CN112858723A - 硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置与方法，加速度计结构设置在三层单晶硅的中层单晶硅片上，该结构包括质量块、两个谐振器、四个微杠杆放大机构、应力释放机构、多个支撑梁和多个固定基座；两个谐振器沿着x轴对称布置在质量块中间，微杠杆放大机构位于两个谐振器之间；两个谐振器内侧一端分别与两个微杠杆的输出端相连，与同一个谐振器相连的两个微杠杆的支点端连接到同一个应力释放机构，应力释放机构再与固定基座相连，谐振器的另一端也设有应力释放机构；微杠杆放大机构与质量块相连，质量块通过支撑梁与固定基座相连，固定基座与上、下层单晶硅的固定基座相连。本装置提高了加速度计抗振动抗冲击能力，减小了温度系数。

Description

硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置与方法

技术领域

本发明属于微机电系统MEMS中的微惯性测量技术领域，特别是一种硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置与方法。

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，研制的加速度计主要应用于战略导弹，零偏月稳定性达2μg，标度因数月稳定性达0.73ppm。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。硅微谐振式加速度计目前所要解决的关键问题是其温度特性，而其温度性能较差的主要原因MEMS工艺和封装过程中产生的残余热应力。针对该问题，常采用应力隔离框架或单固定基座支撑的结构方案，以减小锚点处应力对谐振梁的影响，但存在几个弊端：1)应力隔离结构或单固定基座使得硅微谐振式加速度计结构的干扰模态增多，在振动和冲击等力学环境下，这些干扰模态易被激发，从而影响加速度计输出；2)应力隔离结构增加了芯片面积，芯片面积增加或固定基座减小，都使得加速度计结构芯片在厚度方向的刚度减小，在MEMS工艺或封装过程中结构芯片翘曲加剧，则在面内产生较大的热应力，从而影响加速度计温度特性；3)应力隔离结构的应力隔离效果越好，谐振器标度因数越低。南京理工大学早期研制的硅微谐振式加速度计结构(200810025574、201010186252.X)在质量块的四角布置四个固定基座，质量块通过支撑梁与这四个固定基座相连。由于硅微谐振式加速度计质量块大，在加速度计工作频率附近仍然存在许多干扰模态，振动特性差；同时整体结构在厚度方向的刚度较小，在MEMS工艺和封装工程中产生的翘曲大，从而硅微谐振式加速度计温度特性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置与方法，以提高加速度计抗振动、抗冲击能力，减小加速度计的温度系数。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置，由上层单晶硅、中间层单晶硅和下层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入/出的引线、吸气剂以及固定基座的硅微谐振式加速度计封装盖板，中间层单晶硅片上制作的为硅微谐振式加速度计机械结构，下层单晶硅为布置有固定基座的加速度计衬底，中间层单晶硅密封在由上层单晶硅和下层单晶硅形成的密闭空腔中；

所述加速度计衬底结构包括质量块、两个谐振器、四个微杠杆放大机构、多个支撑梁和多个分立的固定基座、分别对应于两个谐振器的第一应力释放机构、第二应力释放机构；

所述的两个谐振器沿着x轴对称布置在质量块中间，四个微杠杆放大机构位于两个谐振器之间，并两两关于x、y轴对称布置，以使四个微杠杆放大机构的放大倍数和刚度一致，以及两个谐振器的灵敏度一致；两个谐振器内侧的一端分别与两个微杠杆的输出端相连，与同一个谐振器相连的两个微杠杆的支点端连接到同一个应力释放机构，第一应力释放机构与一个固定基座相连，第二应力释放机构与另外一个固定基座相连，谐振器的另一端设有第三应力释放机构；微杠杆放大机构的输入端与质量块相连，用于消除与谐振器一起沿x轴向的振动模态；质量块通过多根支撑梁与多个固定基座相连，所有固定基座均与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间。

