CN1844932A

CN1844932A - 一种双轴谐振式微机械加速度计

Info

Publication number: CN1844932A
Application number: CN 200610011957
Authority: CN
Inventors: 樊尚春; 任杰
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: CN100567993C

Abstract

双轴谐振式微机械加速度计包括基片、质量块、悬臂梁、杠杆放大机构、音叉、驱动电极、检测电极、齿枢和止挡。结构为中心对称图形，通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度，质量块呈“回”字型，质量块中间是悬臂梁、杠杆放大机构、音叉、齿枢和驱动电极、检测电极，质量块外围是止挡。发明中的“回”字型的质量块设计能够使元件有限体积下实现较大的质量块；8根悬臂梁组成的弹性支撑实现了两个正交方向的解耦，使两个方向的灵敏度、分辨率都较高；谐振梁采用双端固定音叉的形式，其两端通过细颈结构与外围固连；以对称布置的两个音叉实现谐振频率的差动输出。本发明的结构形式使微机械加速度计在两个正交方向均有较高的灵敏度、分辨率，易于实现高精度的二维加速度测量。

Description

一种双轴谐振式微机械加速度计

技术领域

本发明属于MEMS(微机电系统)中的微机械传感器领域，它作为微惯性器件广泛应用于汽车电子、航空航天、武器装备等领域。

背景技术

MEMS正处于发展时期，它的技术和市场都尚未成熟，但其孕育的广阔发展前景、巨大的社会、经济效益是世人共知的，微机械加速度计是其中最成功的代表之一。微机械加速度计的研究始于20世纪70年代初，并在80年代形成单轴微机械加速度计产品，90年代末出现了多轴的微机械加速度计，市场上最具有代表性的是美国AD公司ADXL系列微机械加速度计。

微机械加速度计发展很快，有压阻式、电容式、压电式、力平衡式、热对流式、谐振式和隧道电流式等多种形式。与诸多形式相比，谐振式微机械加速度计输出的是频率信号，这种准数字信号具有很高的抗干扰能力和稳定性，传输中不易出现失真，信号不需要经过A/D转换，直接与数字处理器相连。谐振式微机械加速度计是一种高精度的加速度计，有良好的发展前景。目前的微机械加速度计产品大多是中低精度的，严重地制约其应用范围，较多地应用在精度要求不高的商用领域。微机械加速度计产品多是单轴的，而实际应用中常常需要双轴或三轴加速度计来测量加速度矢量，公开的文献中大多是对单轴加速度计的研究，多轴加速度计的研究报道较少。目前微机械加速度计的研究方向主要集中于高精度、多轴集成和数字化输出方面，提高加速度计性能就是要实现多轴的高灵敏度、低噪声、低漂移和大动态范围的测量。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高精度的双轴谐振微机械加速度计，以解决现有微机械加速度计多为单轴、灵敏度和分辨率不够高的问题，实现高精度的二维加速度测量。

本发明的技术方案：一种双轴谐振式微机械加速度计，其特点在于：包括基片、质量块、8个悬臂梁、4个杠杆放大机构、4个音叉、4组驱动电极、检测电极、齿枢，整个结构为中心对称图形，通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度。质量块呈“回”字型，质量块中间是8个悬臂梁、4个杠杆放大机构、4个音叉和4组齿枢、驱动电极、检测电极。8个悬臂梁组成的弹性支撑巧妙地实现了两个正交方向的解耦，使两个方向的灵敏度、分辨率都较高。谐振梁采用双端固定音叉的形式，每个音叉的两端通过细颈结构分别与杠杆机构和锚点固连，这样有效地减小了音叉和外围结构的能量耦合。对称布置的两个音叉的结构参数一致性好，有效地实现谐振频率的差动输出。音叉中间两侧对称布置齿枢，齿枢两侧为梳齿结构的驱动电极和检测电极，以实现静电驱动和电容检测。

此外，在质量块的外围四周布置有4个止挡，可有效地实现过载保护，防止在较强的冲击下弹性支撑结构断裂。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用一个质量块敏感两个方向的加速度，8个悬臂梁组成的弹性支撑巧妙地实现了两个正交方向的解耦，使两个方向的灵敏度、分辨率都较高；质量块采用“回”字型设计，这使元件能够在有限体积下实现较大的质量块，使加速度高效转化为惯性力；谐振梁采用双端固定音叉的形式，音叉两端通过细颈结构分别与杠杆机构和锚点固连，有效减小音叉和外围结构的能量耦合；对称布置的两个音叉的结构参数一致性好，有效地实现谐振频率的差动输出；梳齿式的静电驱动、电容检测结构可实现较高的驱动强度和检测灵敏度，同时具有很好的工艺性。

