CN117192632A - 一种对称式mems重力仪的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对称式MEMS重力仪的加工方法，其中包括中心质量块、外边框、一组正刚度屈曲梁和一组负刚度屈曲梁。屈曲梁一端连接中心质量块，另一端连接外边框，外边框为屈曲梁提供固定支撑，中心质量块受外界加速度作用产生相对于外边框的位移，外边框可限制中心质量块的位移范围。两组屈曲梁采用正负刚度补偿原理，使对称式MEMS重力仪具有准零刚度特性和极低的谐振频率。对称式MEMS重力仪具有体积小，成本低等优势。
Description
技术领域
本发明涉及重力仪领域，特别涉及一种对称式MEMS重力仪的加工方法。
背景技术
自从牛顿发现万有引力以来，人类一直被引力的奥秘所吸引。通过长期的天文观测，科学家们发现宇宙中天体的运动遵循万有引力定律。之后卡文迪许进行了开创性的扭秤实验，测量了万有引力常数G的值，并与现代仪器测量的结果相差不到1％。Micro-g-Solutions公司在JILA重力仪的基础上开发了FG5-X绝对重力仪，成为当时世界上最先进、最自动化的重力仪。代尔夫特理工大学的Brahim El Mansouri等人开发了一种具有集成电容读数的高分辨率MEMS惯性传感器，该传感器的谐振频率随倾斜角度而变化，在与水平面夹角为34°时，观察到传感器的谐振频率为8.7Hz，根据位移检测电路的噪声及该MEMS传感器的机械灵敏度得到其噪声功率谱密度为17ng/√Hz。目前，美国采用“Fused Silica”技术设计的CG-5型自动相对重力仪被广泛用作商业重力仪。它具有用户友好的操作，无需重置读数，分辨力为0.001mGal，噪声功率谱密度为2μGal/√Hz@1Hz，量程为8000mGal。华中科技大学的渠自强等人设计了一种悬挂式MEMS重力仪，并通过光纤位移传感器得到该MEMS重力仪的噪声功率谱密度为2.4ng/√Hz@10Hz。此外，格拉斯哥大学的R.P.Middlemiss等人设计了一种三悬臂梁结构的MEMS重力仪，这种不对称的“geometrical anti-spring”设计，使得该MEMS重力仪有极低的谐振频率，根据报道，它的噪声功率谱密度为40μGal/√Hz@1Hz，漂移达到111μGal/day。
对于重力仪的研究在上世纪末才逐渐成熟，如FG5-X、CG-5等，由Micro-g&LaCoste公司研制的FG5-X重力仪精度达到15μGal，但是其总重量达到150Kg，体积为1.5m3，正是因为传统商用重力仪体积大，成本高，无法普及等缺陷，增加了对于重力探测的难度以及研究成本，本文通过结合MEMS技术将传统大体积的重力仪进行微型化，降低了重力仪的制作成本。
为使MEMS重力仪对重力加速度的微弱变化更为敏感，根据公式：Δa＝Δx·(2πf0 2)。
其中Δa为加速度的变化，Δx为中心质量块的位移，f0为MEMS重力仪的谐振频率。当MEMS重力仪具有极低的谐振频率时，微弱的重力加速度变化便会导致中心质量块具有较大的位移，该设计方案有利于后续位移检测。根据公式：
其中k为MEMS重力仪的刚度，m为MEMS重力仪的质量，传统的商用重力仪可通过增加传感器的质量达到降低谐振频率的目的，但是MEMS技术的特点便是将重力仪进行微型化，因此MEMS重力仪的体积、质量远小于商用超导重力仪GWR-iGrv、原子干涉重力仪Micro-g FG-515等。如何设计一种有极低的刚度和谐振频率，是现阶段正在研发的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种对称式MEMS重力仪的加工方法，具有减小了体积、质量和制作成本的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