一种硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制抑制方法，通过调节所述支撑梁和与之相连固定基座个数和位置，并调节支撑梁与微杠杆放大机构的刚度比，消除质量块运动的干扰模态，并提高干扰模态与工作模态的频率差，同时提高硅微谐振式加速度计系统放大倍数；微杠杆输入端采用两根相互垂直的折叠梁，调节微杠杆放大机构折叠梁的轴向刚度与弯曲刚度比，消除微杠杆与谐振器一起沿x轴向的振动模态，并使得微杠杆放大机构的放大倍数接近理想放大倍数。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)采用了多个分立的固定基座，抑制了硅微谐振式加速度计质量块的干扰模态，提高了加速度计抗振动、抗冲击能力；(2)微杠杆的输入端采用了一根折叠梁和一根与之垂直的折叠梁，即保证了微杠杆的放大倍数，同时消除了微杠杆与谐振器一起沿x轴向的振动模态；(3)采用了多个分立的固定基座，增加了结构芯片厚度方向的刚度，大大减小了MEMS工艺和封装过程中产生的翘曲，从根本上减小了固定基座上的残余应力，从而减小了谐振梁上的轴向应力，减小了加速度计的温度系数；(4)MEMS工艺在小尺寸范围内的加工一致性好，四个微杠杆相邻布置，且两个谐振器位置接近，则四个微杠杆和两个谐振器的结构尺寸和残余应力接近，确保了微杠杆的放大倍数和刚度一致，以及谐振器的灵敏度一致；(5)与微杠杆相连的两个固定基座相邻布置但不相连，一是减小了两个谐振器上应力分布差异，两个谐振器输出经过差分后，可消除大部分的温度系数，二是减少了两个谐振器间的能量耦合。

附图说明

图1是本发明的硅微谐振式加速度计的模态抑制装置结构剖面示意图。

图2是本发明的硅微谐振式加速度计的模态抑制装置结构示意图。

图3是本发明的硅微谐振式加速度计的谐振器结构示意图。

图4是本发明的硅微谐振式加速度计的微杠杆放大机构结构示意图。

图5是第一应力释放结构示意图。

图6是第三应力释放结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1，本发明的一种硅微谐振式加速度计的模态抑制装置，用于实现平行于基座水平线加速度的测量，装置由上层单晶硅51、中间层单晶硅52和下层单晶硅53构成，上层单晶硅51为布置有信号输入/出的引线54、吸气剂55以及固定基座56的硅微谐振式加速度计封装盖板，中间层单晶硅52上制作的为硅微谐振式加速度计机械结构，下层单晶硅53为布置有固定基座57的加速度计衬底，中间层单晶硅52密封在由上层单晶硅51和下层单晶硅53形成的密闭空腔中。

图2为中间层单晶硅俯视图，整个中间层单晶硅52关于中心十字轴对称(关于x轴和y轴均对称)，中间层单晶硅52上的硅微谐振式加速度计机械结构由质量块1、第一、二谐振器2a、2b、第一、二、三、四微杠杆放大机构3a、3b、3c、3d、第一～十六支撑梁4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i、4j、4k、4l、4m、4n、4o、4p、第一、二应力释放机构5a、5b和第一～十八固定基座6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、6i、6j、6k、6l、6m、6n、6o、6p、6q、6r组成。第一、二谐振器2a、2b关于x轴对称布置在质量块1的中间，第一、二、三、四微杠杆放大机构3a、3b、3c、3d位于第一、二谐振器2a、2b中间，第一、二微杠杆放大机构3a、3b与第三、四微杠杆放大机构3c、3d关于x轴对称，第一、四微杠杆放大机构3a、3d与第二、三微杠杆放大机构3b、3c关于检测轴(y轴)对称，使得四个微杠杆放大机构的放大倍数和刚度一致，以及两个谐振器的灵敏度一致；第一谐振器2a与第二谐振器2b相邻的一端与第一、二微杠杆放大机构3a、3b的输出端相连，第二谐振器2b与第一谐振器2a相邻的一端与第三、四微杠杆放大机构3c、3d的输出端相连，第一、二微杠杆放大机构3a、3b的支点端通过第一应力释放机构5a与第一固定基座6a相连，第三、四微杠杆放大机构3c、3d的支点端通过第二应力释放机构5b与第二固定基座6b相连，第一应力释放机构5a和第一固定基座6a位于第一、二微杠杆放大机构3a、3b之间，第二应力释放机构5b和第二固定基座6b位于第三、四微杠杆放大机构3c、3d之间，第一固定基座6a与第二固定基座6b距离小，从而减小两个谐振器温度系数的差异，差分后减小谐振式加速度计输出的温度系数，同时减少了两个谐振器间的耦合。第一、二、三、四微杠杆放大机构3a、3b、3c、3d的输入端均由两根互相垂直的折叠梁组成，分别与质量块1相连。质量块1通过第一～十六支撑梁4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i、4j、4k、4l、4m、4n、4o、4p与分立的第三～十八固定基座6c、6d、6e、6f、6g、6h、6i、6j、6k、6l、6m、6n、6o、6p、6q、6r相连，第一～十八固定基座6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、6i、6j、6k、6l、6m、6n、6o、6p、6q、6r与上层单晶硅51和下层单晶硅53的固定基座相连，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间。

