CN112881753B - 阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，加速度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、多个阻尼调节机构和多个固定基座；阻尼调节机构均匀布在质量块上；两个谐振器关于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，再与固定基座相连；微杠杆机构的输入端与质量块相连，质量块通过支撑梁与固定基座相连，固定基座与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连。本发明减小了频率的温度系数，阻尼可调。

Description

阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构

技术领域

本发明属于微机电系统MEMS中的微惯性传感器技术领域，特别是一种阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构。

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都采用真空封装提高Q值，降低其结构噪声，谐振器Q值一般>10万。与此同时，硅微谐振式加速度计的质量块在敏感轴的Q值也比较大，可达1～5万。当硅微谐振式加速度计工作环境存在冲击或振动时，质量块在敏感轴的模态被激发后，质量块产生很大的振动位移，从而产生很大的输出，甚至造成结构损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，以提高加速度计抗冲击能力，减小频率的温度系数，实现阻尼可调。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，由上层单晶硅、中间层单晶硅和下层单晶硅构成；所述上层单晶硅为布置有信号输入、输出线、吸气剂以及固定基座的硅微音叉谐振式加速度计封装盖板，所述下层单晶硅为布置有固定基座的硅微音叉谐振式加速度计衬底，所述中间层单晶硅片上制作有阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构，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；

所述阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构包括质量块、两个谐振器、四个微杠杆放大机构、多个支撑梁、多个阻尼调节机构和多个固定基座、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；多个阻尼调节机构均匀布在质量块四周上，用于增大加速度计在检测轴的阻尼系数；两个谐振器关于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轴和y轴对称布置；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，应力释放机构再一个固定基座相连，第二应力释放机构与另外一个固定基座相连，第一应力释放机构以及与其相连的固定基座位于该侧两个微杠杆之间，第二应力释放机构以及与其相连的固定基座位于对应侧的两个微杠杆之间；微杠杆机构的输入端与质量块相连，质量块通过多个支撑梁和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。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)质量块上布置了阻尼调节机构，利用了变间距梳齿，通过梳齿数调节加速度计敏感方向的阻尼系数，从而减小了在振动或冲击环境下质量块振动位移，提高了结构的抗振动和冲击能力；(2)采用了分立的固定基座，增加了加速度计结构芯片厚度方向的刚度，减小了MEMS工艺和封装过程中产生的翘曲，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；(3)对于单个谐振器而言，其两端的锚点位置接近，则温度变化时，这两个锚点的变形和应力变化接近相同，则温度变化时谐振梁上的轴向的应力变化小，即谐振器温度系数小；(4)两个谐振器接近，MEMS工艺在小尺寸范围内的加工一致性好，则两个谐振器的结构尺寸和残余应力接近，经过差分后，可消除大部分的温度系数；(5)谐振器采用细长梁，隔离了音叉的同相和相向模态。

附图说明

图1是本发明的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构剖面图。

图2是本发明的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构示意图。

图3是本发明的阻尼调节机构结构示意图。

图4是本发明的谐振器结构示意图。

图5是本发明的微杠杆放大机构的结构示意图。

图6是第一应力释放结构示意图。

图7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，本发明的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，用于测量平行于基座水平线加速度，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的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计封装盖板，中间层单晶硅52上制作的为阻尼可调型硅微音叉式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的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计衬底，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上的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构由质量块1、第一、二、三、四阻尼调节机构2a、2b、2c、2d、第一、二谐振器3a、3b和四个完全相同的第一、二、三、四微杠杆放大机构4a、4b、4c、4d、第一、二、三、四、五、六支撑梁5a、5b、5c、5d、5e、5f、第一、二应力释放机构6a、6b和第一、二、三、四、五、六、七、八固定基座7a、7b、7c、7d、7e、7f、7g、7h组成。第一、二、三、四阻尼调节机构2a、2b、2c、2d均匀布置在质量块1的周边，用于增加质量块在检测轴(y轴)的阻尼系数，降低其品质因数。第一、二谐振器3a、3b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4a、4b、4c、4d位于第一、二谐振器3a、3b中间，第一、二微杠杆放大机构4a、4b分别与第四、三微杠杆放大机构4d、4c关于x轴对称，第一、四微杠杆放大机构4a、4d与第二、三微杠杆放大机构4b、4c关于检测轴对称；第一谐振器3a与第二谐振器3b相邻的一端与第一、二微杠杆放大机构4a、4b的输出端相连，第二谐振器3b与第一谐振器3a相邻的一端与第三、四微杠杆放大机构4c、4d的输出端相连，第一、二微杠杆放大机构4a、4b的支点端通过第一应力释放机构6a与第一固定基座7a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6b与第二固定基座7b相连，第一应力释放机构6a和第一固定基座7a位于第一、二微杠杆放大机构4a、4b之间，第二应力释放机构6b和第二固定基座7b位于第三、四微杠杆放大机构4c、4d之间，第一固定基座7a与第一谐振器3a的固定基座和第二固定基座7b与第二谐振器3b之间的距离减小，减小了两个谐振器各自的温度系数，第一固定基座7a与第二固定基座7b距离小，从而减小两个谐振器温度系数的差异。