本发明公开了一种对称式MEMS重力仪；其中包括：中心质量块，外边框，一组正刚度屈曲梁和一组负刚度屈曲梁。所述屈曲梁一端连接所述中心质量块，另一端连接所述外边框，所述外边框为所述屈曲梁提供固定支撑，所述中心质量块受外界加速度作用产生相对于所述外边框的位移，所述外边框限制所述中心质量块的位移范围，所述正刚度屈曲梁和所述负刚度屈曲梁均关于所述中心质量块左右对称。
更进一步地，当所述中心质量块在重力作用下产生相对于所述外边框的位移，导致所述一组负刚度屈曲梁已呈现负刚度特性时，所述一组正刚度屈曲梁仍为正刚度，所述正刚度屈曲梁与所述负刚度屈曲梁通过并联的方式进行刚度补偿，使得所述对称式MEMS重力仪具有准零刚度特性，进而有效降低所述对称式MEMS重力仪的谐振频率。
更进一步地，规定所述中心质量块的位移沿Z轴方向，用于表示上下方位,中心质量块的宽度及屈曲梁的宽度也沿Z轴方向；规定X轴方向用于表示左右方位；规定Y轴方向为深度方向，用于表示所述屈曲梁的厚度。当所述对称式MEMS重力仪不受外界加速度作用时，规定所述正刚度屈曲梁两端在Z轴方向的距离为所述正刚度屈曲梁的高度，规定所述负刚度屈曲梁两端在Z轴方向的距离为所述负刚度屈曲梁的高度。所述正刚度屈曲梁与所述负刚度屈曲梁自身的高度与宽度之比不小于6，所述正刚度屈曲梁与所述负刚度屈曲梁自身的厚度与宽度之比不小于10，所述屈曲梁的厚度不小于200μm，所述屈曲梁的宽度不小于10μm，所述正刚度屈曲梁的高度与所述负刚度屈曲梁的高度之比不小于12。
更进一步地，所述正刚度屈曲梁和所述负刚度屈曲梁分别位于所述中心质量块的上下两端，且两者位置互换，所述对称式MEMS重力仪仍具有准零刚度特性和极低的谐振频率。
更进一步地，所述正刚度屈曲梁和所述负刚度屈曲梁宽度由于加工误差引起的改变不会导致所述对称式MEMS重力仪失去准零刚度特性。
本发明还提供了一种对称式MEMS重力仪的加工方法，所述对称式MEMS重力仪包括：中心质量块，外边框，一组正刚度屈曲梁和一组负刚度屈曲梁。所述屈曲梁一端连接所述中心质量块，另一端连接所述外边框，所述外边框为所述屈曲梁提供固定支撑，所述中心质量块受外界加速度作用产生相对于所述外边框的位移，所述外边框限制所述中心质量块的位移范围，其特征在于，所述对称式MEMS重力仪的加工方法包括下述步骤：
(1)通过光刻工艺，将设计的MEMS重力仪图形转移到硅片正面均匀旋涂的光刻胶上；
(2)采用深反应离子刻蚀工艺(DRIE)对所述硅片进行刻蚀，刻蚀后逐一剥离未释放的所述MEMS重力仪；
(3)采用深反应离子刻蚀工艺(DRIE)对未释放的所述MEMS重力仪背面进行刻蚀，且释放后得到所述MEMS重力仪。
综上所述，与现有重力仪相比，本发明所构思的以上技术方案，具有以下有益效果：
(1)在重力作用下，对称式MEMS重力仪的谐振频率可达10Hz甚至更低，这意味着该MEMS重力仪对微弱的加速度变化极为敏感；
(2)所述屈曲梁的设计，使所述对称式MEMS重力仪不会因MEMS工艺加工误差导致梁宽度改变而失去准零刚度特性，降低工艺加工造成的影响；
(3)对称式MEMS重力仪的微结构尺寸可控制在20mm×20mm×0.2mm尺寸以内，使得其相较于传统重力仪具有更小的体积与质量；
