CN1979175A - 微机械硅谐振梁加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明是一种微机械硅谐振梁加速度计，是基于微电子机械技术(MEMS)加工而成，由Pyrex7740#玻璃基片、硅质量块、双谐振梁、四根支撑梁、锚点及电极引线组成，硅结构上下左右完全对称。质量块在加速度作用下受到的惯性力通过力－应力转换结构传递到谐振梁上，改变梁的轴向机械应力，双梁结构设置可保证其感受相反方向的应力，使一个梁的谐振频率增加而另一个梁的谐振频率下降，通过检测双梁谐振频率差，实现加速度测量。本发明采用独特的力－应力转换结构及双梁对称结构，制作简单，并有效提高加速度计检测灵敏度及抗干扰能力。

Description

微机械硅谐振梁加速度计

技术领域

本发明一种微机械硅谐振梁加速度计，涉及通过检测梁的机械谐振频率的变化，来测量加速度的谐振式加速度计。

背景技术

硅微谐振式传感器，是基于微电子机械技术(MEMS)工艺的基础发展起来的，具有体积小，重量轻，功耗低，测量精度高，稳定性好，易批量生产，直接输出准数字量，易与计算机通讯等优点，已成为微传感器的一个重要发展方向。谐振式传感器的核心是谐振器(包括梁、膜、环等机械结构)，谐振器在由激振和拾振单元组成的正反馈闭环系统控制下，以其自身的固有谐振频率振动。待测物理量(力，压力，加速度等)可通过某种转换机制改变谐振器的谐振频率，检测谐振频率的改变即可实现待测物理量的测量。一个机械力学结构的谐振频率与其机械刚度、质量及阻尼相关，在微谐振式传感器中，最常用的方法是改变谐振结构的刚度，对微机械梁来说，就是改变其轴向应力。谐振梁加速度计就是利用加速度形成的惯性力转化成振梁的轴向应力，从而改变其谐振频率的方法来检测加速度值的。因此，惯性力-轴向应力的转化效率决定了加速度计的灵敏度。常用的微谐振梁加速度计有悬臂梁式和双音叉式两种。悬臂梁式，制作简单，利用弯曲应力放大原理，惯性力-轴向应力转化效率高，但对称性差，存在交叉干扰，而且不易实现差动输出结构以抑制共模信号及温度等外界因素造成的误差。双音叉式，从石英振梁加速度计中借鉴过来，采用差动输出结构，但通过杠杆原理来放大轴向应力，惯性力-轴向应力转化效率低，灵敏度不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种加速度一轴向应力转化机制，既简化工艺，降低工艺难度，又能保证有较高的加速度检测灵敏度和抗干扰能力。

为实现本发明的目的，本发明的技术解决方案是提出一种微机械硅谐振梁加速度计，是基于微电子机械技术加工而成，由硅质量块、支撑梁、锚点、玻璃基片、电极引线及谐振梁组成，其硅芯片结构上下左右对称，上下两根谐振梁的两端直接由左右两根对称的支撑梁连接，当质量块在加速度作用下受到的惯性力，通过力-应力转换结构传递到谐振梁上时，改变了谐振梁的轴向机械应力，双谐振梁结构，使双谐振梁各自感受相反方向的应力，一个梁的谐振频率增加而另一个梁的谐振频率下降，通过检测双谐振梁的谐振频率差，实现对加速度测量。

所述的硅谐振梁加速度计，其中，在玻璃基片上，四个支撑梁锚点均分为两组：一组支撑梁锚点与另一组支撑梁锚点，以水平X线和垂直Y线为准，上下左右对称设置；

四个电极锚点和六个电极引线也均分为两组：一组电极锚点与另一组电极锚点，一组电极引线与另一组电极引线，各自以水平X线和垂直Y线为准，上下左右对称设置；

一组电极引线和另一组电极引线，分别水平位于玻璃基片的上下侧边；第二电极引线，四电极锚点和第五电极引线，由上到下设于Y线上；

第一电极引线与第一支撑梁锚点电连接，第二电极引线与第一电极锚点电连接，第三电极引线与第二电极锚点电连接，第四电极引线与第四支撑梁锚点电连接，第五电极引线与第四电极锚点电连接，第六电极引线与第三电极锚点电连接；

