CN202562949U

CN202562949U - 一种基于静电刚度的谐振式微加速度计

Info

Publication number: CN202562949U
Application number: CN2012201883709U
Authority: CN
Inventors: 刘恒; 刘清惓; 张加宏; 李敏
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2022-04-27

Abstract

本实用新型涉及一种基于静电刚度的谐振式微加速度计。所述微加速度计的机械结构包括：两个质量块系统、两个驱动梳齿对、一个音叉谐振子，音叉谐振子包括两根双端固支音叉梁，驱动梳齿对与音叉谐振子构成驱动电容。所述微加速度计利用检测端加载不同的直流电压来调节微加速度计的灵敏度，减小了灵敏度对工艺制造误差依赖性；采用以滑动阻尼为主的振动结构设计，阻尼小，封装品质因数大，检测信号容易拾取；检测极板信号引线和驱动梳齿极板信号引线分开布置，大大减小驱动端到检测端的同频干扰；驱动电极采用梳齿电容对，减少了静电驱动力的非线性。

Description

一种基于静电刚度的谐振式微加速度计

技术领域

本实用新型涉及一种加速度计，尤其是一种基于静电刚度的谐振式微加速度计。

背景技术

硅微加速度计是典型的MEMS惯性传感器，目前主要有电容式、压电式、压阻式、隧道电流式和谐振式等多种形式。其中硅微谐振式加速度计通过谐振频率变化来敏感外部加速度大小，其输出是准数字量的频率信号具有很高的抗干扰性和稳定性，同时可直接与数字电路相连，接口方便。

目前，硅微谐振式加速度计主要有基于轴向应力和静电负刚度两种。基于轴向应力的谐振式微加速度计一般由谐振梁和敏感质量块组成，加速度经敏感质量块转换为惯性力，惯性力直接或经过杠杆等力放大机构作用在谐振梁的轴向使谐振梁的频率发生变化，通过测试谐振频率推算出被测加速度。为了提高灵敏度，现有的谐振式加速度采用了惯性力放大的微杠杆，但由于微加工工艺的特殊性，微杠杆的力放大效率低，重复性和抗冲击性均比较差，灵敏度随时间变化下降快，加速度计灵敏度对工艺误差的依赖性比较大，一经流片，性能很难去调整，设计的加速度计很难保证达到预期性能。

静电刚度谐振式加速度计原理是加速度经敏感质量块转换为惯性力，惯性力将带来检测质量块和附着梳齿的运动，检测电容在检测电压作用下将对振梁产生静电驱动力，从而产生了等效静电刚度，影响了振梁的总体刚度；通过改变加载的检测电压可以调节加速度计的灵敏度。现有的加速度计用来检测与平面平行方向的加速度。音叉上的质量块完全独立，减少了机械振动的耦合。加速度计采用单边梳齿驱动，平板电容检测的方式，振动中挤压阻尼大，封装品质因数小，微弱信号检测难度大。另外，在信号拾取过程中，发现存在非常大的驱动端直接耦合到检测端的同频干扰信号，干扰信号的存在限制了对音叉振梁是否处在谐振状态的判断，也就影响后续的闭环驱动电路的设计。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于静电刚度的谐振式微加速度计。

本实用新型为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种基于静电刚度的谐振式微加速度计，包括单晶硅层和玻璃基座层，加速度计机械结构刻蚀在单晶硅层上，所述加速度计机械结构包括：两个质量块系统、两个驱动梳齿对、音叉谐振子；其中：所述音叉谐振子水平设置在单晶硅层上，两个驱动梳齿对分别对称布置在音叉谐振子的两侧，所述两个质量块系统分别通过齿槽与两个驱动梳齿对连接；音叉谐振子与任一质量块系统构成一个检测电容，音叉谐振子与任一驱动梳齿对构成一个驱动电容。

进一步的，所述一种基于静电刚度的谐振式微加速度计中，质量块系统包括由折叠梁支撑的质量块、倾斜梳齿，所述倾斜梳齿均匀附着在质量块上，所述质量块上有均匀分布的阻尼孔。

进一步的，所述一种基于静电刚度的谐振式微加速度计中，驱动梳齿对、倾斜梳齿都是均匀分布的梳齿，梳齿与梳齿间有对应的U形槽。

进一步的，所述一种基于静电刚度的谐振式微加速度计中，音叉谐振子包括两个平行设置的音叉梁，音叉梁的两端通过固定端子连在一起。

本实用新型采用上述技术方案，具有以下有益效果：利用检测端加载不同的直流电压来调节微加速度计的灵敏度，减小了灵敏度对工艺制造误差依赖性；采用以滑动阻尼为主的振动结构设计，阻尼小，封装品质因数大，检测信号容易拾取；检测极板信号引线和驱动梳齿极板信号引线分开布置，大大减小驱动端到检测端的同频干扰；驱动电极采用梳齿电容对，减少了静电驱动力的非线性。

