CN117330782A - 一种mems一体式石英谐振式加速度传感器芯片 - Google Patents

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Abstract

一种MEMS一体式石英谐振式加速度传感器芯片,包括固定框架及其内部的质量块;质量块的x轴方向即芯片敏感方向的两端分别经第一连接框、第二连接框和固定框架连接,质量块y轴方向的两端经解耦梁与固定框架连接;第一连接框y轴方向内部两端与第一谐振器连接;第二连接框y轴方向内部两端与第二谐振器连接;第一谐振器、第二谐振器作为敏感元件,固定框架、质量块、第一连接框、第二连接框、解耦梁作为弹性元件,敏感元件和弹性元件均为一次加工得到的一体式结构;本发明采用一体式芯片结构,采用一体式芯片结构,具有加工工艺简单、芯片材料参数一致、无装配误差、抗交叉干扰能力强、灵敏度高等优点。

Description

一种MEMS一体式石英谐振式加速度传感器芯片
技术领域
本发明属于微机电系统(Micro Mechanical-electrical System,MEMS)加速度传感器技术领域,具体涉及一种MEMS一体式石英谐振式加速度传感器芯片。
背景技术
加速度传感器主要用于测量载体的加速度、速度、位置信息,多用于和陀螺仪组成惯性导航系统,在复杂环境中进行全天候、大范围的定位导航。采用MEMS技术制造的加速度传感器具有体积小、功耗低和成本低等特点,其中谐振式加速度传感器相比于其他类型的加速度传感器,具有高精度、高可靠性和准数字输出等优点。谐振式加速度传感器的工作原理为:谐振器在谐振电路的激励下振动,当芯片受到敏感方向上的加速度时,质量块的位移引起谐振器的振梁轴向应力发生变化,进而改变谐振器的振动频率,通过检测谐振器的振动频率变化,进而可以计算加速度的大小和方向。
目前成熟的石英谐振式加速度传感器受到石英材料加工工艺水平的限制,芯片多采用集成式结构设计,即分别单独加工谐振器和基底,再将多个元件集成用作芯片;谐振器作为敏感元件,一般利用MEMS工艺加工且利用单晶石英材料的压电效应和逆压电效应进行激励和检测;基底材料多选用硅或金属,利用MEMS工艺加工硅弹性元件或机加工金属弹性元件;最后,利用胶粘、键合、或焊接等多种方式将多个元件集成,作为加速度传感器的芯片。这种集成式谐振加速度传感器的缺点在于:芯片的多个元件需要单独加工,且不同元件的加工工艺不兼容,造成成本过大、工期过长、效率较低等问题;独立加工的各个元件需要进行的微装配操作会引入装配误差,造成敏感元件与弹性元件之间的定位误差较大,且差动布置的芯片难以保证多个敏感元件的固定状态达到完全一致;芯片的元件一般会由多种材料组成,其内部的热膨胀系数不一致,当外界环境温度变化时,芯片内应力较大,造成传感器输出的温度漂移较大。
为了解决上述提到的异质材料的问题,一些研究也尝试采用石英材料加工弹性元件,目的是与谐振器的材料参数匹配,但由于采用集成式的布置,芯片依旧需要进行不同元件之间的微装配工艺,造成装配误差较大的问题。此外,国内外的学者或工程师也对一体式石英谐振加速度传感器进行了研究,文献([1]O.LE TRAON,J.GUERARD,M.PERNICE,etal.The NG DIVA:a Navigation Grade Differential Inertial Vibrating BeamAccelerometer[C].//2018IEEE/ION Position,Location and Navigation Symposium:PLANS2018,April 23–26,2018,Monterey,California.:Institute ofNavigation,2018:24-30;[2]东南大学.一种一体式的石英振梁加速度计:CN201410032572.8[P].2014-04-30;[3]T.YANG,G.YANG,W.LU,et al.A Miniature Quartz Vibrating BeamAccelerometer[C].