CN115236357A - 具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构 - Google Patents

具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构，加速度计结构设置在中层单晶硅片上，包括质量块、两个单锚点固支音叉谐振器、四个微杠杆放大机构、多个支撑梁和多个固定基座；两个谐振器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；两个谐振器的一端通过连接结构与两个微杠杆的输出端相连，连接结构与固定基座相连，谐振器外侧的一端通过同一个连接结构与固定基座相连；微杠杆机构的支点端通过连接结构与固定基座相连，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，固定基座与上层和下层单晶硅的固定基座相连。本发明减小了残余应力和安装对加速度计输出的影响，降低了频率的温度系数。

Description

具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构
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，特别是一种具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构。
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。
硅微谐振梁加速度计结构一般由谐振器和敏感质量块组成，敏感质量块将加速度转换为惯性力，惯性力作用于谐振器的轴向，使谐振器的频率发生变化，通过测试谐振频率推算出被测加速度。目前硅微谐振式加速度计室温性能已接近1μg，而硅微谐振式加速度计在温度环境下的性能与室温性能有2～3个数量级的差异。则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1)在支撑锚点与谐振器之间增加应力释放结构(低应力硅微谐振式加速度计，201010186252.X)；2)在活动结构四周增加隔离框，而隔离框与锚点直接相连(硅微谐振式加速度计，201010293127.9)，为了进一步降低隔离框上的应力，隔离框采用单锚点支撑(单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，201610475633.7)，则活动结构和隔离框仅采用一个锚点支撑。上述方法能减小残余应力对谐振器的影响，但存在几个弊端：1)应力隔离效果越好，硅微谐振式加速度计标度因数越低；2)应力释放结构和隔离框都增加了芯片面积，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)应力隔离框架或单锚点支撑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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构，以减小频率的温度系数，提高谐振式加速度计温度环境下的性能。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构，由上层单晶硅、下层单晶硅和密封在上层单晶硅和下层单晶硅之间的中间层单晶硅；整个中间层单晶硅关于中心十字轴对称，其上设有具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构机械结构；
所述单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构机械结构由质量块，第一、二、三、四微杠杆放大机构，第一、二单锚点固支音叉谐振器，第一、二、三、四支撑梁和第一、二、三、四固定基座组成；
所述第一、二单锚点固支音叉谐振器关于x轴对称布置在质量块的中间，第一、二、三、四微杠杆放大机构位于第一、二单锚点固支音叉谐振器中间，第一、二微杠杆放大机构分别与第四、三微杠杆放大机构关于x轴对称，第一、四微杠杆放大机构与第二、三微杠杆放大机构关于检测轴对称；第一单锚点固支音叉谐振器与第二单锚点固支音叉谐振器相邻的一端与第一、二微杠杆放大机构的输出端相连，第二单锚点固支音叉谐振器与第一单锚点固支音叉谐振器相邻的一端与第三、四微杠杆放大机构的输出端相连，第一、二微杠杆放大机构的支点端与第一单锚点固支音叉谐振器的连接结构和固定基座相连，第三、四微杠杆放大机构的支点端与第二单锚点固支音叉谐振器的连接结构和固定基座相连；第一、二、三、四微杠杆放大机构的输入端与质量块相连；质量块通过第一、二、三、四支撑梁与独立的第一、二、三、四固定基座相连，第一、二、三、四固定基座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)单锚点固支音叉谐振器的双端连接到同一个固定基座上，则固定基座的运动即残余应力对谐振器频率的影响接近为零，则大大减小了MEMS工艺和封装的残余应力对谐振器频率的影响，降低了加速度计对工艺误差的灵敏度，提高了加速度计温度环境下的性能；(2)质量采用了多个支撑梁和多个分立的固定基座支撑，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)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；(4)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是本发明的具有单锚点固支音叉谐振器的硅谐振梁加速度计结构剖面图。