结合图3，第一谐振器2a与第二谐振器2b的组成及结构完全相同，第一谐振器2a由第一、二谐振梁201a、201b、连接块202、第三应力释放机构203、固定基座204、第一、二固定驱动电极205a、205b、第一、二、三、四固定检测电极206a、206b、206c、206d以及活动梳齿207组成。第一、二谐振梁201a、201b左右并列布置，且中间相连，一端均通过第三应力释放机构203与固定基座204相连；第一、二谐振梁201a、201b的另一端均与连接块202b相连，连接块202b再连接到第一、二微杠杆放大机构3a、3b的输出端。在第一谐振梁201a左侧，沿着梁长方向依次布置了第一固定检测电极206a、第一固定驱动电极205a和第二固定检测电极206b，在第二谐振梁201b右侧，沿着梁长方向依次布置了第三固定检测电极206c、第二固定驱动电极205b和第四固定检测电极206d。布置在第一、二谐振梁201a、201b两侧的活动梳齿207与第一、二驱动电极205a、205b上的固定梳齿对插形成驱动电容，活动梳齿207与第一、二、三、四固定检测电极206a、206b、206c、206d上的固定梳齿对形成检测电容。固定基座204、第一、二固定驱动电极205a、205b和第一、二、三、四固定检测电极206a、206b、206c、206d分别与上层单晶硅51和下层单晶硅53对应的固定基座相连。

结合图4，第一微杠杆放大机构3a与第二、三、四微杠杆放大机构3b、3c、3d的组成与结构完全相同，第一微杠杠放大机构3a由力臂301、输入端302、输出梁303和支点梁304组成。所述输入端302与质量块1相连，输出梁403用于与对应位置的谐振器的连接块202相连；输入端302采用了一根与力臂301相互垂直的第一折叠梁305a和一根与第一折叠梁305a垂直的第二折叠梁305b，第二折叠梁305b的弯曲刚度小，确保了力臂301能够绕支点梁304自由旋转，保证了微杠杆的放大倍数，第二折叠梁305b的轴向(x方向)刚度大，抑制了谐振器与微杠杆一起沿x轴方向的振动模态；第一折叠梁305a和第二折叠梁305b可以为U型梁或多折梁，确保支点端的弯曲刚度小。输入端302的第一折叠梁305a与输出梁303布置在力臂301长度方向的同一侧，且均与力臂301垂直，支点梁304布置在力臂301长度方向的另一侧，与力臂301垂直。

结合图5，第一应力释放结构5a与第二应力释放结构5b的组成与结构完全相同，第一应力释放结构5a由微杠杆连接块501、连接块502和梳齿503组成。连接块502的一端与微杠杆连接块501相连，连接块502的另一端上布置了梳齿503，微杠杆连接块501分别与第一、二微杠杆放大机构4a、4b的支点端相连，梳齿503与第一固定基座6a相连。第一、二应力释放结构5a、5b的结构形式简单，节省了芯片面积，且有效释放了应力。

结合图6，第三应力释放结构203由外框2031、第一、二、三、四隔离梁2032a、2032b、2032c、2032d组成，第一、二、三、四隔离梁2032a、2032b、2032c、2032d的一端与固定基座204连接，且中心对称布置在固定基座204四周，第一、二、三、四隔离梁2032a、2032b、2032c、2032d的另一端与框架2031相连，第一、二、三、四隔离梁2032a、2032b、2032c、2032d和固定基座204布置在框架2031内。第三应力释放结构203能有效释放应力，同时提供了足够的刚度，保证了加速度计的灵敏度。

本发明的硅微谐振式加速度计的模态抑制装置实现平行于基座水平的y方向线加速度的测量，当有沿y方向的加速度a输入时，在质量块m上产生惯性力F＝-ma，该惯性力分别作用于四个一级杠杆放大机构上，在杠杆放大的作用下，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＝2f₀κAma

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成正比，通过检测上下谐振器的频率差，则测量输入加速度。

结合图2和图3，硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制方法为：调节所述支撑梁(4a～4p)和与之相连固定基座(6c～6r)的个数和位置，并调节支撑梁(4a～4p)与第一、二、三、四微杠杆放大机构3a、3b、3c、3d的刚度比，消除质量块1运动的某些干扰模态，并提高其它干扰模态与工作模态的频率差，同时提高硅微谐振式加速度计系统放大倍数；第一、二、三、四微杠杆放大机构3a、3b、3c、3d的输入端302采用两根相互垂直的第一折叠梁305a和第二折叠梁305b，调节第一折叠梁305a和第二折叠梁305b的轴向刚度与弯曲刚度比，消除第一、二微杠杆放大机构3a、3b与第一谐振器2a一起沿x轴向的振动模态，消除第三、四微杠杆放大机构3c、3d与第二谐振器2b一起沿x轴向的振动模态，并使得第一、二、三、四微杠杆放大机构3a、3b、3c、3d放大倍数接近理想放大倍数。