//2020DGON Inertial Sensors and Systems:Conference on DGONInertial Sensors and Systems(ISS),15-16Sept.2020,Braunschweig,Germany.:Institute of Electrical and Electronics Engineers,2020:1-13)提出的芯片具有无异质材料、灵敏度高等优点,但由于该结构的加工要求较高,谐振器多采用单振梁的设计,造成谐振器阻抗较大、品质因数较低等问题。文献([4]HAN,CHAO,LI,CUN,ZHAO,YULONG,etal.High-Stability Quartz Resonant Accelerometer With Micro-Leverages[J].Journal ofMicroelectromechanical Systems:AJoint IEEE and ASME Publication onMicrostructures,Microactuators,Microsensors,and Microsystems,2021,30(2):184-192.DOI:10.1109/JMEMS.2020.3036121)提出的一体式结构,实现了芯片的高稳定性;尽管该结构利用杠杆原理对谐振器振梁受到的轴向力进行了放大,但由于质量块的质量无法进一步的提高,导致其灵敏度较低,同时由于交叉轴方向未布置解耦梁,在工作中存在交叉干扰严重的问题。
综上,目前石英谐振加速度传感器难以满足导航系统提出的严格要求,存在芯片加工工艺复杂、芯片材料参数不匹配、装配误差和交叉干扰较大且灵敏度较低等缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明目的在于提供了一种MEMS一体式石英谐振式加速度传感器芯片,采用一体式芯片结构,具有加工工艺简单、芯片材料参数一致、无装配误差、抗交叉干扰能力强、灵敏度高等优点。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种MEMS一体式石英谐振式加速度传感器芯片,包括固定框架及其内部的质量块;质量块的x轴方向即芯片敏感方向的两端分别经第一连接框、第二连接框和固定框架连接,质量块y轴方向的两端经解耦梁与固定框架连接;第一连接框y轴方向内部两端与第一谐振器连接;第二连接框y轴方向内部两端与第二谐振器连接;第一谐振器、第二谐振器作为敏感元件,固定框架、质量块、第一连接框、第二连接框、解耦梁作为弹性元件,敏感元件和弹性元件均为一次加工得到的一体式结构。
所述的第一谐振器和第二谐振器的长度方向为y轴、宽度方向为x轴、厚度方向为z轴。
所述的第一连接框和第二连接框差动布置于质量块的两侧,形状尺寸完全一致,且关于质量块质心处的x轴和y轴方向对称布置;第一谐振器和第二谐振器差动布置于质量块的两侧,形状尺寸完全一致,且关于质量块质心处的x轴和y轴方向对称布置。
所述的固定框架布置于芯片外围,形状为矩形、圆环或者不规则框架,实现芯片结构的紧凑布置。
第一连接框形状是四根双端固支梁2-e、2-f、2-g和2-h连接成的菱形结构,x轴方向呈钝角的2-a和2-b端分别与固定框架和质量块连接,y轴方向呈锐角的2-c和2-d端分别与第一谐振器的两端连接;
第二连接框形状是四根双端固支梁3-e、3-f、3-g和3-h连接成的菱形结构,x轴方向呈钝角的3-a和3-b端分别与固定框架和质量块连接,y轴方向呈锐角的3-c和3-d端分别与第二谐振器的两端连接。
第一连接框的四根双端固支梁2-e、2-f、2-g和2-h能够进行圆弧、变截面或者弯折的设计;第二连接框的四根双端固支梁3-e、3-f、3-g和3-h能够进行圆弧、变截面或者弯折的设计。
