谐振敏感单元—挠性支撑部—隔离框—挠性支撑部—固定块的复合结构，即在石英芯片中形成了两个挠性支撑的二级缓冲振动隔离一体式复合结构，该结构可以实现X、Y、Z三个方向多自由度的缓冲效果，避免了敏感单元振动能量耗散，有效提高了敏感单元三个方向上振动的稳定性；同时也衰减了通过固定块传递的三个方向上的外部振动、温度因素对敏感单元性能的影响，提高了石英芯片的环境适应性；同时，将载台、挠性支撑部、隔离框一体式集成设计在单结构上，其中，第一挠性支撑部的四根支撑柱在XY平面内呈“X”形状，既可以在X、Y轴向实现缓冲效果，又符合石英晶体材料的各向异性特征，工艺加工效果好，同时有利于芯片尺寸的微型化及降低芯片制作难度。敏感单元与二级缓冲隔离结构用相同的材料制成，具有相同的热膨胀系数，提高了芯片温度稳定性。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1是本发明实施例1的石英芯片的结构示意图；
图2a是本发明实施例1中的石英芯片的正视图，图2b是其A1-A1剖视图；
其中：1-石英芯片；2-敏感单元；3-载台；4-第一挠性支撑部；5-隔离框；6-第二挠性支撑部；7-固定块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1至2所示，本发明公开了一种多自由度缓冲石英芯片，包括敏感单元、载台、第一挠性支撑部、隔离框、第二挠性支撑部及固定块，其中：
敏感单元的非谐振部与载台相连；
载台通过第一挠性支撑部与隔离框内侧连接，第一挠性支撑部在X、Y方向的刚度小于在Z方向的刚度，X、Y及Z分别为敏感单元的宽度方向、长度方向及厚度方向；
隔离框外侧通过第二挠性支撑部与固定块连接，第二挠性支撑部在Z方向的刚度小于在X、Y方向的刚度；
固定块用于支撑石英芯片。
本发明中，敏感单元依次通过载台、第一挠性支撑部与隔离框内侧连接，构成第一级缓冲结构，隔离框通过第二挠性支撑部与固定块连接，构成第二级缓冲结构。也即是，在石英芯片中构成了敏感单元—挠性支撑部—隔离框—挠性支撑部—固定块的复合结构，即在石英芯片中形成了一个挠性支撑的二级缓冲振动隔离结构形式。本发明的芯片复合结构能有效避免敏感单元振动能量耗散，提高了敏感单元振动的稳定性，同时也衰减了通过固定块传递的外部振动、温度因素对敏感单元的影响，提高了敏感芯片的环境适应性。此外，由于第一挠性支撑部在X、Y方向的刚度小于在Z方向的刚度，因此，第一挠性支撑部可以在X、Y方向形成缓冲，第二挠性支撑部在Z方向的刚度小于在X、Y方向的刚度，因此，第二挠性支撑部可以在Z方向形成缓冲，最终可以使得本发明公开的多自由度缓冲石英芯片在X、Y、Z三个方形均形成缓冲，实现了多个自由度的缓冲。
具体实施时，第一挠性支撑部为杆状部件，4个第一挠性支撑部在XY平面内相对于敏感单元呈X型设置，两端分别连接载台及隔离框内侧，第一挠性支撑部在XY平面内与X轴的夹角为30°、45°或60°。
本发明中，采用4个第一挠性支撑部连接载台与隔离框内侧，保证了结构强度与稳定性。此外，采用第一挠性支撑部相对于敏感单元呈X型设置，使得本发明中，只使用4个结构相同的第一挠性支撑部即可实现X、Y两个方向的缓冲，简化了本发明公开的石英芯片的结构，有利于石英芯片的加工和制造。此外，石英晶体属于三角晶系，在用湿法腐蚀加工时在与X轴成30°、60°夹角的方向，晶体腐蚀效果最好，结构侧面轮廓平整，因此，本发明还对第一挠性支撑部与X轴的夹角进行了限定，使得第一挠性支撑部除了实现X、Y方向的缓冲外，还符合石英晶体材料的各向异性特征，工艺加工效果好。
具体实施时，隔离框沿敏感单元的长度方向的两端分别朝敏感单元的宽度方向两侧延伸形成两组连接部，两个固定块分别设置在两组连接部中间区域，每个固定块两端各通过一个第二挠性支撑部与连接部相连。在X型设置的基础上，本发明中的第二挠性支撑部也相对于敏感单元对称设置在敏感单元的两侧，使得整个石英芯片呈对称结构，有效地提高了结构的稳定性。此外，本发明中，芯片两侧均采用一个固定块通过两个片状的第二挠性支撑部与隔离框延伸出的连接部相连，与采用单个第二挠性支撑部相比，缓冲性能也得到了有效的提升。
具体实施时，所述第一挠性支撑部的宽度为厚度的20％～60％；所述第二挠性支撑部的厚度为宽度的20％～60％，且所述第二挠性支撑部的厚度为所述隔离框和/或所述固定块厚度的30％～80％。
第一挠性支撑部、隔离框、第二挠性支撑部构成的二级缓冲隔离结构符合隔振效率公式
描述的规律，其中，
ω为敏感单元频率，ωn为隔振系统频率；ξ为系统阻尼比系数，当
时，η＜1，起到隔振效果。
具体实施时，载台、第一挠性支撑部、隔离框、第二挠性支撑部与固定块一体式集成设计在单芯片上。
二级缓冲结构一体式集成设计在单体结构上，有利于器件尺寸的微型化及降低器件制作难度。此外，本发明中敏感单元也是一体式的。加工好的敏感单元和二级缓冲结构，只需要简单粘贴在一起就可以了，整体工艺简单，步骤少，效率高。
具体实施时，多自由度缓冲石英芯片中各部件均采用具有压电效应的石英晶体制成。
本发明中，采用相同的石英晶体制作敏感单元及多自由度缓冲的结构，将两者粘贴在一起时，由于是相同的材料，热膨胀系数相同，温度性能最好。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (6)
1.一种多自由度缓冲石英芯片(1)，其特征在于，包括敏感单元(2)、载台(3)、第一挠性支撑部(4)、隔离框(5)、第二挠性支撑部(6)及固定块(7)，其中：
所述敏感单元(2)的非谐振部与所述载台(3)相连；
所述载台(3)通过所述第一挠性支撑部(4)与所述隔离框(5)内侧连接，所述第一挠性支撑部(4)在X、Y方向的刚度小于在Z方向的刚度，X、Y及Z分别为所述敏感单元(2)的宽度方向、长度方向及厚度方向；
所述隔离框(5)外侧通过所述第二挠性支撑部(6)与所述固定块(7)连接，所述第二挠性支撑部(6)在Z方向的刚度小于在X、Y方向的刚度；
