專利名稱：框架式電容硅微機(jī)械加速度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)和微慣性測量技術(shù)，特別是一種框架式電容硅微 機(jī)械加速度計。
背景技術(shù)：
微機(jī)械慣性儀表包括微機(jī)械陀螺儀和微機(jī)械加速度計。利用微電子加工工藝允許 將微機(jī)械結(jié)構(gòu)與所需的電子線路完全集成在一個硅片上，從而達(dá)到性能、價格、體積、重量、 可靠性諸方面的高度統(tǒng)一。因而，這類儀表具有一系列的優(yōu)點，如體積小、重量輕、價格便 宜、可靠性高、能大批量生產(chǎn)等，在軍民兩方面都具有廣泛的應(yīng)用前景，并受到世界各發(fā)達(dá) 國家的廣泛重視。電容式硅微機(jī)械加速度計是一種新型的加速度計，美國AD公司的ADXL系列的加 速度計是市場上最具有代表性的硅微機(jī)械加速度計。ADXL系列加速度計采用表面工藝工 作制作，結(jié)構(gòu)厚度為2微米。該結(jié)構(gòu)的檢測質(zhì)量塊為H形，采用梳齒式電容檢測，梳齒采用 了定齒均勻配置結(jié)構(gòu)形式。由于該結(jié)構(gòu)采用表面工藝加工，結(jié)構(gòu)厚度小，從而檢測標(biāo)稱電容 小，加速度計的分辨率和精度較低。針對上述問題，清華大學(xué)高鐘毓等提出了采用體硅工藝加工的梳齒式加速度計結(jié) 構(gòu)(高鐘毓，王永梁，董景新等.梳齒式體硅加工微機(jī)械加速度計，清華大學(xué)，CN1359007A)。 該結(jié)構(gòu)采用了體硅工藝加工，增加了檢測標(biāo)稱電容。但該結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊仍采用了 AD公司的 H形質(zhì)量塊，H形質(zhì)量塊使得加速度計的交叉軸靈敏度高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，同時該H形質(zhì)量塊使 得檢測梳齒數(shù)量增加受到限制，不易進(jìn)一步提高速度計的分辨率。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種大質(zhì)量、檢測電容大、分辨率高、低交叉軸靈敏 度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的框架式電容硅微機(jī)械加速度計。實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)解決方案為一種框架式電容硅微機(jī)械加速度計，由 上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的加速度計機(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上 的信號引線，加速度計機(jī)械結(jié)構(gòu)由框架式質(zhì)量塊、U型支撐梁、固定檢測梳齒和止擋塊組成， 框架式質(zhì)量塊上的活動梳齒與固定檢測梳齒組成差分檢測電容，框架式質(zhì)量塊上下端分別 通過上支撐梁和下支撐梁與上下固定基座相連，兩個止擋塊分別制作在上下固定基座上， 上下固定基座安裝在玻璃襯底上的固定基座鍵合點上，使上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分懸空在下 層的玻璃襯底部分之上。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(1)框架式質(zhì)量塊降低了交叉軸靈敏 度，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；( 加速度計分辨率由剛度質(zhì)量比和檢測標(biāo)稱電容決定，在剛度 質(zhì)量比一定的情況下，框架式質(zhì)量塊實現(xiàn)了梳齒數(shù)量的較大增加，從而提高了分辨率，降低 了后續(xù)調(diào)理電路的處理難度；C3)相比H形質(zhì)量塊，框架式質(zhì)量塊增加了加速度計結(jié)構(gòu)設(shè)計 的靈活性；(4)軸對稱U型支撐梁不僅能有效地釋放加工殘余應(yīng)力，還減小了加速度計的交叉軸靈敏度；( 止擋塊避免了大載荷情況下加速度計結(jié)構(gòu)因粘接而失效；(6)梳齒式差分 電容檢測，消除了 χ、ζ方向加速度和繞x、y、z軸角加速度的影響，有效抑制了干擾信號，提 高了檢測輸出的信噪比。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
附圖是本實用新型框架式電容硅微機(jī)械加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
結(jié)合附圖，本實用新型框架式電容硅微機(jī)械加速度計，用于測量平行于基座水平 加速度的測量儀器，由上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的加速度計機(jī)械結(jié)構(gòu)，下 層為制作在玻璃襯底上的信號引線，加速度計機(jī)械結(jié)構(gòu)由框架式質(zhì)量塊1、U型支撐梁2a、 2b、2c、2d、固定檢測梳齒3a、3b、3c、3d、3e、3f和止擋塊5a、5b組成，框架式質(zhì)量塊1上的 活動梳齒與固定檢測梳齒3a、3b、3c、3d、;3e、3f組成差分檢測電容，框架式質(zhì)量塊1上下端 分別通過上支撐梁2a、2b和下支撐梁2c、2d與上下固定基座4a、4b相連，兩個止擋塊5a、 5b分別制作在上下固定基座4a、4b上，上下固定基座4a、4b安裝在玻璃襯底上的固定基座 鍵合點上，使上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。其中，四根U型支撐梁 2a、2b、2c、2d相對于框架式質(zhì)量塊1中心對稱布置，各U型支撐梁2a、2b、2c、2d為軸對稱結(jié) 構(gòu)。本實用新型電容框架式硅微機(jī)械加速度計的框架式質(zhì)量塊1由三條平行的橫板 和兩條平行的豎板交錯連接組成框架式結(jié)構(gòu)形式，其中橫板將兩條豎板分成兩個相等的上 下區(qū)域，上下兩組各四列活動梳齒設(shè)置在豎板上。