CN1273835C - 一种高灵敏度谐振加速度计芯片 - Google Patents

Abstract

一种高灵敏度谐振加速度计芯片，是一种重要的力学量传感器，在汽车、航空航天、地震检测、武器装备等领域都有广泛的应用。该芯片包括基片、质量块、音叉、力学放大系统、驱动电极及敏感电极。所述的质量块为回形，在其中心为两个平行音叉，每一音叉的中部两侧设有相互并列的梳状驱动电极和敏感电极。所述的力学放大系统由多极省力杠杆结构串联组成；所述的梳状驱动电极、敏感电极及基片均由引线与焊接电极连接。本发明的质量块的利用率达到100%，体积相对较小，可以使由加速度引起的惯性力进行高效率放大，结构稳定性好，有较大的抗冲击能力。材料不均匀和环境温度对器件影响较小。开拓了这类加速度计在高精度加速度计领域中的应用。

Description

一种高灵敏度谐振加速度计芯片

技术领域

本发明涉及谐振传感器，具体是一种高灵敏度谐振加速度计芯片。加速度计是一种重要的力学量传感器，在汽车、航空航天、地震检测、武器装备等领域都有广泛的应用。

背景技术

谐振传感器是一种有良好发展前景的新型传感器。它的基本特征是输出频率信号，这是一种准数字信号，它不易受到环境噪声的干扰，在传输和处理过程中也不易出现误差，因而这种传感器属高性能器件。谐振器(谐振梁)、激振单元、检测单元是谐振传感器的核心。

谐振器的激振方法主要有静电激振、电磁激振、电热激振等；检测方法主要有压阻检测、电容检测、激光检测等。其中静电激振、电热激振及压阻检测、电容检测的实现与半导体工艺兼容较为简单，在谐振传感器的研究中被广为采用。最近几年来依据谐振原理，利用表面微机械技术和体硅微机械技术研制的加速度计已有报道。

谐振加速度计是通过输出频率的变化来精密测加速的一种传感器。用石英材料制作的谐振加速度计已经商业化，包括导航用的高精加速度计。近年来发展起来一种采用表面工艺制作的微机械谐振加速度计。但是在这些加速度计的结构中，由加速度和质量块引起的惯性力得不到有效放大，灵敏度不高。而且两个音叉被庞大的质量块隔开，相距较远导致了微加速度的体积较大，这样增大了材料的不均匀以及环境温度对加速度计的不良影响。

常规的微机械谐振谐振加速计有以下缺点：质量块的利用率不高，体积相对较大，频率的相对变化率较小，材料不均匀和环境温度对器件影响较大，稳定性和抗冲击能力较差等。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高灵敏度谐振加速度计芯片，以解决现有微机械谐振加速度计存在的质量块的利用率不高，体积相对较大，频率的相对变化率较小，材料不均匀和环境温度对器件影响较大，稳定性和抗冲击能力较差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：该芯片包括基片、质量块、音叉、力学放大系统、驱动电极及敏感电极。所述的质量块为回形，在其中心为两个平行音叉，每一音叉的中部两侧设有相互并列的梳状驱动电极和敏感电极，每一音叉的一端通过一个边锚点与基片连接，另一端与力学放大系统的末级连接；该末级的支点通过另一边锚点与基片连接，所述的两个音叉、两个力学放大系统及四个边锚点为中心对称布置，在每对相对的锚点的外侧各设有一个T形端锚点，三者组成‘品’字形，端锚点的横向的两端各通过一根悬臂梁与所述的回形质量块连接，并使该质量块平行悬于基片平面；所述的力学放大系统由多级省力杠杆结构组成，各级杠杆的支点分别与所述边锚点及端锚点的对应边缘连接；所述的梳状驱动电极、敏感电极及基片均由引线与焊接电极连接。