第一连接框的四根双端固支梁2-e、2-f、2-g和2-h能够加粗,第二连接框的四根双端固支梁3-e、3-f、3-g和3-h能够加粗,满足芯片在量程范围内的强度要求。
所述的解耦梁布置为偶数个,形状尺寸完全一致,且关于质量块质心处的x轴和y轴方向对称布置;解耦梁为细长梁,在芯片x轴方向即敏感方向上的刚度小,在y轴方向上刚度大。
第一谐振器和第二谐振器为双端固支音叉结构形式。
质量块为多边形,填充固定框架包围的内部空间中未被其余元件占据的空间,尽可能多的占据固定框架内部未被其余结构占据的空间;质量块的上下两个表面能够胶粘、键合、焊接同质或者异质材料的配重块,增大质量块的质量,提高传感器的灵敏度。
和现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明采用一体式芯片结构,具有加工工艺简单的优点。其中,谐振器作为敏感元件,固定框架、质量块、连接框、解耦梁等作为弹性元件,可以在同一石英片上进行清洗、溅射、匀胶、光刻、显影、刻蚀等兼容的MEMS流片工艺,而不需要单独进行针对谐振器或弹性元件的多种加工工艺;此外,由于敏感元件和弹性元件均为一次加工得到的一体式结构,芯片的多个元件之间无需进行微装配的操作,即不存在定位误差;同时,一体式芯片结构于同一石英片上流片得到,结构内部不存在异质材料,即芯片在工作时不存在异质材料参数不匹配的问题。
本发明连接框用于将质量块受到的惯性力转换为作用于谐振器轴向的力,进而改变谐振器的谐振频率,实现对加速度的检测;同时,连接框优选的设置为菱形,可以对将惯性力放大作用到谐振器的轴向,提高传感器的灵敏度。
本发明解耦梁为细长梁,且对称地布置于质量块的两侧,实现对交叉干扰的抑制,其中,解耦梁的布置方向与连接框的布置方向垂直,其在x轴即芯片敏感方向的刚度小,不会对敏感方向的加速度起到抑制的作用;但当y轴即芯片敏感方向的交叉轴受到加速度作用时,解耦梁在此方向上的刚度较大,可以有效抑制交叉轴的加速度对敏感元件的影响;此外,解耦梁以偶数个对称地布置于质量块的两侧,可以同连接框一起保证芯片的连接强度,提高芯片的抗冲击能力。
本发明谐振器布置于连接框内部,且差动布置于质量块的两侧,谐振器可以通过连接框检测作用于质量块上的惯性力,进而实现对加速度的检测;此外,通过两个谐振器的差动布置,可以抑制传感器受到的共模干扰,同时提升传感器的灵敏度。
本发明质量块设置于固定框架内部,且设计为多边形,可以尽可能填充固定框架内部未被其他元件占据的空间,使得芯片的结构设计紧凑,减小芯片的体积;此外,质量块在固定框架的限制下,尽可能多的填充空白区域,增加质量块的质量,从而提升传感器的灵敏度;大面积的质量块还能够通过在其表面胶粘、键合或焊接同质或异质材料而进一步提升质量块的质量,进而大幅提升传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明固定框架1的结构示意图。
图3为本发明第一连接框2的结构示意图。
图4为本发明第二连接框3的结构示意图。
图5为本发明第一谐振器5和第二谐振器6的结构示意图。
图6为本发明解耦梁4个数为2时的结构示意图。
图7为本发明解耦梁4个数为6时的结构示意图。
图8为本发明质量块7的结构示意图。
图9为本发明质量块7增加配重8的示意图。
图10为实施例连接框将惯性力放大作用到谐振器的示意图。
图11为实施例设置解耦梁及未设置解耦梁对质量块交叉干扰抑制对比示意图。
图12为实施例设置配重和未设置配重传感器的灵敏度对比示意图。
具体实施方式
参照图1,一种MEMS一体式石英谐振式加速度传感器芯片,包括固定框架1、第一连接框2、第二连接框3、解耦梁4、第一谐振器5、第二谐振器6和质量块7;由于第一谐振器5和第二谐振器6是敏感元件,且由于石英的x轴为电轴、y轴为机械轴、z轴为光轴,为实现第一谐振器5和第二谐振器6的激励和检测,第一谐振器5和第二谐振器6的长度方向为y轴、宽度方向为x轴、厚度方向为z轴;芯片其余部分均根据第一谐振器5和第二谐振器6布置方向进行布置。
