CN112881755A - 一种高振型稳定性的宽频响硅微机械加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高振型稳定性、宽频率响应特征的电容式硅微机械加速度计结构，属于惯性技术和微机电系统(MEMS)领域。该加速度计依次包括基底硅体3、锚点2和器件层1。器件层1通过锚点2悬置于基底硅体3上方；所述器件层1由框架式结构4和弹性梁组5构成；所述框架式结构4为方形外围框架结构4‑2和连接中央横梁4‑1组成的“日”字形结构。该加速度计结构具有易于加工、结构误差免疫工艺误差等特点，八爪构型特征的结构显著提高面内振型稳定性，内框架的弹性梁和锚点约束抑制面外振动，该器件结构能够有效压缩有用振型至一阶模态，将多个有害振型排挤至二阶及以上的高阶模态，有效隔离高阶有害振型对一阶有用振型的影响，显著提升了加速度计结构在高频响应范围的振型稳定性，提高了器件精度。

Description

一种高振型稳定性的宽频响硅微机械加速度计

所属领域：

本发明涉及一种具有高振型稳定性、宽频率响应特征的电容式硅微机械加速度计结构，属于惯性技术和微机电系统(MEMS)领域。

背景技术：

微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem，简称MEMS)是指可批量制作的，集微机构、微传感器、微执行器以及信号处理和控制电路，乃至通信和电源等于一体的微型器件或机电系统，基于硅材料的MEMS加速度计因其体积小、功耗低、可批量制备以及成本低等优势在无人机、汽车工业、消费电子等诸多应用领域逐渐取代传统加速度计。当前，硅基MEMS加速度计研究主要集中于高灵敏度、低噪声、小带宽等低动态特征应用，而由于硅材料的力学特性制约，具有高频响、大带宽等动态特性强的应用，如：冲击、爆炸、瞬时跳变等，相关研究较少。

亚德诺公司提出一种高频响、大带宽测量用的硅基MEMS加速度计，采用192个具有阵列单元特征的梳齿状结构实现了固有频率大于40kHz、响应频率大于20kHz的加速度信号检测。然而，该结构具有的非对称几何拓扑、复杂的阵列布局、繁多的引线、以及非均匀深宽比对制备工艺要求极高，极易导致模态振型失稳，具体表现为：1)不可避免的工艺加工误差极易使得该结构的几何形心与质心分离，当外界加速度输入作用时，结构的实际模态振型与理想振型产生偏差，即模态振型失稳，导致检测误差增大，恶化输出信号精度；2)冲击、爆炸、瞬时跳变等应用环境的加速度信号含有丰富的宽频域信息，极易触发该结构其他阶的有害振动模态，使得结构振动在这些无用的模态振型，导致有用模态振型失稳，极大降低结构的敏感检测能力，降低器件的性能。因此，本发明提出了一种具有高振型稳定性的宽频响硅微机械加速度计，显著提升硅微机械加速度计振型稳定性。

发明内容：

本发明提出一种具有高振型稳定性、宽频响特征的硅微机械加速度计结构，通过弹性梁与质量分布设计实现了具有高频率响应特征的器件结构；更重要地，在此基础上提出了具有八爪构型特征的对称结构调节器件结构的质量、刚度分布，显著提高结构面内方向的振型稳定性，而通过结构框架内的弹性梁和锚点的约束提升结构面外方向的振型稳定性；进一步地，该结构特征能够有效压缩有用振型至一阶模态，将多个有害振型排挤至二阶及以上的高阶模态，同时增大了一阶有用振型与二阶有害振型的频率差值，显著提升了加速度计结构在高频率范围的振型稳定性，提高了器件精度。

参阅图1，本发明提出的高振型稳定性的宽频响硅微机械加速度计，依次包括基底硅体3、锚点2和器件层1。器件层1通过锚点2悬置于基底硅体3上方；所述器件层 1由框架式结构4和弹性梁组5构成；

所述框架式结构4为方形外围框架结构4-2和连接中央横梁4-1组成的“日”字形结构；定义连接中央横梁4-1的轴向为x向，器件层上与x垂直的方向为y向；

所述弹性梁组5包括四根直梁5-1、5-2、5-3、5-4，以及八根蛇形折叠梁5-5，…， 5-12，所述连接中央横梁4-1通过对称分布在其两侧的四根直梁5-1、5-2、5-3、5-4 悬置于其两侧的锚点上，且所述连接中央横梁4-1与四根直梁轴线垂直相交；所述方形外围框架结构4-2通过对称分布在其y向两侧的八根蛇形折叠梁悬置于其相应锚点上，形成框架式结构4的八爪构型弹性梁约束，其中四根蛇形梁置于框架结构四角；

由框架式结构4和弹性梁组5构成的器件层1在x和y方向上均完全对称。

本发明提出的高振型稳定性的宽频响硅微机械加速度计结构可以根据需求改变结构参数，如结构的厚度、弹性梁的长度、宽度以及蛇形折叠梁对数、外围框架结构与连接中央横梁的长度和宽度达到预期的效果。