所述的梳状驱动电极和敏感电极均由与基片连接的定电极和位于它们两者之间的动电极组成，在动电极的两侧均有梳状齿与定电极交叉相对，该动电极与所述的音叉连接。

所述的连接回形质量块的四个悬臂梁同时又是所述力学放大系统的第一级力臂。

所述的质量块、音叉、力学放大系统、梳状驱动电极和敏感电极均采用标准的体硅工艺制作，所用材料为单晶硅；所述的引线和焊接电极通过蒸发金属沉积在基片上。

所述的基片为玻璃，所述的锚点通过键合与基片连接。

本发明的多级力学杠杆放大系统结构，可以使由加速度引起的惯性力进行高效率放大。

本发明的音叉由于并排设置，使材料不均匀对加速度计的影响降到最低。两个音叉设置在质量块的中心，对称地受到放大惯性力的作用，使一个音叉受到轴向拉力的作用，音叉的谐振频率增加；同时另一个音叉受到相同大小的压力作用，谐振频率减小。采用的差分输出，消除或减小环境等因素的影响。

本发明的回型质量块可以绕四周扩展，有效利用了硅材料，大大减小了微加速度芯片的体积。四个悬臂梁与T形端锚点相连把质量块稳定地悬浮于玻璃之上，同时又作为上下半部第一级力学放大系统的力臂，使质量块的利用率为100％。

整个系统的上下两半部分各有三个锚点，三点确定一个平面，因此稳定性很好。对回型质量块由于有对称的四个梁支撑，因此质量块相当稳定地与锚点相连。这样的结构设计具有较大的抗冲击能力。

附图说明

图1是本发明的平面结构示意图；

图2是本发明的音叉、驱动电极和敏感电极的结构示意图；

图3是本发明的多极力学放大系统的结构及工作原理示意图；

图4是应用本发明构成的加速度计的电路框图。

具体实施方式

参见图1，本发明包括基片1、质量块2、音叉3、力学放大系统4、驱动电极5及敏感电极6。所述的质量块2为回形，在其中心是两个平行的音叉3，每一音叉3的中部两侧均设有相互并列的梳状驱动电极5和敏感电极6，每一音叉3的一端通过一个边锚点7与基片1键合连接；另一端与力学放大系统4的末级连接；该末级的支点通过另一边锚点8与基片1键合连接。所述的两个音叉3、两个力学放大系统4及四个锚点为中心对称布置，在位于两个音叉3的同一端的两个边锚点的外侧各设有一个T形端锚点9，它的两端各通过一根悬臂梁10与所述的回形质量块2连接，并使该质量块2平行悬于基片1的平面之上。所述的力学放大系统4由多极杠杆结构组成，各级杠杆的支点分别与所述边锚点7和8及端锚点9的对应边缘连接；所述的梳状驱动电极5、敏感电极6及基片1均由引线11与焊接电极12连接(图1中虚线)。所述的锚点是玻璃和硅的键合点，即固定点。

本发明通过上下中心对称的两对呈品字形的六个锚点把回型质量块2、音叉3和力学放大系统4稳定地悬于玻璃基片1之上，在图1中上半部分有三个锚点，三点确定一个平面，因此稳定性很好。下半部分也有同样的结构。对回型质量块2由于有对称的四个悬臂梁10支撑，因此质量块2相当稳定地与各锚点相连。这样的结构设计具有较大的抗冲击能力。

本发明提出的回型质量块2和并排双音叉3结构，这种结构可以根据需要绕四周扩大质量块。由于双音叉并排设置在质量块的中心，双音叉距离较近，材料的不均匀对加速度计的影响降到最小。同时大大地缩小了谐振加速度计的体积。

由于支撑质量块2的四个悬臂梁10，同时又是第一级力学放大系统4的力臂，所以使质量块的利用率达到100％。而在常规加速度计中，质量块有专门的支撑细梁与锚点相连，这样的结构，其致命弱点是有效质量块的减小。本发明克服了这些缺点。