参照图1,固定框架1位于芯片结构的外围,用于固定整个芯片;第一连接框2x轴方向的一端连接固定框架1,另一端连接质量块7,y轴方向内部两端用于与第一谐振器5两端连接;第二连接框3x轴方向的一端连接固定框架1,另一端连接质量块7,y轴方向内部两端用于与第二谐振器6两端连接;解耦梁4的一端与固定框架1连接,另一端与质量块7y轴方向的两端连接;第一谐振器5、第二谐振器6作为敏感元件,固定框架1、质量块7、第一连接框2、第二连接框3、解耦梁4作为弹性元件,敏感元件和弹性元件均为一次加工得到的一体式结构。
参照图1,第一连接框2和第二连接框3差动布置于质量块7的两侧,且关于质量块7质心处的x轴和y轴方向对称布置;解耦梁4一般布置为偶数个,且关于质量块7质心处的x轴和y轴方向对称布置;第一谐振器5和第二谐振器6差动布置于质量块7的两侧,且关于质量块7质心处的x轴和y轴方向对称布置。
参照图1、图3、图4、图5、图6和图7,第一连接框2和第二连接框3的形状尺寸完全一致;解耦梁4多个布置时的形状尺寸完全一致;第一谐振器5和第二谐振器6的形状尺寸完全一致。
参照图1和图2,固定框架1布置于芯片外围,包围芯片结构的其余部分,形状一般布置为矩形框架,也可以根据芯片结构的不同要求,设置为圆环或者不规则框架。
参照图1和图3,第一连接框2形状是四根双端固支梁2-e、2-f、2-g和2-h连接成的菱形结构,x轴方向呈钝角的2-a和2-b端分别与固定框架1和质量块7连接,y轴方向呈锐角的2-c和2-d端分别与第一谐振器5的两端连接;根据芯片尺寸和布置方式的不同,第一连接框2的四个内角大小可以进行调整,以期在芯片敏感方向受到加速度作用变形时实现对第一谐振器5两端力的放大作用;此外,第一连接框2的四根双端固支梁2-e、2-f、2-g和2-h可以根据芯片尺寸和布置方式的不同,进行圆弧、变截面或者弯折的设计;同时,为了满足芯片的强度要求,第一连接框2的四根双端固支梁2-e、2-f、2-g和2-h可以加粗,以实现芯片在量程范围内的强度要求。
参照图1和图4,第二连接框3形状是四根双端固支梁3-e、3-f、3-g和3-h连接成的菱形结构,x轴方向呈钝角的3-a和3-b端分别与固定框架1和质量块7连接,y轴方向呈锐角的3-c和3-d端分别与第二谐振器6的两端连接;根据芯片尺寸和布置方式的不同,第二连接框3的四个内角大小可以进行调整,以期在芯片敏感方向受到加速度作用变形时实现对第二谐振器6两端力的放大作用;此外,第二连接框3的四根双端固支梁3-e、3-f、3-g和3-h可以根据芯片尺寸和布置方式的不同,进行圆弧、变截面或者弯折的设计;同时,为了满足芯片的强度要求,第二连接框3的四根双端固支梁3-e、3-f、3-g和3-h可以加粗,以实现芯片在量程范围内的强度要求。
参照图1、图6和图7,解耦梁4一端与固定框架1连接,另一端与质量块7连接;解耦梁4一般布置为细长梁,在x轴即芯片敏感方向上的刚度较小,且在y轴方向上的刚度较大,以期实现对y轴干扰的抑制;此外,解耦梁4一般布置为偶数个,以两个解耦梁4-1和4-2以及六个解耦梁4-1、4-2、4-3、4-4、4-5和4-6为例,对称地布置于质量块7的两侧,实现芯片结构的对称布置,加强第一谐振器5和第二谐振器6的差动布置效果。
参照图1、图3、图4和图7,第一谐振器5和第二谐振器6一般布置为双端固支音叉结构形式,实现振梁根部力和力矩的相互抵消;第一谐振器5和第二谐振器6差动布置于质量块7的两侧,抑制共模干扰和提升传感器灵敏度。
参照图1、图8和图9,质量块7布置于芯片内部,两侧分别与第一连接框2和第二连接框3连接,另外两侧分别与解耦梁4连接;质量块7布置为多边形,填充固定框架1包围的内部空间中未被其余元件占据的空间,减小芯片的体积且增大质量块7的质量,进而提升传感器的灵敏度;质量块7的两个表面可以胶粘、键合、焊接同质或者异质材料,进一步增大质量块7的质量,进而提升传感器的灵敏度。