Claims (7)

1.一种硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置，其特征在于，由上层单晶硅、中间层单晶硅和下层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入/出的引线、吸气剂以及固定基座的硅微谐振式加速度计封装盖板，中间层单晶硅片上制作的为硅微谐振式加速度计机械结构，下层单晶硅为布置有固定基座的加速度计衬底，中间层单晶硅密封在由上层单晶硅和下层单晶硅形成的密闭空腔中；

所述加速度计衬底结构包括质量块、两个谐振器、四个微杠杆放大机构、多个支撑梁和多个分立的固定基座、分别对应于两个谐振器的第一应力释放机构、第二应力释放机构；

所述的两个谐振器沿着x轴对称布置在质量块中间，四个微杠杆放大机构位于两个谐振器之间，并两两关于x、y轴对称布置，以使四个微杠杆放大机构的放大倍数和刚度一致，以及两个谐振器的灵敏度一致；两个谐振器内侧的一端分别与两个微杠杆放大机构的输出端相连，与同一个谐振器相连的两个微杠杆放大机构的支点端连接到同一个应力释放机构，第一应力释放机构与一个固定基座相连，第二应力释放机构与另外一个固定基座相连，谐振器的另一端设有第三应力释放机构；微杠杆放大机构的输入端与质量块相连，用于消除与谐振器一起沿x轴向的振动模态；质量块通过多根支撑梁与多个固定基座相连，所有固定基座均与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间。

2.根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置，其特征在于，所述谐振器包括两个谐振梁、连接块、固定基座、固定驱动电极、固定检测电极、活动梳齿；

所述的两个谐振梁并列布置，且中间相连，一端均通过第三应力释放机构与固定基座相连，另一端均与连接块相连；连接块连接到两个微杠杆放大机构的输出端；两个谐振梁的外侧均设有两个固定检测电极，且两个固定检测电极之间设有固定驱动电极；两个谐振梁两侧均设有活动梳齿；所述活动梳齿与驱动电极上的固定梳齿对插形成驱动电容，与固定检测电极上的固定梳齿对形成检测电容；所述谐振器的固定基座、固定驱动电极和固定检测电极分别与上层单晶硅和下层单晶硅对应的固定基座相连。

3.根据权利要求1或2所述的硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置，其特征在于，所述第三应力释放结构由外框、四个隔离梁组成；所述四个隔离梁的一端均与谐振器的固定基座相连，且中心对称布置在谐振器的固定基座四周，四个隔离梁的另一端与框架相连，四个隔离梁和谐振器的固定基座布置在框架内。

4.根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置，其特征在于，所述微杠杆放大机构由力臂、输入端、输出梁和支点梁组成；

所述输入端与质量块相连，输出梁与对应位置的谐振器的连接块相连；所述输入端采用一根与力臂相互垂直的第一折叠梁和一根与第一折叠梁垂直的第二折叠梁；输入端的第一折叠梁与输出梁布置在力臂长度方向的同一侧，且均与力臂垂直，支点梁布置在力臂长度方向的另一侧，且与力臂垂直。

5.根据权利要求4所述的硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置，其特征在于，所述第一折叠梁和第二折叠梁均为U型梁或多折梁。

6.根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置，其特征在于，所述第一应力释放机构由微杠杆连接块、连接块和梳齿组成；所述连接块的一端与微杠杆连接块相连，杠杆连接块分别与两个微杠杆放大机构的支点端相连，连接块的另一端上布置了梳齿，梳齿与固定基座相连。

7.根据权利要求1-6任一项所述的硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置的硅微谐振式加速度计干扰模态抑制方法，其特征在于，通过调节所述支撑梁和与之相连固定基座个数和位置，并调节支撑梁与微杠杆放大机构的刚度比，消除质量块运动的干扰模态，并提高干扰模态与工作模态的频率差，同时提高硅微谐振式加速度计系统放大倍数；微杠杆输入端采用两根相互垂直的折叠梁，调节微杠杆放大机构折叠梁的轴向刚度与弯曲刚度比，消除微杠杆与谐振器一起沿x轴向的振动模态，并使得微杠杆放大机构的放大倍数接近理想放大倍数。

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