硅质量块处于玻璃基片的中央部位，悬置，其四角通过四个支撑梁分别固接于四个支撑梁锚点上；第一、第二支撑梁与第一、第二支撑梁锚点连接端之间，还水平固接有第一谐振梁；而第三、第四支撑梁与第三、第四支撑梁锚点连接端之间，还水平固接有第二谐振梁；

第一、第二电极锚点分置于第一谐振梁上下两侧，第三、第四电极锚点分置于第二谐振梁上下两侧。

所述的硅谐振梁加速度计，其所述的支撑梁是变截面梁，其最小截面梁平行于谐振梁，位于谐振梁的内侧，宽度是谐振梁宽度的二倍以上，左右支撑梁的支撑梁锚点由一电极锚点分隔开。

所述的硅谐振梁加速度计，其所述一组电极锚点分置于双谐振梁上下两侧，使双谐振梁与其上下设置的电极锚点之间形成平板或梳齿电容，实现静电激励和电容检测。

所述的硅谐振梁加速度计，其所述硅质量块、谐振梁、支撑梁、锚点采用体硅工艺制作，材料是单晶硅或多晶硅；电极引线，是通过溅射或蒸发金属于玻璃基片上形成，通过硅玻璃阳极键合与电极锚点电气连接。

所述的硅谐振梁加速度计，其所述玻璃基片，为Pyrex7740#玻璃基片。

本发明微机械硅谐振梁加速度计，采用独特的力-应力转换结构，制作简单，有限元模拟分析及实验结果证实采用这种加速度计大大提高加速度检测灵敏度。

附图说明

图1是本发明微机械硅谐振梁加速度计结构示意图。

图中：1-硅质量块  2，2a，2b，2c-支撑梁  3，3a，3b，3c-支撑梁锚  点4-玻璃基片  5，5a，5b，5c-电极锚点  6，6a，6b，6c，6d，6e-电极引线  7，7a-谐振梁  8-X线  9-Y线

具体实施方式

如图1所示，本发明微机械硅谐振梁加速度计，由硅质量块1、支撑梁2、锚点3、Pyrex7740#玻璃基片4、电极引线6及谐振梁7组成。其中，在Pyrex7740#玻璃基片4上，四个支撑梁锚点3、3a、3b、3c分为两组：一组支撑梁锚点3、3a，另一组支撑梁锚点3b、3c，以水平X线8和垂直Y线9为准，上下左右对称设置。四个电极锚点5、5a、5b、5c和六个电极引线6、6a、6b、6c、6d、6e也分为两组：一组电极锚点5、5a，另一组电极锚点5b、5c，一组电极引线6、6a、6b，另一组电极引线6c、6d、6e，各自以水平X线8和垂直Y线9为准，上下左右对称设置；一组电极引线6、6a、6b和另一组电极引线6c、6d、6e，分别水平位于玻璃基片4的上下侧边；电极引线6a，电极锚点5、5a、5b、5c和电极引线6d，由上到下设于Y线9上。电极引线6与支撑梁锚点3电连接，电极引线6a与电极锚点5电连接，电极引线6b与电极锚点5a电连接，电极引线6c与支撑梁锚点3c电连接，电极引线6d与电极锚点5c电连接，电极引线6e与电极锚点5b电连接。

硅质量块1处于玻璃基片4的中央部位，悬置，其四角通过四个支撑梁2、2a、2b、2c分别固接于支撑梁锚点3、3a、3b、3c上。支撑梁2、2a与支撑梁锚点3、3a连接端之间，还水平固接有谐振梁7；而支撑梁2b、2c与支撑梁锚点3b、3c连接端之间，还水平固接有双谐振梁7a。电极锚点5、5a分置于谐振梁7上下两侧，电极锚点5b、5c分置于谐振梁7a上下两侧。

四个支撑梁2、2a、2b、2c是变截面梁，其最小截面梁平行于谐振梁7、7a，且位于谐振梁7、7a的内侧，变截面梁的宽度是谐振梁7、7a宽度的2倍以上，左右支撑梁锚点3、3a或左右支撑梁锚点3b、3c，由一电极锚点5a或电极锚点5b分隔开。