本发明的工作原理是:
外力F作用在第一谐振器5或第二谐振器6轴向上时,其谐振频率fF由式(1)表示:
在式(1)中,f0表示没有外力作用在石英谐振器(双端固支音叉)时的谐振频率,谐振频率由双端固支音叉的尺寸决定;K=0.0458为常数,L表示振梁的长度,E表示杨氏模量,I表示几何转动惯量。
将几何转动惯量I=dw3/12(d表示振梁的厚度,w表示振梁的宽度)代入表达式(1)中可得式(2):
在式(2)中,应力灵敏度SF和应力σ由以下式子表达:
SF=12(K/E)(L/w)2 (3)
σ=F/(2A) (4)
在式(4)中,A=w×d表示双端固支音叉的振梁横截面积;将压缩双端固支音叉的力F定义为具有负号,将拉伸双端固支音叉的力F定义为具有正号,根据上述表达式,力F与共振频率fF的关系如下:当力F为压缩力时,共振频率fF减小,而当力F为拉伸时,共振频率fF增加。
参照图1,当在+X轴方向上作用加速度a,惯性力F(=m×a,m代表质量块7的质量)作用在质量块7上时,质量块7产生敏感方向上的位移,第一连接框2和第二连接框3两端分别受到拉力和压力F,第一谐振器5受到轴向拉力,第二谐振器6受到轴向压力;此时,第一谐振器5的谐振频率fF增大,第二谐振器6的谐振频率fF减小;利用电路检测出第一谐振器5谐振频率和第二谐振器6谐振频率的数值,将频率变化做差,可以消除加速度传感器由于外界环境所引起的谐振频率的共模干扰,且将单个谐振器的频率变化增大两倍,提升了加速度传感器的灵敏度;通过谐振频率变化,可以计算得到作用在质量块7上的惯性力,进而得到施加在加速度传感器上的加速度。
如图3和图4,由于第一连接框2、第二连接框3与固定框架1和质量块7连接的两端呈钝角,与第一谐振器5和第二谐振器6连接的两端呈锐角,惯性力F作用在第一连接框2和第二连接框3两端后,通过力的分解和合成,最终作用在第一谐振器5和第二谐振器6的两端的力是经过放大作用后的力,大于惯性力F;若钝角呈120°,则最终作用在第一谐振器5和第二谐振器6两端的力的大小为第一连接框2和第二连接框3布置方式不同,力的放大效果不同,需要具体分析。
如图6和图7,解耦梁4布置为细长梁,在芯片敏感方向上的刚度较小,且在芯片敏感方向上的交叉轴方向上的刚度较大,实现对交叉轴干扰的抑制;此外,解耦梁4一般布置为偶数个,如2个、4个或6个,且在质量块7质心处关于x轴和y轴对称地布置于质量块7的两侧,实现芯片结构的对称布置,加强第一谐振器5和第二谐振器6差动布置的效果;同时,通过解耦梁4的加粗,还能增加芯片的强度,提升传感器的抗冲击能力。
如图8和图9,质量块7可以根据固定框架1、第一连接框2和第二连接框3、解耦梁4、第一谐振器5和第二谐振器6的布置方式来确定,目的是尽可能多的填充芯片内部其余元件留下的空白区域,在紧凑的空间内提高质量块7的质量,进而提升传感器的灵敏度;此外,质量块7的两个表面上可以胶粘、键合或焊接配重块8,如石英、硅或金属配重块,增加质量块7的质量,进一步提高传感器的灵敏度。
本实施例连接框用于将质量块受到的惯性力转换为作用于谐振器轴向的力,进而改变谐振器的谐振频率,实现对加速度的检测;同时,连接框设置为菱形,可以对将惯性力放大作用到谐振器的轴向,提高传感器的灵敏度;如图10所示,若连接框于连接处的角度为θ,则作用于连接框两侧大小为F的力,经连接框的放大效果后,作用于谐振器轴向的力为F’=F×tan(θ/2)。
本实施例解耦梁为细长梁,且对称地布置于质量块的两侧,实现对交叉干扰的抑制,如图11所示,未布置解耦梁的芯片受到交叉轴方向的1g加速度作用时,谐振器轴向应力最高达80000Pa以上;布置解耦梁的芯片受到交叉轴方向上的1g加速度作用时,谐振器轴向应力小于100Pa。