附图说明

图1为本发明的双轴谐振微机械加速度计的平面结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括基片1、质量块2、8个悬臂梁11、17、21、27、31、37、41、47、4个杠杆放大机构12、22、32、42、4个音叉18、28、38、48、4组驱动电极、检测电极、齿枢和4个止挡13、23、33、43，整个结构为中心对称图形，通过一个质量块2敏感两个正交方向的加速度。质量块2呈“回”字型，质量块2中间是8个悬臂梁11、17、21、27、31、37、41、47、4个杠杆放大机构12、22、32、42、4个音叉18、28、38、48和4组齿枢、驱动电极、检测电极。8个悬臂梁11、17、21、27、31、37、41、47组成的弹性支撑巧妙地实现了两个正交方向的解耦，使两个方向的灵敏度、分辨率都较高；杠杆机构12由三级放大杆件组成，杠杆机构12通过锚点14、15、20、49与基片键合连接，杠杆机构12的一端与质量块2连接，另一端与音叉的细颈结构16连接，杠杆机构22、32、42与杠杆机构12同理。谐振梁采用双端固定音叉的形式，音叉18两端通过宽度为4μm的细颈结构16、19与杠杆机构12和锚点3固连，有效减小音叉18和外围结构的能量耦合，音叉28、38、48与音叉18同理；y轴对称布置的两个音叉28、38及x轴对称布置的两个音叉18、38实现谐振频率的差动输出；每个音叉的中间两侧有梳齿结构的驱动电极和检测电极实现静电驱动和电容检测。

在质量块2的四周有4个止挡13，23，33，43，可有效地实现过载保护，防止在较强的冲击下弹性支撑结构断裂。

本发明工作原理：通过敏感质量将加速度转化为惯性力来测量，惯性力作用于谐振梁轴向，引起谐振梁的谐振频率变化，由测得的谐振频率推算出被测加速度。如图1，当有y方向加速度输入时，质量块2承受y方向惯性力，悬臂梁21、27、41、47发生变形，质量块2发生y方向位移，惯性力经悬臂梁11、17、31、37和杠杆机构12、32放大，施加在音叉18、38的轴向，音叉18、38一个承受拉应力、一个承受压应力，承受拉应力作用的音叉谐振频率增大，承受压应力作用的音叉谐振频率减小，检测两个谐振频率之差作为输出。利用音叉18、38中间两侧的梳齿结构实现静电驱动和电容拾振，由测得的谐振频率解算出被测加速度。当有x方向加速度计输入时，质量块1承受x方向惯性力，悬臂梁11、17、31、37发生形变，质量块1发生x方向位移，惯性力经悬臂梁21、27、41、47和杠杆机构22、42放大，施加在音叉28、48的轴向，音叉28、48一个承受拉应力、一个承受压应力，承受拉应力作用的音叉谐振频率增大，承受压应力作用的音叉谐振频率减小，检测两个谐振频率之差作为输出，利用音叉28、48中间两侧的梳齿结构实现静电驱动和电容拾振，由测得的谐振频率解算出被测加速度。

综上所述，本发明提出了一种新颖结构形式的双轴谐振式微机械加速度计，它体积小、重量轻，可实现高灵敏度、高分辨率的二维加速度测量，开拓了这类加速度计在高精度领域的应用。

Claims

1.一种双轴谐振式微机械加速度计，其特征在于：包括基片、质量块、8个悬臂梁、4个杠杆放大机构、4个音叉和4组齿枢、驱动电极、检测电极，整个结构为中心对称图形，通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度；质量块呈“回”字型，质量块中间是8个悬臂梁、4个杠杆放大机构、4个音叉和4组齿枢、驱动电极、检测电极，谐振梁采用双端固定音叉的形式，每个音叉的两端通过细颈结构分别与杠杆放大机构和锚点固连，音叉对称布置，音叉两侧对称布置有齿枢、驱动电极、检测电极。

2、根据权利要求1所述的双轴谐振式微机械加速度计，其特征在于：所述的杠杆机构由三级放大杆件组成，杠杆机构通过4个锚点与基片键合连接，杠杆机构的一端与质量块连接，另一端与音叉的细颈结构连接。

3、根据权利要求1所述的双轴谐振式微机械加速度计，其特征在于：所述的质量块外围对称设计有止挡。

4、根据权利要求1所述的双轴谐振式微机械加速度计，其特征在于：所述两个对称的音叉结构参数相同。