第一、二、三、四微杠杆放大机构4a、4b、4c、4d的输入端与质量块1相连。质量块1通过第一、二、三、四、五、六支撑梁5a、5b、5c、5d、5e、5f与独立的第三、四、五、六、七、八固定基座7c、7d、7e、7f、7g、7h相连，第一、二、三、四、五、六、七、八固定基座7a、7b、7c、7d、7e、7f、7g、7h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。

结合图3，第一阻尼调节机构2a与第二、三、四阻尼调节机构2b、2c、2d的组成及结构完全相同，第一阻尼调节机构2a包括布置在质量块1上的活动梳齿201、固定梳齿202和固定基座203，固定梳齿202布置在固定基座203上，固定梳齿202布置在固定基座203上，固定梳齿202和活动梳齿201对插，固定基座203与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连。质量块1运动时，活动梳齿201与固定梳齿202间隙变小，两者之间形成压膜阻尼，从而增大加速度计敏感方向即质量块1在检测轴(y轴)的阻尼系数，通过布置不同数目的阻尼调节机构、以及不同数目的活动梳齿201和驱动梳齿202实现阻尼系数的调节。

结合图4，第一谐振器3a与第二谐振器3b的组成及结构完全相同，第一谐振器3a由第一、二谐振梁301a、301b、第一、二连接块302a、302b、隔离梁303、第三应力释放机构304、固定基座305、第一、二、三固定驱动电极306a、306b、306c、第一、二、三、四、五、六固定检测电极307a、307b、307c、307d、307e、307f以及活动梳齿308组成。第一、二谐振梁301a、301b左右并列布置，一端通过连接块302a与隔离梁303相连，隔离梁303通过第三应力释放机构304与固定基座305相连，隔离梁303、固定基座305设置在第一谐振梁301a和第谐振梁301b之间，且隔离梁303和固定基座305布置在由第一、二谐振梁301a、301b与第一、二连接块302a、302b构成的框架内，缩短了与固定基座7a的距离，从而减小了谐振器温度系数；第一、二谐振梁301a、301b的另一端与第二连接块302b相连，第二连接块302b再连接到第一、二微杠杆4a、4b的输出端。第一、二谐振梁301a、301b的两侧均布置了活动梳齿308，确保了第一、二谐振梁301a、301b质量分布均匀，则提高了运动的平稳性。

在第一谐振梁301a左侧，沿着梁长方向依次布置了第一固定检测电极307a、第一固定驱动电极306a和第二固定检测电极307b，在第一、二谐振梁301a、301b之间沿着梁长方向依次布置了第三固定检测电极307c、第二固定驱动电极306b和第四固定检测电极307d，在第二谐振梁301b右侧，沿着梁长方向依次布置了第五固定检测电极307e、第三固定驱动电极306c和第六固定检测电极307f。活动梳齿308与第一、二、三固定驱动电极306a、306b、306c上的固定梳齿对插形成驱动电容，活动梳齿308与第一、二、三、四、五、六固定检测电极307a、307b、307c、307d、307e、307f上的固定梳齿对插形成检测电容。第一、二、三固定驱动电极306a、306b、306c、第一、二、三、四、五、六固定检测电极307a、307b、307c、307d、307e、307f、固定基座305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5，第一微杠杆放大机构4a与第二、三、四微杠杆放大机构4b、4c、4d的组成与结构完全相同，第一微杠杠放大机构4a由力臂401、输入梁402、输出梁403和支点梁404组成；所述输入梁402和输出梁403布置在力臂401长度方向的同一侧，输入梁402与质量块1相连，输出梁403用于与对应位置的谐振器的第二连接块302b相连；支点梁404布置在力臂401长度方向的另一侧，用于连接对应位置的应力释放机构，同时输入梁402、输出梁403和支点梁404皆采用细梁结构，使得微杠杆的放大倍数接近理想值。