其中，中間的橫板形成框架式質(zhì)量塊1的 χ軸，兩條豎板之間的中心線形成框架式質(zhì)量塊1的y軸，在x、y方向上可實現(xiàn)大尺寸設(shè)計， 在剛度質(zhì)量比一定的情況下，框架式質(zhì)量塊實現(xiàn)了梳齒數(shù)量的較大增加，從而提高了分辨 率，降低了后續(xù)調(diào)理電路的處理難度。同時框架式結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，可降低了交叉軸靈敏度， 增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?？蚣苁劫|(zhì)量塊1上布置了上下兩組各四列活動梳齒，固定檢測梳齒 3a.3b.3c并排排列，位于質(zhì)量塊的上部，與質(zhì)量塊的上四列活動梳齒組成四組檢測電容，固 定檢測梳齒3d、3e、3f并排排列，位于質(zhì)量塊的下部，與質(zhì)量塊的下四列活動對應(yīng)的活動梳 齒組成四組檢測電容?；顒邮猃X和其相鄰的固定檢測梳齒間距不等，上下四組檢測電容上 下(關(guān)于χ軸)對稱，上下各四組檢測電容構(gòu)成差分檢測電容，消除了 x、z方向加速度和繞 x、y、z軸角加速度的影響，有效抑制了干擾信號，提高了檢測輸出的信噪比?？蚣苁劫|(zhì)量塊 1通過軸對稱U型支撐梁2a、2b、2c、2d與固定基座4a、4b相連，軸對稱U型支撐梁h、2b、 2c,2d可有效釋放加工殘余應(yīng)力，降低交叉軸靈敏度。制作在固定基座4a、4b上的止擋塊 fe、5b，避免了大載荷情況下加速度計結(jié)構(gòu)發(fā)生粘接而失效。本實用新型電容框架式硅微機(jī)械加速度計的上部分的固定檢測梳齒3a、3b、3c并 排排列，與框架式質(zhì)量塊1上區(qū)域的活動梳齒組成四組檢測電容，下部分的固定檢測梳齒 3d.3e.3f并排排列，與框架式質(zhì)量塊1下區(qū)域的活動梳齒組成四組檢測電容，上下八組檢 測電容構(gòu)成差分檢測電容；上下兩組活動梳齒和其相鄰的固定檢測梳齒間距不等，上下八 組檢測電容關(guān)于框架式質(zhì)量塊1中間橫板形成的χ軸對稱。本實用新型的框架式硅微加速度計采用開環(huán)電容檢測方式檢測輸入加速度，當(dāng)有 沿y方向的加速度a輸入時，在框架式質(zhì)量塊上產(chǎn)生慣性力F = -ma,在該慣性力的作用下，
4框架式質(zhì)量塊和位于其上的活動梳齒在y方向產(chǎn)生運動，運動位移為
權(quán)利要求1.一種框架式電容硅微機(jī)械加速度計，由上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的 加速度計機(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的信號引線，其特征在于加速度計機(jī)械結(jié)構(gòu) 由框架式質(zhì)量塊(l)、u型支撐梁Oa、2b、2c、2d)、固定檢測梳齒(3a、3b、3c、3d、;3e、3f)和止 擋塊(fe、5b)組成，框架式質(zhì)量塊(1)上的活動梳齒與固定檢測梳齒(3a、3b、3C、3d、;3e、3f) 組成差分檢測電容，框架式質(zhì)量塊(1)上下端分別通過上支撐梁(h、2b)和下支撐梁Ce、 2d)與上下固定基座Ga、4b)相連，兩個止擋塊(fe、5b)分別制作在上下固定基座Ga、4b) 上，上下固定基座Ga、4b)安裝在玻璃襯底上的固定基座鍵合點上，使上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)部 分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的框架式電容硅微機(jī)械加速度計，其特征在于框架式質(zhì)量塊 (1)由三條平行的橫板和兩條平行的豎板交錯連接組成框架式結(jié)構(gòu)形式，其中橫板將兩條 豎板分成兩個相等的上下區(qū)域，上下兩組各四列活動梳齒設(shè)置在豎板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的框架式電容硅微機(jī)械加速度計，其特征在于上部分的 固定檢測梳齒(3a、;3b、3C)并排排列，與框架式質(zhì)量塊(1)上區(qū)域的活動梳齒組成四組檢測 電容，下部分的固定檢測梳齒(3d、;3e、3f)并排排列，與框架式質(zhì)量塊(1)下區(qū)域的活動梳 齒組成四組檢測電容，上下八組檢測電容構(gòu)成差分檢測電容；上下兩組活動梳齒和其相鄰 的固定檢測梳齒間距不等，上下八組檢測電容關(guān)于框架式質(zhì)量塊(1)中間橫板形成的χ軸 對稱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的框架式電容硅微機(jī)械加速度計，其特征在于四根U型支撐 梁(h、2b、2c、2d)相對于框架式質(zhì)量塊(1)中心對稱布置，各U型支撐梁(h、2b、2c、2d) 為軸對稱結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實用新型公開了一種框架式電容硅微機(jī)械加速度計，由上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的加速度計機(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的信號引線，加速度計機(jī)械結(jié)構(gòu)由框架式質(zhì)量塊、U型支撐梁、固定檢測梳齒和止擋塊組成，框架式質(zhì)量塊上的活動梳齒與固定檢測梳齒組成差分檢測電容，框架式質(zhì)量塊上下端分別通過上支撐梁和下支撐梁與上下固定基座相連，兩個止擋塊分別制作在上下固定基座上，上下固定基座安裝在玻璃襯底上的固定基座鍵合點上，使上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。本實用新型框架式質(zhì)量塊降低了交叉軸靈敏度，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
文檔編號B81B7/02GK201852851SQ20102020809
公開日2011年6月1日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者施芹, 蘇巖, 裘安萍 申請人:南京理工大學(xué)