图2是图1中单个音叉3的结构图，所述的梳状驱动电极5和敏感电极6均由与基片1连接的定电极51、61和位于它们两者之间的动电极56组成，在动电极56的两侧均有梳状齿与定电极51和61交叉相对，该动电极56与所述的音叉连接。从图中可以看出，靠近音叉3的四个梳妆电极作为敏感电极6；较远的两个梳妆电极设置为驱动电极5。敏感电极6和驱动电极5的位置也可交换。音叉3的两个梁都有与本身连到一起的驱动电极5和敏感梳妆电极6的动电极56，音叉3的两个梁平行地被驱动和敏感，这种设计消除了不期望的振动模式。谐振器的RLC电子模拟与石英晶体类似，在谐振点附近，音叉电抗较小，主要表现为阻抗行为。

音叉3的一端与一个边锚点8相连，另一端和力学放大系统4的第7级杠杆47相连。所设计的结构使左右两边音叉，一个受到压力，另一个受到拉力。差分输出消除了环境温度等影响，增加了灵敏度。

图1和图2中的虚线为玻璃上蒸发的电极引线11。焊接电极12通过压焊和外电路相连。本发明可以用目前成熟的体硅工艺很容易制做。如用ICP深槽刻蚀单晶硅、在玻璃上蒸发电极、硅一玻璃键合等工艺来制作。

图3中是本发明提出的多级力学放大系统4的结构，该力学放大系统由七极省力杠杆41～47串联组成，其中第一级至第六级杠杆41～46为两列对称并联。各级杠杆的支点分别与所述边锚点7和8及与其相对的端锚点9的边缘连接，由质量块4产生的惯性力F1~F4经悬臂梁10传给力学放大系统4的第一级杠杆41，经七级放大后其放大倍数为C＝2C₁×C₂×C₃×C₄×C₅×C₆×C₇，假如每级放大10倍，则系统惯性力可以放大2×10⁷倍。当然根据需要可以增大或减小放大级数。这样就可以使由加速度引起的惯性力进行高效率放大，惯性力可以放大10⁴--10⁸倍以上。而常规的加速度计，由于结构所限，对惯性力只能放大1个数量级。本发明的加速度计，其灵敏度和分辨率，比常规的谐振加速度计提高3-7个数量级。

参见图4，是应用本发明构成的加速度计的检测电路框图。该电路主要包括两套并列的驱动电路A1和A2，频率检测电路B1和B2，差频电路C，以及反馈电路D1和D2四个部分。驱动电路的输出端分别与两个音叉3旁边的两个驱动电极5的一端连接，驱动电极5的另一端与频率检测电路的输入端连接，两个频率检测电路的输出端分别与差频电路的两个输入端连接。当有沿音叉3的长度方向的加速度存在时，每一音叉3两个谐振梁的固有频率就会发生变化。因此，必须要设计两个驱动电路A1和A2驱动音叉3在各自的固有频率下共振，两个测频电路B1和B2以测得不同的频率信号。然后通过差频电路C得到输出信号。差频电路C主要由乘法器、隔直电容、二阶低通滤波器构成。

本发明的工作原理如下：

在静电梳妆电压(由驱动电路施加在驱动电极5上)的驱动下，音叉3的梁发生谐振，当有加速度输入时，在回型质量块2上产生了惯性力。这一惯性力经力学放大系统4作用在音叉3的轴向上，使其频率发生相应的变化。利用图4中所示的电路处理后便可得出加速度值。

音叉3中的梁受到拉力时，频率变大；受到压力时，频率变小。

终上所述，本发明具有以下特点：

(1)本发明提出一种回型质量块2和并排双音叉3结构，这种结构可以根据需要绕四周扩大质量块。由于双音叉并排设置在质量块的中心，双音叉距离较近，材料的不均匀对加速度计的影响降到最小。同时大大地缩小了谐振加速度的体积。见图1。