附图说明

图1为本实用新型的单晶硅层上的微机械结构示意图。

图2为本实用新型的玻璃层上的信号引线示意图。

图3为本实用新型的单晶硅背面键合层锚点示意图。

图中标号说明：A11、A12、A13、A14、A21、A22、A23、A24均为折叠梁，B1、B2均为质量块、C1、C2均为倾斜梳齿，D11、D12、D21、D22均为驱动梳齿，E为音叉谐振子，E1、E2均为音叉梁，F1、F2为音叉梁E1、E2对应检测电容的信号引线，H为谐振器的信号引线，G10为连接D11和D12的信号引线，G20为连接D21和D22的信号引线，G11、G21为外接信号引线，I11、I12、I21、I22、J1、J2、K11、K12、K21、K22均为锚点。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明：

基于静电刚度的谐振式微加速度计，包括单晶硅层和玻璃基座层，单晶硅层通过键合技术与玻璃基座层连接。加速度计机械结构如图1所示焊接在单晶硅层上，包括：两个质量块系统、两个驱动梳齿对、音叉谐振子E。音叉谐振子E水平布置在单晶硅层上。音叉谐振子E由两根对称的音叉梁E1、E2，连接梁和两个驱动梳齿对组成，音叉梁E1、E2尺寸完全一致，完全独立；每根音叉梁上还附有驱动梳齿对。一对驱动梳齿对包括梳齿D11、D12，另一对驱动梳齿对包括梳齿D21、D22。上面一根音叉梁E1上附着的驱动梳齿D11、D12与附着在质量块B1上的倾斜梳齿C1构成上面一个音叉梁E1的检测电容。驱动梳齿与倾斜梳齿通过齿槽连接，齿槽在制作工艺上就是镂空在单晶硅层上的介于驱动梳齿、倾斜梳齿之间的空隙。在应用中，倾斜梳齿C1上连接直流电压，音叉谐振子E接地，这样在检测梳齿电容间就存在了静电压。当加速度为0时，由于静电力的作用，上面的音叉梁E1在垂直方向上下移动，音叉梁E1也因等效静电负刚度的存在而发生频率的变化。当加速度不为0时，在惯性力作用下，质量块B1上附着的倾斜梳齿将会发生进一步的上下移动，此音叉梁E1的等效谐振频率也相应变化。对于微机械谐振式加速度计，总是希望每根振梁时刻处在谐振状态，当驱动梳齿D11和D12加上带直流偏置的交流电压时，在上面的音叉梁E1和驱动梳齿D11和D12之间就存在随交流电压频率变化的静电作用力。当交流电压的变化频率与上面音叉梁E1的等效谐振频率一致时，音叉梁E1就在交变的静电力作用下振动，此时相同幅度的静电力对应的振子幅度最大。在驱动过程中，要不断根据音叉梁E1的等效谐振频率来调整接在驱动梳齿D11和D12上的交流电压的频率，始终确保音叉梁E1处在谐振状态。谐振器E下面一根音叉梁E2上附着的驱动梳齿D21、D22与附着在质量块B2上的倾斜梳齿C2构成下面一个音叉梁E2的检测电容。音叉梁E2与音叉梁E1的原理完全一致，不同的是在加速度不为0时，在惯性力作用下，质量块B2上附着的倾斜梳齿C2移动方向与质量块B1上附着的倾斜梳齿C1移动方向相反，对应的等效静电负刚度大小也不一样。在加速度不为0时，一个音叉梁的等效刚度增大，另一个音叉梁的等效刚度减小，双端固支音叉梁结构在频率差分条件下的灵敏度提高，同时两个音叉梁振动的方向完全相反使得两根音叉梁连接端的应力和温度效应等也能相互抵消，抑制了输出的噪声干扰。

谐振式微机械加速度计需要通过金属引线与外部电路进行接口，如图2所示，玻璃层上的金属电极关于中心原点对称。音叉梁E1对应的振动检测电容的信号引线为F1，音叉梁E2对应的振动检测电容的信号引线为F2。H为谐振器E的信号引线，G10为连接音叉梁E1对应的固定驱动梳齿D11和D12的信号引线，这样驱动梳齿D11和D12在电气上是互连的，G11为外接的信号引线，作用是给驱动梳齿D11和D12提供驱动电压。G20为连接振子E2对应的固定驱动梳齿D21和D22的信号引线，这样驱动梳齿D21和D22在电气上也是互连的，G21也为外接的信号引线，作用是给驱动梳齿D21和D22提供驱动电压。由于微加速度计结构尺寸均在微米量级，存在驱动端G11到检测端F1的直接耦合电容，这样在检测端F1就存在与驱动交流电压同频率的直接耦合信号，影响通过检测信号对音叉梁E1是否处在谐振状态的判断。同样，音叉梁E2也存在同样的同频耦合问题，所以在信号引线的布局上，G11和F1应该尽量分开，同样G21和F2也应该尽量分开，本实用新型将两组容易干扰的信号引线进行了交叉布局，信号引线F1布局在版图左上角，对应的G11布置在版图的右边中部，同样，F2布局在版图右下角，对应的G21布置在版图的左边中部，中间H接地，这样G21与F1，G11与F2之间间隔比较远，中间有接地电极引线存在，大大减小了同频干扰影响。