(4)得益于MEMS技术的批量生产能力，所述对称式MEMS重力仪可以大批量生产，有效降低所述MEMS重力仪的生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的对称式MEMS重力仪的总体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的所述中心质量块顶部的局部图；
图3为本发明实施例提供的对称式MEMS重力仪的力-位移曲线；
图4为本发明实施例提供的对称式MEMS重力仪的谐振频率-MEMS重力仪与水平面夹角曲线；
图5a、图5b和图5c为本发明实施例提供的基于不同宽度屈曲梁的对称式MEMS重力仪的力-位移曲线。
在所有附图中，“d”表示深度方向，“w”表示宽度方向，“l”表示长度方向即水平方向。
附图标记：1、中心质量块；2、外边框；3、屈曲梁；3a、正刚度屈曲梁；3a-1、第一正刚度屈曲梁；3a-2、第二正刚度屈曲梁；3b、负刚度屈曲梁；3b-1、第一负刚度屈曲梁；3b-2、第二负刚度屈曲梁；4、中心支撑结构；4a、中心支撑结构一；4b、中心支撑结构二；4c、中心支撑结构三；4d、中心支撑结构四；5、边框支撑结构；5a、边框支撑结构一；5b、边框支撑结构二；5c、边框支撑结构三；5d、边框支撑结构四；6、外边框限定空间。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之问未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，在本发明实施例中，公开了一种对称式MEMS重力仪；其中包括：中心质量块1，外边框2，一组正刚度屈曲梁3a和一组负刚度屈曲梁3b。所述屈曲梁3一端连接所述中心质量块1，另一端连接可提供固定支撑的所述外边框2，且关于所述中心质量块1左右对称，所述中心质量块1位于所述外边框2的限定空间6内，受外界加速度作用产生相对于所述外边框2的位移，所述外边框2为所述屈曲梁3提供固定支撑，且限制所述中心质量块1的位移范围。
如图1和图2所示，在本发明实施中，公开了一种对称式MEMS重力仪，所述中心质量块1的两端具有四个支撑结构，四个中心质量块上的支撑结构分别为4a、4b、4c和4d，所述外边框2的内侧具有四个支撑结构，四个外边框上的支撑结构分别为5a、5b、5c和5d，所述正刚度屈曲梁3a关于所述中心质量块1左右对称，所述负刚度屈曲梁3b关于所述中心质量块1左右对称，所述正刚度屈曲梁3a-1的两端与支撑结构4a和5a相连，所述正刚度屈曲梁3a-2的两端与支撑结构4b和5b相连，所述负刚度屈曲梁3b-1的两端与支撑结构4c和5c相连，所述负刚度屈曲梁3b-2的两端与支撑结构4d和5d相连，这种设计减小了所述屈曲梁3根部的应力，提高了与所述外边框2和所述中心质量块1连接的稳定性。图2更清楚的显示了在实施例中所述中心质量块1与所述正刚度屈曲梁3a的相对尺寸。“深度方向”用“d”表示，“宽度方向”用“w”表示，“长度方向”用“l”表示。在图1和图2中所述正刚度屈曲梁3a的宽度由“wflex”表示，厚度由“dflex”表示，所述中心质量块1的宽度由“wmass”表示，厚度由“dmass”表示，长度由“lmass”表示。
如图3所示，本发明实施例提供对称式MEMS重力仪的力-位移关系曲线；图中虚线表示所述负刚度屈曲梁3b的力-位移关系曲线，图中点划线表示所述正刚度屈曲梁3a的力-位移关系曲线，图中实线表示对称式MEMS重力仪的力-位移关系曲线。在力-位移关系曲线中，区域Ⅰ段所述正刚度屈曲梁3a与所述负刚度屈曲梁3b均表现为正刚度，区域Ⅱ段所述正刚度屈曲梁3a表现为正刚度，所述负刚度屈曲梁3b表现为负刚度，通过将所述正刚度屈曲梁3a与所述负刚度屈曲梁3b进行刚度补偿，使对称式MEMS重力仪具有极低的刚度，且刚度为固定值，该设计方案可有效降低对称式MEMS重力仪的刚度和谐振频率，区域Ⅲ段所述正刚度屈曲梁3a与所述负刚度屈曲梁3b均表现为正刚度。