硅质量块1，支撑梁2、2a、2b、2c，锚点3、3a、3b、3c、5、5a、5b、5c，谐振梁7、7a采用体硅工艺制作，材料是单晶硅或多晶硅；电极引线6、6a、6b、6c、6d、6e，是通过溅射或蒸发金属于玻璃基片4上形成，通过硅玻璃阳极键合与电极锚点5、5a、5b、5c、支撑梁锚点3、3c电气连接。

本发明微机械硅谐振梁加速度计，在使用时，硅质量块1在加速度作用下受到的惯性力，通过力-应力转换结构传递到谐振梁7、7a上，改变谐振梁7、7a的轴向机械应力，谐振梁7与谐振梁7a对称结构设置，可保证当敏感方向受加速度作用时，谐振梁7和谐振梁7a各自感受相反方向的应力，使一个梁的谐振频率增加而另一个梁的谐振频率下降，而当非敏感方向受加速度作用时，双谐振梁7和7a各自感受相同的应力，谐振梁的谐振频率同时增加或同时降低，通过检测双谐振梁7和7a的谐振频率差实现加速度测量，并有效抑制了交叉干扰及其它共模误差。

Claims (6)

1、一种微机械硅谐振梁加速度计，是基于微电子机械技术加工而成，由硅质量块、支撑梁、锚点、玻璃基片、电极引线及谐振梁组成，其特征在于，硅芯片结构上下左右对称，两组双谐振梁的两端直接由左右两根对称的支撑梁连接，当质量块在加速度作用下受到的惯性力，通过力一应力转换结构传递到双谐振梁上时，改变了谐振梁的轴向机械应力，双谐振梁结构，使双谐振梁各自感受相反方向的应力，一个梁的谐振频率增加而另一个梁的谐振频率下降，通过检测双谐振梁的谐振频率差，实现对加速度测量。

2、如权利要求1所述的硅谐振梁加速度计，其特征在于，其中，在玻璃基片上，四个支撑梁锚点均分为两组：一组支撑梁锚点与另一组支撑梁锚点，以水平X线和垂直Y线为准，上下左右对称设置；

四个电极锚点和六个电极引线也均分为两组：一组电极锚点与另一组电极锚点，一组电极引线与另一组电极引线，各自以水平X线和垂直Y线为准，上下左右对称设置；

一组电极引线和另一组电极引线，分别水平位于玻璃基片的上下侧边；第二电极引线，四电极锚点和第五电极引线，由上到下设于Y线上；

第一电极引线与第一支撑梁锚点电连接，第二电极引线与第一电极锚点电连接，第三电极引线与第二电极锚点电连接，第四电极引线与第四支撑梁锚点电连接，第五电极引线与第四电极锚点电连接，第六电极引线与第三电极锚点电连接；

硅质量块处于玻璃基片的中央部位，悬置，其四角通过四个支撑梁分别固接于四个支撑梁锚点上；第一、第二支撑梁与第一、第二支撑梁锚点连接端之间，还水平固接有第一根谐振梁；而第三、第四支撑梁与第三、第四支撑梁锚点连接端之间，还水平固接有第二根谐振梁；

第一、第二电极锚点分置于第一谐振梁上下两侧，第三、第四电极锚点分置于第二谐振梁上下两侧。

3、如权利要求1或2所述的硅谐振梁加速度计，其特征在于，所述的支撑梁是变截面梁，其最小截面梁平行于谐振梁，位于谐振梁的内侧，宽度是谐振梁宽度的二倍以上，左右支撑梁的支撑梁锚点由一电极锚点分隔开。

4、如权利要求2所述的硅谐振梁加速度计，其特征在于，所述一组电极锚点分置于谐振梁上下两侧，使谐振梁与其上下设置的电极锚点之间形成平板或梳齿电容，实现静电激励和电容检测。

5、如权利要求2所述的硅谐振梁加速度计，其特征在于，所述硅质量块、谐振梁、支撑梁、锚点采用体硅工艺制作，材料是单晶硅或多晶硅；电极引线，是通过溅射或蒸发金属于玻璃基片上形成，通过硅玻璃阳极键合与电极锚点电气连接。

6、如权利要求1或2所述的硅谐振梁加速度计，其特征在于，所述玻璃基片，为Pyrex7740#玻璃基片。

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