为了在单晶硅层上实现活动的微机械结构，就需要一部分高度的单晶硅作为支撑活动机构的基座。在单晶硅圆片的正面刻蚀微结构，也即为结构层，背面通过刻蚀保留键合用的锚点。如图3所示，本实用新型的键合锚点布局上下左右完全对称。锚点I11和I12为支撑图1中上面的质量块折叠梁系统，这样在惯性力作用下，折叠梁和质量会发生位移。同样，锚点I21和I22为支撑图1中下面的质量块折叠梁系统，在惯性力作用下，下面的折叠梁和质量也将会发生位移。锚点J1和J2作为音叉谐振器的支撑，布置在中间。K11和K12是音叉梁E1的驱动梳齿D11和D12的锚点，这样就能够提供悬空的梳齿结构，在静电作用下确保音叉梁E1在驱动梳齿D11和D12间的运动。K21和K22是音叉梁E2的驱动梳齿D21和D22的锚点，在静电作用下确保音叉梁E2在驱动梳齿D21和D22间的运动。制造过程中，对位非常重要，否则锚点键合就会发生偏差。

在设计中，音叉梁E1和E2的尺寸完全一致，在实际制造中，由于工艺的偏差，表现为音叉梁E1和E2的谐振频率不相同。在加速度a不为0时，假设音叉梁E1的固有谐振频率为f₁，对应的检测端F1加载直流电压为V₁，那么音叉梁E1的等效谐振频率f_e1可以表示为：

f_e1＝f₁-S₁(V₁)·a (1)

式(1)中，S₁(V₁)为与V₁有关的函数，也即为音叉梁E1敏感加速度a的灵敏度，还与音叉梁E1的结构尺寸有关。同样，在加速度a不为0时，假设音叉梁E2的固有谐振频率为f₂，对应的检测端F2加载直流电压为V₂，那么音叉梁E2的等效谐振频率f_e2可以表示为：

f_e2＝f₂+S₂(V₂)·a (2)

式(2)中，S₂(V₂)为音叉梁E2敏感加速度a的灵敏度，为与V₂有关的函数，同时与音叉梁E2的尺寸参数有关。在频率检测中，频率差分后的结果f_e为：

f_e＝f_e2-f_e1＝f₂-f₁+[S₂(V₂)+S₁(V₁)]·a (3)

设计中总希望，f₁＝f₂，此条件下对应的灵敏度S为：

S＝S₂(V₂)+S₁(V₁) (4)

根据式(4)，频率差分形式能够提高加速度计的灵敏度，同时灵敏度还可以通过调节音叉梁E1和E2的检测直流电压来改变，这就是静电刚度谐振式微加速度计的优势之一。

可见，本实用新型所涉及的基于静电刚度的谐振式微加速度计：可以利用检测端加载不同的直流电压来调节灵敏度，灵敏度对工艺制造误差依赖性较小，容易实现高灵敏度的加速度计；采用以滑动阻尼为主的振动结构设计，阻尼小，封装品质因数大，检测信号容易拾取；检测极板信号引线和驱动梳齿极板信号引线分开布置，可以大大减小驱动端到检测端的同频干扰；采用两根完全对称的双端固支音叉梁谐振器，相向振动中温度、应力等效应能相互抵消，同时对称频率差分能提高灵敏度；折叠梁非敏感加速度方向上的弹性系数远大于敏感加速度方向，输出耦合误差小；驱动电极采用梳齿电容对，减少了静电驱动力的非线性。

Claims

1.一种基于静电刚度的谐振式微加速度计，包括单晶硅层和玻璃基座层，加速度计机械结构刻蚀在单晶硅层上，其特征在于：所述加速度计机械结构包括：两个质量块系统、两个驱动梳齿对、音叉谐振子；其中：所述音叉谐振子水平设置在单晶硅层上，两个驱动梳齿对分别对称布置在音叉谐振子的两侧，所述两个质量块系统分别通过齿槽与两个驱动梳齿对连接；音叉谐振子与任一质量块系统构成一个检测电容，音叉谐振子与任一驱动梳齿对构成一个驱动电容。

2.根据权利要求1所述的一种基于静电刚度的谐振式微加速度计，其特征在于所述质量块系统包括由折叠梁支撑的质量块、倾斜梳齿，所述倾斜梳齿均匀附着在质量块上，所述质量块上有均匀分布的阻尼孔。

3.根据权利要求2所述的一种基于静电刚度的谐振式微加速度计，其特征在于所述驱动梳齿对、倾斜梳齿都是均匀分布的梳齿，梳齿与梳齿间有对应的U形槽。

4.根据权利要求1所述的一种基于静电刚度的谐振式微加速度计，其特征在于所述音叉谐振子包括两个平行设置的音叉梁，音叉梁的两端通过固定端子连在一起。