如图4所示，本发明实施例提供对称式MEMS重力仪的谐振频率-MEMS重力仪与水平面夹角曲线，当所述中心质量块沿敏感轴位移的平面与水平面(XY平面)夹角范围为0°～90°时，其谐振频率随夹角的增大而减小，在与水平面夹角范围为90°～92°时，其谐振频率随夹角的增大而增大，在与水平面夹角的范围为88°～92°时，对称式MEMS重力仪的谐振频率不超过10Hz，在与水平面夹角为90°时，其谐振频率为8.9Hz，所述中心质量块1的质量不超过80mg。
如图5所示，本发明实施例提供不同宽度屈曲梁的对称式MEMS重力仪的力-位移曲线，深反应离子刻蚀(DRIE)技术会对所述屈曲梁3的宽度“wflex”造成影响，图5a-图5c分别表示所述屈曲梁3宽度为18μm、16μm、12μm的对称式MEMS重力仪的力-位移曲线，三种不同梁宽的对称式MEMS重力仪仍具有准零刚度特性，只是屈曲载荷随梁宽的减小而减小，这意味着对称式MEMS重力仪固定于合适的角度，即当敏感轴方向的重力分量等于屈曲载荷时，便可使MEMS重力仪具有准零刚度特性和极低的谐振频率，当所述屈曲梁3的宽度为18μm时，所述对称式MEMS重力仪的谐振频率为6.87Hz，当所述屈曲梁3的宽度为16μm时，所述对称式MEMS重力仪的谐振频率为8.44Hz，当所述屈曲梁3的宽度为12μm时，所述对称式MEMS重力仪的谐振频率为5.16Hz。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种对称式MEMS重力仪的加工方法，包括下述步骤：
(1)通过光刻工艺，将设计的MEMS重力仪图形转移到硅片正面均匀旋涂的光刻胶上；
(2)采用深反应离子刻蚀工艺对硅片正面进行刻蚀，刻蚀后逐一剥离未释放的MEMS重力仪；
(3)采用深反应离子刻蚀工艺对未释放的所述MEMS重力仪背面进行刻蚀，且释放后得到所述MEMS重力仪。
2.根据权利要求1制得的对称式MEMS重力仪，包括中心质量块、外边框、一组正刚度屈曲梁和一组负刚度屈曲梁，其特征在于，
所述中心质量块位于外边框的限定空间内，受外界力作用产生相对于所述外边框的位移；
所述外边框为正刚度屈曲梁和负刚度屈曲梁提供固定支撑，所述外边框用于限制所述中心质量块的位移范围。
所述正刚度屈曲梁和负刚度屈曲梁均为一端连接所述中心质量块，另一端连接可提供固定支撑的所述外边框，所述正刚度屈曲梁和负刚度屈曲梁均关于所述中心质量块左右对称。
3.根据权利要求1制得的对称式MEMS重力仪，其特征在于，当所述负刚度屈曲梁在中心质量块产生位移导致呈现负刚度特性时，所述正刚度屈曲梁仍为正刚度，所述正刚度屈曲梁与所述负刚度屈曲梁通过并联的方式进行刚度补偿，以使重力仪呈现极低的刚度特性，从而使重力仪具有极低的谐振频率。
4.根据权利要求1制得的对称式MEMS重力仪，其特征在于，当该重力仪不受外界加速度作用时，所述正刚度屈曲梁与所述负刚度屈曲梁自身的高度与宽度之比不小于6，所述正刚度屈曲梁与所述负刚度屈曲梁自身的厚度与宽度之比不小于10，所述正刚度屈曲梁与所述负刚度屈曲梁的厚度不小于200μm，所述正刚度屈曲梁与所述负刚度屈曲梁的宽度不小于10μm，所述正刚度屈曲梁的高度与所述负刚度屈曲梁的高度之比不小于12。
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