本实施例质量块设置于固定框架内部,质量块在固定框架的限制下,尽可能多的填充空白区域,增加质量块的质量,从而提升传感器的灵敏度;大面积的质量块还能够通过在其表面胶粘、键合或焊接同质或异质材料而进一步提升质量块的质量,进而大幅提升传感器的灵敏度;如图12所示,芯片受到敏感方向1g加速度时,轴向应力约为26000Pa,即芯片的灵敏度为5.6Hz/g;当在芯片的质量块上添加配重后,芯片受到敏感方向1g加速度时,轴向应力约为215000Pa,即芯片的灵敏度为46.9Hz/g。
本实施例与背景技术中参考文献的性能指标及特点比较如表1所示:
表1

Claims (10)

1.一种MEMS一体式石英谐振式加速度传感器芯片,其特征在于,包括固定框架(1)及其内部的质量块(7);质量块(7)x轴方向即芯片敏感方向的两端分别经第一连接框(2)、第二连接框(3)和固定框架(1)连接,质量块(7)y轴方向的两端经解耦梁(4)与固定框架(1)连接;第一连接框(2)y轴方向内部两端与第一谐振器(5)连接;第二连接框(3)y轴方向内部两端与第二谐振器(6)连接;第一谐振器(5)、第二谐振器(6)作为敏感元件,固定框架(1)、质量块(7)、第一连接框(2)、第二连接框(3)、解耦梁(4)作为弹性元件,敏感元件和弹性元件均为一次加工得到的一体式结构。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器芯片,其特征在于,所述的第一谐振器(5)和第二谐振器(6)的长度方向为y轴、宽度方向为x轴、厚度方向为z轴。
3.根据权利要求1所述的加速度传感器芯片,其特征在于,所述的第一连接框(2)和第二连接框(3)差动布置于质量块(7)的两侧,形状尺寸完全一致,且关于质量块(7)质心处的x轴和y轴方向对称布置;第一谐振器(5)和第二谐振器(6)差动布置于质量块(7)的两侧,形状尺寸完全一致,且关于质量块(7)质心处的x轴和y轴方向对称布置。
4.根据权利要求1所述的加速度传感器芯片,其特征在于,所述的固定框架(1)布置于芯片外围,形状为矩形、圆环或者不规则框架。
5.根据权利要求1所述的加速度传感器芯片,其特征在于,第一连接框(2)形状是四根双端固支梁2-e、2-f、2-g和2-h连接成的菱形结构,x轴方向呈钝角的2-a和2-b端分别与固定框架(1)和质量块(7)连接,y轴方向呈锐角的2-c和2-d端分别与第一谐振器(5)的两端连接;
第二连接框(3)形状是四根双端固支梁3-e、3-f、3-g和3-h连接成的菱形结构,x轴方向呈钝角的3-a和3-b端分别与固定框架(1)和质量块(7)连接,y轴方向呈锐角的3-c和3-d端分别与第二谐振器(6)的两端连接。
6.根据权利要求5所述的加速度传感器芯片,其特征在于,第一连接框(2)的四根双端固支梁2-e、2-f、2-g和2-h能够进行圆弧、变截面或者弯折的设计;第二连接框(3)的四根双端固支梁3-e、3-f、3-g和3-h能够进行圆弧、变截面或者弯折的设计。
7.根据权利要求5所述的加速度传感器芯片,其特征在于,第一连接框(2)的四根双端固支梁2-e、2-f、2-g和2-h能够加粗,第二连接框(3)的四根双端固支梁3-e、3-f、3-g和3-h能够加粗,满足芯片在量程范围内的强度要求。
8.根据权利要求1所述的加速度传感器芯片,其特征在于,所述的解耦梁(4)布置为偶数个,形状尺寸完全一致,且关于质量块(7)质心处的x轴和y轴方向对称布置;解耦梁(4)为细长梁,在芯片x轴方向即敏感方向上的刚度小,在y轴方向上刚度大。
9.根据权利要求1所述的加速度传感器芯片,其特征在于,第一谐振器(5)和第二谐振器(6)为双端固支音叉结构形式。
10.根据权利要求1所述的加速度传感器芯片,其特征在于,质量块(7)为多边形,尽可能多的占据固定框架内部未被其余结构占据的空间;质量块(7)的上下两个表面能够胶粘、键合、焊接同质或者异质材料配重块(8),增大质量块(7)的质量。
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