所述固定块(7)用于支撑石英芯片。
2.如权利要求1所述的多自由度缓冲石英芯片(1)，其特征在于，所述第一挠性支撑部(4)为杆状部件，4个所述第一挠性支撑部(4)在XY平面内相对于所述敏感单元(2)呈X型设置，两端分别连接所述载台(3)及所述隔离框(5)内侧，所述第一挠性支撑部(4)在XY平面内与X轴的夹角为大小为30°、45°或60°。
3.如权利要求2所述的多自由度缓冲石英芯片(1)，其特征在于，所述隔离框(5)沿所述敏感单元(2)的长度方向的两端分别朝所述敏感单元(2)的宽度方向两侧延伸形成两组连接部，两个所述固定块(7)分别设置在两组连接部中间区域，每个所述固定块(7)两端各通过一个所述第二挠性支撑部(6)与连接部相连。
4.如权利要求1所述的多自由度缓冲石英芯片(1)，其特征在于，所述第一挠性支撑部(4)的宽度为厚度的20％～60％；所述第二挠性支撑部(6)的厚度为宽度的20％～60％，且所述第二挠性支撑部(6)的厚度为所述隔离框(5)和/或所述固定块(7)厚度的30％～80％。
5.如权利要求1所述的多自由度缓冲石英芯片(1)，其特征在于，所述载台(3)、所述第一挠性支撑部(4)、所述隔离框(5)、所述第二挠性支撑部(6)与所述固定块(7)一体式集成设计在单芯片上。
6.如权利要求1所述的多自由度缓冲石英芯片(1)，其特征在于，多自由度缓冲石英芯片(1)中各部件均采用具有压电效应的石英晶体制成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011241580.5A CN112311352B (zh) | 2020-11-09 | 2020-11-09 | 一种多自由度缓冲石英芯片 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011241580.5A CN112311352B (zh) | 2020-11-09 | 2020-11-09 | 一种多自由度缓冲石英芯片 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112311352A true CN112311352A (zh) | 2021-02-02 |
| CN112311352B CN112311352B (zh) | 2024-05-03 |
Family
ID=74325345
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011241580.5A Active CN112311352B (zh) | 2020-11-09 | 2020-11-09 | 一种多自由度缓冲石英芯片 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112311352B (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4406966A (en) * | 1980-01-28 | 1983-09-27 | Paroscientific, Inc. | Isolating and temperature compensating system for resonators |
| US4930351A (en) * | 1988-03-24 | 1990-06-05 | Wjm Corporation | Vibratory linear acceleration and angular rate sensing system |
| US5596145A (en) * | 1994-09-29 | 1997-01-21 | Alliedsignal Inc. | Monolithic resonator for vibrating beam force sensors |
| JP2006262100A (ja) * | 2005-03-17 | 2006-09-28 | Daishinku Corp | 圧電振動子 |
| US20080143217A1 (en) * | 2006-12-13 | 2008-06-19 | Gavin Kar-Fai Ho | Process compensated micromechanical resonators |
| US20100031746A1 (en) * | 2008-08-06 | 2010-02-11 | Quartz Seismic Sensors, Inc. | High-resolution digital seismic and gravity sensor and method |
| CN103713157A (zh) * | 2014-01-09 | 2014-04-09 | 中国电子科技集团公司第二十六研究所 | 谐振式加速度传感器件 |
| CN103760381A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-04-30 | 东南大学 | 一种一体式的石英振梁加速度计 |
| CN107834991A (zh) * | 2017-10-31 | 2018-03-23 | 中电科技集团重庆声光电有限公司 | 一种石英谐振敏感芯片 |
-
2020
- 2020-11-09 CN CN202011241580.5A patent/CN112311352B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4406966A (en) * | 1980-01-28 | 1983-09-27 | Paroscientific, Inc. | Isolating and temperature compensating system for resonators |