(2)本发明提出一种由多级省力杠杆组成的多级力学放大系统4，可以使由加速度引起的惯性力进行高效率放大，惯性力可以放大10⁴-10⁸倍以上。而常规的加速度计，由于结构所限，对惯性力只能放大1个数量级。本发明的加速度计，其灵敏度和分辨率，比常规的谐振加速度计提高3-7个数量级。在图3所示的放大系统为7级放大，惯性力的放大倍数为C＝2C₁×C₂×C₃×C₄×C₅×C₆×C₇，若每级放大10倍，则系统惯性力可以放大2×10⁷倍。当然在制作中可以按照不同的精度要求增加或减小放大级数。

本发明提出的谐振加速度计，稳定性和抗冲击能力很强。由于采用上面的结构有结构布置合理的锚点，因此这种结构有较好的稳定性和抗冲击能力。在图1中上半部分有三个锚点，三点确定一个平面，因此稳定性很好。下半部分也有同样的结构。对回型质量块由于有对称的四个梁支撑，因此质量块相当稳定地与锚点相连。这样的结构设计具有较大的抗冲击能力。

本发明质量块达到100％的利用率。由于支撑质量块的四个梁，同时又是第一级放大系统的力臂。而在常规加速度计中，质量块有专门的支撑细梁与锚点相连，这样的结构，其致命弱点是有效质量块的减小。本发明避免了这些缺点，使所设计的质量块达到100％的利用率。

本发明的两个音叉3设置在质量块2的中心，对称地受到放大惯性力的作用，使一个音叉受到轴向拉力的作用，音叉的谐振频率增加；同时另一个音叉受到相同大小的压力作用，谐振频率减小。采用图4的差分输出，消除或减小环境等因的影响。

利用图2所示的静梳妆电极结构来实现驱动敏感功能，电极引线做在玻璃衬底上，通过硅和玻璃的键合，实现驱动和敏感电路和加速芯片连接。

这种器件可以用目前成熟的体硅工艺很容易制做。如用ICP深槽刻蚀单晶硅、在玻璃上蒸发电极、硅一玻璃键合等工艺来制作。

总之，本发明提出的谐振加速度计芯片，克服了常规谐振加速度计的许多不足，大大提升了加速度计的性能。创造性地开拓了这类加速度计在高精度加速度计领域中的应用。

Claims (5)

1.一种高灵敏度谐振加速度计芯片，包括基片、质量块、音叉、力学放大系统、驱动电极及敏感电极，其特征在于：所述的质量块为回形，在其中心为两个平行音叉，每一音叉的中部两侧设有相互并列的梳状驱动电极和梳状敏感电极，每一音叉的一端通过一个边锚点与基片连接，另一端与力学放大系统的末级连接；该末级的支点通过另一边锚点与基片连接，所述的两个音叉、两个力学放大系统及四个边锚点为中心对称布置，在每对相对的边锚点的外侧各设有一个T形端锚点，三者组成‘品’字形，端锚点的横向的两端各通过一根悬臂梁与所述的回形质量块连接，并使该质量块平行悬于基片平面；所述的力学放大系统由多级省力杠杆结构组成，各级杠杆的支点分别与所述边锚点及端锚点的对应边缘连接；所述的梳状驱动电极、梳状敏感电极及基片均由引线与焊接电极连接。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度谐振加速度计芯片，其特征在于：所述的梳状驱动电极和梳状敏感电极均由与基片连接的定电极和位于该定电极之间的动电极组成，在动电极的两侧均有梳状齿与定电极交叉相对，该动电极与所述的音叉连接。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度谐振加速度计芯片，其特征在于：所述的连接回形质量块的四个悬臂梁同时又是所述力学放大系统的第一级力臂。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度谐振加速度计芯片，其特征在于：所述的质量块、音叉、力学放大系统、梳状驱动电极和敏感电极均采用标准的体硅工艺制作，所用材料为单晶硅；所述的引线和焊接电极通过蒸发金属沉积在基片上。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的高灵敏度谐振加速度计芯片，其特征在于：所述的基片为玻璃，所述的锚点通过键合与基片连接。

Images