图2是本发明的具有单锚点固支音叉谐振器的硅谐振梁加速度计结构示意图。
图3是本发明的单锚点固支音叉谐振器和杠杆放大机构示意图。
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，本发明的一种具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构，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的具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计的封装盖板，中间层单晶硅52上制作的为具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构的机械结构，下层单晶硅53为布置有固定基座57的具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计的衬底，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，xyo平面位于中间层单晶硅52的平面，原点o位于中间层单晶硅52中心，y轴平行于检测轴，x轴垂直y轴，为图2中为不影响产品图示，将坐标系移至产品图外侧)，中间层单晶硅52上的具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计机械结构由质量块1，第一、二、三、四微杠杆放大机构2a、2b、2c、2d，第一、二单锚点固支音叉谐振器3a、3b，第一、二、三、四支撑梁4a、4b、4c、4d和第一、二、三、四固定基座5a、5b、5c、5d组成。第一、二单锚点固支音叉谐振器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2a、2b、2c、2d位于第一、二单锚点固支音叉谐振器3a、3b中间，第一、二微杠杆放大机构2a、2b分别与第四、三微杠杆放大机构2d、2c关于x轴对称，第一、四微杠杆放大机构2a、2d与第二、三微杠杆放大机构2b、2c关于检测(y)轴对称；第一单锚点固支音叉谐振器3a与第二单锚点固支音叉谐振器3b相邻的一端与第一、二微杠杆放大机构2a、2b的输出端相连，第二单锚点固支音叉谐振器3b与第一单锚点固支音叉谐振器3a相邻的一端与第三、四微杠杆放大机构2c、2d的输出端相连，第一、二微杠杆放大机构2a、2b的支点端与第一单锚点固支音叉谐振器3a的连接结构和固定基座相连，第三、四微杠杆放大机构2c、2d的支点端与第二单锚点固支音叉谐振器3b的连接结构和固定基座相连。第一、二、三、四微杠杆放大机构2a、2b、2c、2d的输入端与质量块1相连。质量块1通过第一、二、三、四支撑梁4a、4b、4c、4d与独立的第一、二、三、四固定基座5a、5b、5c、5d相连，第一、二、三、四固定基座5a、5b、5c、5d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，第一单锚点固支音叉谐振器3a与第二单锚点固支音叉谐振器3b的组成及结构完全相同，第一单锚点固支音叉谐振器3a由第一、二谐振梁301a、301b、连接块302、隔离梁303、连接结构304、第五固定基座305、第一、二、三、四固定驱动电极306a、306b、306c、306d、第一、二、三、四、五、六、七、八固定检测电极307a、307b、307c、307d、307e、307f、307g、307h以及活动梳齿308组成。
第一、二谐振梁301a、301b左右并列布置，一端均通过连接块302与隔离梁303相连，隔离梁303通过连接结构304与固定基座305相连，隔离梁303、连接结构304和固定基座305设置在第一谐振梁301a和第二谐振梁301b之间，第一、二谐振梁301a、301b的另一端通过连接结构304与固定基座305相连。第一单锚点固支音叉谐振器3a的两端都通过同一个连接结构304与固定基座305相连，消除了残余应力对第一单锚点固支音叉谐振器3a频率的影响，同时不影响其机械灵敏度。
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，在第一谐振梁301a右侧，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左侧，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，在第二谐振梁301b右侧，沿着梁长方向依次布置了第七固定检测电极307g、第四固定驱动电极306d和第八固定检测电极307h。活动梳齿308与第一、二、三、四固定驱动电极306a、306b、306c、306d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、七、八固定检测电极307a、307b、307c、307d、307e、307f、307g、307h上的固定梳齿对插形成检测电容。第一、二、三、四固定驱动电极306a、306b、306c、306d，第一、二、三、四、五、六、七、八固定检测电极307a、307b、307c、307d、307e、307f、307g、307h、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。