结合图6，所述第一应力释放结构6a与第二应力释放结构6b的组成与结构完全相同，第一应力释放结构6a由微杠杆连接块601、连接块602和梳齿603组成。连接块602的一端与微杠杆连接块601相连，连接块602的另一端上布置了梳齿603，微杠杆连接块601分别与第一、二微杠杆放大机构4a、4b的支点端相连，梳齿603与第一固定基座7a相连。第一、二应力释放结构6a、6b有效释放了应力，同时提供了足够的刚度，保证了加速度计的灵敏度。

结合图7，所述第三应力释放结构304由连接块3041和梳齿3042组成，连接块3041的一端与隔离梁303相连，连接块3041的另一端布置了梳齿3042，梳齿3042与固定基座305相连。应力释放结构304结构形式简单，节省了芯片面积，且有效释放了应力。

本发明的硅微音叉谐振式加速度计用于测量y方向的输入加速度，当有沿y方向的加速度a输入时，在质量块上产生惯性力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，m为质量块的质量。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。

Claims (4)

1.一种阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，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；所述上层单晶硅为布置有信号输入、输出线、吸气剂以及固定基座的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计封装盖板，所述下层单晶硅为布置有固定基座的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计衬底，所述中间层单晶硅片上制作有阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构，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；

所述阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构包括质量块、两个谐振器、四个微杠杆放大机构、多个支撑梁、多个阻尼调节机构和多个固定基座、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；多个阻尼调节机构均匀布在质量块四周上，用于增大加速度计在检测轴的阻尼系数；两个谐振器关于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轴和y轴对称布置；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，第一应力释放机构以及与其相连的固定基座位于同侧两个微杠杆之间，第二应力释放机构以及与其相连的固定基座位于对应侧的两个微杠杆之间；微杠杆机构的输入端与质量块相连，质量块通过多个支撑梁和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；

所述阻尼调节机构包括布置在质量块上的活动梳齿、固定梳齿和固定基座；所述固定梳齿设置在固定基座上，所述固定基座与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，固定梳齿布置在固定基座上，固定梳齿和活动梳齿对插，阻尼调节机构的固定基座与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连；

所述谐振器包括两个并列布置的两个谐振梁、分别连接在两个谐振梁两端的连接块、与一侧连接块连接的隔离梁、通过第三应力释放机构与隔离梁相连的固定基座；

隔离梁、第三应力释放机构和与之相连的固定基座布置在由两个谐振梁和分别连接在两个谐振梁两端的连接块组成的框架内；

两个谐振梁外侧均布置有两个固定检测电极，上述两个固定检测电极之间设有一个固定驱动电极；两个谐振梁的两侧均布置了活动梳齿；两个谐振梁的内侧也设有两个固定检测电极上述两个固定检测电极之间也设有一个固定驱动电极；所述活动梳齿与固定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插形成检测电容；谐振器的固定驱动电极、固定检测电极、固定基座分别上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连。

2.根据权利要求1所述的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，其特征在于，所述微杠杆放大机构由力臂、输入梁、输出梁和支点梁组成；所述输入梁和输出梁布置在力臂长度方向的同一侧，输入梁与质量块相连，输出梁用于与对应位置的谐振器的连接块相连；支点梁布置在力臂长度方向的另一侧，用于连接对应位置的应力释放机构。

3.根据权利要求1所述的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，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，所述接块的一端与微杠杆连接块相连，微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。

4.根据权利要求1所述的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，其特征在于，所述第三应力释放机构由连接块和梳齿组成，连接块的一端与隔离梁相连，连接块的另一端布置了梳齿，第三应力释放结构的梳齿与固定基座相连。

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