本发明的有益效果是：

本发明提出的具有高振型稳定特征的宽频响硅微机械加速度计结构具有易于加工、结构误差免疫工艺误差等特点，八爪构型特征的结构显著提高面内振型稳定性，内框架的弹性梁和锚点约束抑制面外振动，该器件结构能够有效压缩有用振型至一阶模态，将多个有害振型排挤至二阶及以上的高阶模态，有效隔离高阶有害振型对一阶有用振型的影响，显著提升了加速度计结构在高频响应范围的振型稳定性，提高了器件精度。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明：

图1是高振型稳定性的宽频响硅微机械加速度计结构示意图。

图2是所述硅微机械加速度计实例结构示意图。

图3是所述硅微机械加速度计实例一阶、二阶、三阶模态振型图:

(a)硅微机械加速度计一阶有用模态振型；

(b)硅微机械加速度计二阶有害模态振型；

(c)硅微机械加速度计三阶有害模态振型；

图4是所述硅微机械加速度计实例频率响应图:

(a)一阶、二阶模态频率响应；

(b)一阶模态频率响应细节图；

图5是未加连接中央横梁硅微机械加速度计结构示意图。

图6是未加连接中央横梁硅微机械加速度计实例一阶、二阶、三阶模态振型图:\

(a)未加连接中央横梁加速度计结构一阶振型；

(b)未加连接中央横梁加速度计结构二阶振型；

(c)未加连接中央横梁加速度计结构三阶振型；

图中，1-器件层、2-锚点，3-基体硅底，4-框架结构，5-弹性梁。

实施例：

如图2，外围框架结构4-2外围尺寸4100μm*3100μm，内尺寸2100μm*1300μm，中央横梁4-1宽550μm，弹性梁5-1等长梁长250μm，宽40μm，短梁长37.50μm，宽50μm，三条长梁与两条短梁连接组成一组折叠梁，相邻两条梁间的夹角为90°，共8组，呈八爪构型分布在框架结构的四角以及两侧中部；弹性梁5-2等梁长400μm、宽25μm，位于中轴线两侧325μm处。锚点2-1等尺寸635μm*300μm，器件层1厚度为200μm，材料均为硅，使用的SOI硅片为<111>晶向，杨氏模量为170GPa。

未加连接中央横梁硅微机械加速度计结构如图5所示，除去掉连接中央横梁部分外其余均与本发明所述高振型稳定性的宽频响硅微机械加速度计完全一致，其一阶模态振型参阅图6(a)为有害振型，特征频率为45kHz；二阶模态振型参阅图6(b)，为有用振型，特征频率为52kHz，高出一阶模态频率7kHz；三阶模态振型参阅图3(c)，为有害振型，特征频率为56kHz，高出二阶模态频率4kHz。

本发明所述高振型稳定性的宽频响硅微机械加速度计实施例一阶模态振型参阅图 3(a)，为有用振型，特征频率为51kHZ；二阶模态振型参阅图3(b)，为有害振型，特征频率为59kHz，高出一阶模态频率8kHz；三阶模态振型参阅图3(c)，为有害振型，特征频率为65kHz，高出一阶模态频率14kHz。对比未加连接中央横梁硅微机械加速度计结构，连接中央横梁及其约束结构将有用振型压缩至一阶模态，并且强化了有用振型与有害振型之间的隔离。

本发明所述硅微加速度计频率响应仿真结果参阅图4，一阶模态响应频率约为52kHz，二阶模态响应频率约为60kHz，高出一阶模态响应频率8kHz。亚德诺公司 ADXL1004型号高频响硅微机械加速度计数据手册标定响应频率参数为20kHz，本发明所述硅微加速度计响应频率52kHz远高于亚德诺公司ADXL1004型号高频响硅微机械加速度计。

Claims (1)

1.一种高振型稳定性的宽频响硅微机械加速度计，依次包括基底硅体3、锚点2和器件层1；器件层1通过锚点2悬置于基底硅体3上方；所述器件层1由框架式结构4和弹性梁组5构成；

所述框架式结构4为方形外围框架结构4-2和连接中央横梁4-1组成的“日”字形结构；定义连接中央横梁4-1的轴向为x向，器件层上与x垂直的方向为y向；

所述弹性梁组5包括四根直梁5-1、5-2、5-3、5-4，以及八根蛇形折叠梁5-5，…，5-12，所述连接中央横梁4-1通过对称分布在其两侧的四根直梁5-1、5-2、5-3、5-4悬置于其两侧的锚点上，且所述连接中央横梁4-1与四根直梁轴线垂直相交；所述方形外围框架结构4-2通过对称分布在其y向两侧的八根蛇形折叠梁悬置于其相应锚点上，形成框架式结构4的八爪构型弹性梁约束，其中四根蛇形梁置于框架结构四角；

由框架式结构4和弹性梁组5构成的器件层1在x和y方向上均完全对称。

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