第一微杠杆放大机构2a与第二、三、四微杠杆放大机构2b、2c、2d的组成与结构完全相同，第一微杠杠放大机构2a由第一力臂201a、第一输入梁202a、第一输出梁203a和第一支点梁204a组成，第二微杠杠放大机构2b由第二力臂201b、第二输入梁202b、第二输出梁203b和第二支点梁204b组成；所述第一支点梁204a和第一输出梁203a布置在第一力臂201a长度方向的同一侧，第一支点梁204a通过连接结构304与固定基座305相连；第二支点梁204b和第二输出梁203b布置在第二力臂201b长度方向的同一侧，第二支点梁204b通过连接结构304与固定基座305相连。第一输出梁203a和第二输出梁203b与连接结构304相连，第一输出梁203a与第一谐振梁301a同轴线布置，第二输出梁203b与第一谐振梁301b同轴线布置。第一输入梁202a、第二输入梁202b与质量块1相连，第一输入梁202a、第二输入梁202b、第一输出梁203a、第二输出梁203b和第一支点梁204a、第二支点梁204b皆采用细梁结构，使得微杠杆的放大倍数接近理想值。
本发明的具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计用于测量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
Figure BDA0003728819590000051
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，f0为无加速度输入时的谐振器固有频率。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 (3)

1.一种具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构，由上层单晶硅、下层单晶硅和密封在上层单晶硅和下层单晶硅之间的中间层单晶硅；其特征在于，整个中间层单晶硅关于中心十字轴对称，其上设有具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构机械结构；
所述单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构机械结构由质量块，第一、二、三、四微杠杆放大机构(2a、2b、2c、2d)，第一、二单锚点固支音叉谐振器(3a、3b)，第一、二、三、四支撑梁(4a、4b、4c、4d)和第一、二、三、四固定基座(5a、5b、5c、5d)组成；
所述第一、二单锚点固支音叉谐振器(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(2a、2b、2c、2d)位于第一、二单锚点固支音叉谐振器(3a、3b)中间，第一、二微杠杆放大机构(2a、2b)分别与第四、三微杠杆放大机构(2d、2c)关于x轴对称，第一、四微杠杆放大机构(2a、2d)与第二、三微杠杆放大机构(2b、2c)关于检测轴对称；第一单锚点固支音叉谐振器(3a)与第二单锚点固支音叉谐振器(3b)相邻的一端与第一、二微杠杆放大机构(2a、2b)的输出端相连，第二单锚点固支音叉谐振器(3b)与第一单锚点固支音叉谐振器(3a)相邻的一端与第三、四微杠杆放大机构(2c、2d)的输出端相连，第一、二微杠杆放大机构(2a、2b)的支点端与第一单锚点固支音叉谐振器(3a)的连接结构和固定基座相连，第三、四微杠杆放大机构(2c、2d)的支点端与第二单锚点固支音叉谐振器(3b)的连接结构和固定基座相连；第一、二、三、四微杠杆放大机构(2a、2b、2c、2d)的输入端与质量块(1)相连；质量块(1)通过第一、二、三、四支撑梁(4a、4b、4c、4d)与独立的第一、二、三、四固定基座(5a、5b、5c、5d)相连，第一、二、三、四固定基座(5a、5b、5c、5d)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所述的具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构，其特征在于，所述第一单锚点固支音叉谐振器(3a)与第二单锚点固支音叉谐振器(3b)的组成及结构完全相同；
所述第一单锚点固支音叉谐振器(3a)由第一、二谐振梁(301a、301b)、连接块(302)、隔离梁(303)、连接结构(304)、第五固定基座(305)、第一、二、三、四固定驱动电极(306a、306b、306c、306d)、第一、二、三、四、五、六、七、八固定检测电极(307a、307b、307c、307d、307e、307f、307g、307h)以及活动梳齿(308)组成；所述第一、二谐振梁(301a、301b)左右并列布置，一端通过连接块(302)与隔离梁(303)相连，隔离梁(303)通过连接结构(304)与固定基座(305)相连，隔离梁(303)、连接结构(304)和固定基座(305)设置在第一谐振梁(301a)和第谐振梁(301b)之间，第一、二谐振梁(301a、301b)的另一端通过连接结构(304)与固定基座(305)相连。
3.根据权利要求1或2所述的具有单锚点固支音叉谐振器的硅微谐振梁加速度计结构，其特征在于，第一微杠杆放大机构(2a)与第二、三、四微杠杆放大机构(2b、2c、2d)的组成与结构完全相同，第一微杠杠放大机构(2a)由力臂(201a)、输入梁(202a)、输出梁(203a)和支点梁(204a)组成；所述支点梁(204a)和输出梁(203a)布置在力臂(201a)长度方向的同一侧，支点梁(204a)通过连接结构(304)与固定基座(305)相连；所述第一微杠杆放大机构(2a)的输出梁(203a)与连接结构(304)相连，输出梁(203a)与第一谐振梁(301a)同轴线布置。
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