| US4930351A (en) * | 1988-03-24 | 1990-06-05 | Wjm Corporation | Vibratory linear acceleration and angular rate sensing system |
| US5596145A (en) * | 1994-09-29 | 1997-01-21 | Alliedsignal Inc. | Monolithic resonator for vibrating beam force sensors |
| JP2006262100A (ja) * | 2005-03-17 | 2006-09-28 | Daishinku Corp | 圧電振動子 |
| US20080143217A1 (en) * | 2006-12-13 | 2008-06-19 | Gavin Kar-Fai Ho | Process compensated micromechanical resonators |
| US20100031746A1 (en) * | 2008-08-06 | 2010-02-11 | Quartz Seismic Sensors, Inc. | High-resolution digital seismic and gravity sensor and method |
| CN103713157A (zh) * | 2014-01-09 | 2014-04-09 | 中国电子科技集团公司第二十六研究所 | 谐振式加速度传感器件 |
| CN103760381A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-04-30 | 东南大学 | 一种一体式的石英振梁加速度计 |
| CN107834991A (zh) * | 2017-10-31 | 2018-03-23 | 中电科技集团重庆声光电有限公司 | 一种石英谐振敏感芯片 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 林日乐等: "石英微机械陀螺敏感器件的可靠性分析", 《压电与声光》, vol. 35, no. 4, pages 511 - 513 * |
| 林日乐等: "石英微机械陀螺敏感芯片的结构解耦特性研究", 《压电与声光》, vol. 39, no. 3, 15 June 2017 (2017-06-15), pages 321 - 323 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112311352B (zh) | 2024-05-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111156982A (zh) | Mems陀螺仪 | |
| CN104820113A (zh) | 一种集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器 | |
| Hao et al. | Support loss in micromechanical disk resonators | |
| CN107356240B (zh) | 具有驱动频率调节结构的mems陀螺仪 | |
| JP2011226941A (ja) | 振動型力検出センサー、及び振動型力検出装置 | |
| JP2008286521A (ja) | 回転速度検知ユニット、及び回転速度センサ | |
| CN109387191B (zh) | 一种高温度适应性mems平面谐振陀螺结构 | |
| CN115078767B (zh) | 一种具有应力释放的mems加速度计传感器敏感结构 | |
| CN216593437U (zh) | 一种mems陀螺仪及电子设备 | |
| CN112311352A (zh) | 一种多自由度缓冲石英芯片 | |
| CN111812355A (zh) | 一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计结构 | |
| WO2023186168A1 (zh) | 谐振器、电子元器件和谐振系统 | |
| CN117129710A (zh) | Mems加速度计去耦结构、mems加速度计及制备方法 | |
| CN107834991A (zh) | 一种石英谐振敏感芯片 | |
| JP2004069349A (ja) | 容量式加速度センサ | |
| WO2001051934A1 (en) | Temperature compensated oscillating accelerometer with force multiplier | |
| CN113740560B (zh) | 一种弱耦合谐振式加速度传感器 | |
| CN114994362A (zh) | Z轴加速度计敏感结构及z轴加速度计 | |
| JP2008197030A (ja) | 応力感応素子 | |
| JP6958533B2 (ja) | 振動式センサ装置 | |
| CN107702704A (zh) | 一种石英微振动陀螺 | |
| US20210372498A1 (en) | Two-Dimensional Folded Beam-Based Passive Energy Absorber | |
| CN115790910B (zh) | 一种压力传感器 | |
| JP6010731B2 (ja) | 弾性表面波型加速度センサおよびセンサ素子基体 | |
| CN118275731A (zh) | 一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |