本實(shí)用新型涉及一種加速度計(jì)系統(tǒng)，特別是涉及一種具有應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)并且基于薄膜體聲波諧振器的加速度計(jì)系統(tǒng)、加速度計(jì)探頭及其制備方法。

背景技術(shù)：

加速度計(jì)是一種常見(jiàn)的慣性傳感器，被廣泛使用在航空航天和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

隨著消費(fèi)電子的體積逐漸減小，功耗逐漸降低，現(xiàn)有加速度計(jì)的制備也普遍使用微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)的方法來(lái)減小體積、降低功耗，從而適應(yīng)其發(fā)展。

現(xiàn)今，電容式加速度計(jì)是最普遍的一種，通過(guò)測(cè)量電容變化來(lái)得出加速度的大小?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常采用微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)的方法制備電容式加速度計(jì)，其主要由質(zhì)量塊、彈性梁、電容極板等構(gòu)成。通過(guò)檢測(cè)由加速度引起的質(zhì)量塊與電容極板之間的電容差，可以得到加速度的大小，但是此過(guò)程加速度計(jì)對(duì)寄生電容比較敏感。此外，微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)的電容式加速度計(jì)還需要外圍讀出電路對(duì)其施加一定的靜電力，通過(guò)閉環(huán)反饋力平衡技術(shù)保證零頻、高分辨率和自檢功能，此過(guò)程增加了外圍讀出電路的復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種加速度計(jì)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)加速度測(cè)量的高靈敏度和高分辨率，避免了電容式微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)的加速度計(jì)寄生電容干擾和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種加速度系統(tǒng)、加速度計(jì)探頭及其制備方法：

一種加速度計(jì)探頭，其特征在于：加速度計(jì)探頭包括應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)、薄膜體聲波諧振器、支撐固定結(jié)構(gòu)和薄膜體聲波諧振器的電極焊盤(pán)；應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)通過(guò)支撐固定結(jié)構(gòu)固定在加速度計(jì)探頭上；薄膜體聲波諧振器通過(guò)薄膜體聲波諧振器的電極焊盤(pán)與射頻振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)端相連。

加速度計(jì)探頭包含一種應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)質(zhì)量塊和多個(gè)所述應(yīng)力集中橋。

加速度計(jì)探頭具有多個(gè)薄膜體聲波諧振器，多個(gè)薄膜體聲波諧振器位于多個(gè)應(yīng)力集中橋上并且靠近固定端。

優(yōu)選地，應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)其中的應(yīng)力集中橋包含第一氮化硅、二氧化硅、第二氮化硅三種薄膜。

優(yōu)選地，上述的第一氮化硅薄膜和第二氮化硅薄膜厚度可以相同也可不同。

優(yōu)選地，上述的薄膜體聲波諧振器的頂電極和底電極材料為鉬；薄膜體聲波諧振器的壓電層材料為氮化鋁。

優(yōu)選地，如實(shí)施例所示，所述固定端為對(duì)角線方向。

一種加速度計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，加速度系統(tǒng)包括：加速度計(jì)探頭、射頻振蕩電路和頻譜儀；其中，加速度計(jì)探頭，用于探測(cè)加速度并且將加速度轉(zhuǎn)化為薄膜體聲波諧振器的頻率變化；射頻振蕩電路與加速度探頭中的薄膜體聲波諧振器相連，用于根據(jù)薄膜體聲波諧振器的頻率變化輸出不同頻率的射頻振蕩信號(hào)；頻譜儀，用于讀出射頻振蕩信號(hào)的頻率變化。

薄膜體聲波諧振器的結(jié)構(gòu)包括底電極、壓電層和頂電極。

射頻振蕩電路包括，多個(gè)并排的CMOS反相器、至少一個(gè)MOS管、多個(gè)電容、至少一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)端、至少一個(gè)信號(hào)輸出端和至少一個(gè)偏壓輸入端。

射頻振蕩電路是一個(gè)皮爾斯振蕩電路。

頻譜儀為商用頻譜儀，用于測(cè)量吉赫(GHz)的射頻信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本實(shí)用新型采用具有大質(zhì)量塊的橋式應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)力放大效果，可以提高系統(tǒng)測(cè)量加速度的靈敏度。

(2)加速度的大小通過(guò)頻譜儀測(cè)量由薄膜體聲波諧振器作為選頻網(wǎng)絡(luò)部件的射頻振蕩電路輸出射頻振蕩信號(hào)頻率的變化得出，避免了電容式微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)加速度計(jì)寄生電容干擾和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。

(3)由于射頻振蕩電路輸出射頻振蕩信號(hào)的頻率在吉赫(GHz)，而加速度引起的頻率變化在千赫(KHz)，具有更優(yōu)異的分辨率。

(4)加速度計(jì)探頭采用微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)方法制備，具有體積小、功耗低、能夠批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的框圖；

圖2為本實(shí)用新型的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的加速度計(jì)探頭圖；

圖3為本實(shí)用新型的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的射頻振蕩電路圖；

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的框圖，如圖1所示，該加速度計(jì)系統(tǒng)主要包括加速度計(jì)探頭000、射頻振蕩電路100、頻譜儀200。

其中，加速度計(jì)探頭000，用于探測(cè)加速度并且將加速度轉(zhuǎn)化為薄膜體聲波諧振器005-008的頻率變化；射頻振蕩電路100與加速度探頭中的薄膜體聲波諧振器005-008相連，用于根據(jù)薄膜體聲波諧振器005-008的頻率變化輸出不同頻率的射頻振蕩信號(hào)；頻譜儀200，用于讀出射頻振蕩信號(hào)的頻率變化。

具體地，將加速度計(jì)探頭000的薄膜體聲波諧振器的電極焊盤(pán)019-026接入射頻振蕩電路100的選頻網(wǎng)絡(luò)端P1，CMOS反相器M1-M6保證足夠的增益來(lái)克服電路損耗，保證起振條件，MOS管M7為CMOS反相器M1-M6提供偏置，偏壓Vb為MOS M7提供正常工作的偏壓，電容C1-C2用來(lái)改善振蕩器的啟動(dòng)，信號(hào)輸出端(Sout)接入頻譜儀200。

加速度計(jì)探頭000探測(cè)加速度并且將加速度轉(zhuǎn)化為薄膜體聲波諧振器005-008的頻率變化；薄膜體聲波諧振器005-008作為射頻振蕩電路100的選頻網(wǎng)絡(luò)部件，與射頻振蕩電路100的選頻網(wǎng)絡(luò)端P1相連；薄膜體聲波諧振器005-008的頻率變化導(dǎo)致射頻振蕩電路100信號(hào)輸出端(Sout)輸出不同頻率的射頻振蕩信號(hào)；通過(guò)頻譜儀200讀出射頻振蕩電路100信號(hào)輸出端(Sout)的射頻振蕩信號(hào)頻率；由射頻振蕩信號(hào)頻率的變化能夠推算出感測(cè)得到的加速度大小。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的加速度計(jì)探頭圖，如圖2所示，該加速度計(jì)探頭000主要包括應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)、多個(gè)薄膜體聲波諧振器，每個(gè)薄膜體聲波諧振器連接至少一個(gè)電極焊盤(pán)、以及支撐固定結(jié)構(gòu)010。

應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)通過(guò)支撐固定結(jié)構(gòu)010固定在加速度計(jì)探頭000上；四個(gè)薄膜體聲波諧振器005-008通過(guò)薄膜體聲波諧振器的電極焊盤(pán)019-026與射頻振蕩電路P1相連。

應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)包括一個(gè)大的質(zhì)量塊009和四個(gè)應(yīng)力集中橋001-004，一個(gè)質(zhì)量塊009和四個(gè)應(yīng)力集中橋001-004通過(guò)支撐固定結(jié)構(gòu)010固定在所述加速度計(jì)探頭上。

每個(gè)薄膜體聲波諧振器連接兩個(gè)電極焊盤(pán)，兩個(gè)電極焊盤(pán)對(duì)稱布置在薄膜體聲波諧振器兩側(cè)。四個(gè)薄膜體聲波諧振器005-008設(shè)置在四個(gè)應(yīng)力集中橋001-004上并且靠近固定端，所述固定端為對(duì)角線方向，固定端根據(jù)加速度探頭的形狀會(huì)有不同的位置。其中，一個(gè)薄膜體聲波諧振器與兩個(gè)薄膜體聲波諧振器的電極焊盤(pán)相連，例如：薄膜體聲波諧振器005與薄膜體聲波諧振器的電極焊盤(pán)019和025相連；薄膜體聲波諧振器006與薄膜體聲波諧振器的電極焊盤(pán)020和021相連；薄膜體聲波諧振器007與薄膜體聲波諧振器的電極焊盤(pán)022和023相連；薄膜體聲波諧振器008與薄膜體聲波諧振器的電極焊盤(pán)024和026相連。

薄膜體聲波諧振器005的結(jié)構(gòu)包括底電極016、壓電層017和頂電極018。

具體地，通過(guò)質(zhì)量塊009感測(cè)加速度，質(zhì)量塊009的運(yùn)動(dòng)使應(yīng)力集中橋001-004產(chǎn)生應(yīng)力并得到放大，該應(yīng)力促使薄膜體聲波諧振器005-008的諧振頻率發(fā)生變化，薄膜體聲波諧振器005-008通過(guò)薄膜體聲波諧振器的電極焊盤(pán)019-026與射頻振蕩電路100的選頻網(wǎng)絡(luò)端P1相連。

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的射頻振蕩電路圖，如圖3所示，該射頻振蕩電路100主要包括三個(gè)并排的CMOS反相器M1-M6、一個(gè)MOS管M7、兩個(gè)電容C1-C2、一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)端P1、一個(gè)信號(hào)輸出端(Sout)、一個(gè)偏壓輸入端Vb。

選頻網(wǎng)絡(luò)端P1與加速度計(jì)探頭000的薄膜體聲波諧振器的電極焊盤(pán)019-026相連，CMOS反相器M1-M6保證足夠的增益來(lái)克服電路損耗，保證起振條件，MOS管M7為CMOS反相器M1-M6提供偏置，偏壓Vb為MOS M7提供正常工作的偏壓，電容C1-C2用來(lái)改善振蕩器的啟動(dòng)，信號(hào)輸出端(Sout)接入頻譜儀200。

具體地，射頻振蕩電路100是一個(gè)皮爾斯振蕩電路。

本實(shí)用新型采用具有大質(zhì)量塊的橋式應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)力放大效果，可以提高系統(tǒng)測(cè)量加速度的靈敏度；加速度的大小通過(guò)頻譜儀測(cè)量由薄膜體聲波諧振器作為選頻網(wǎng)絡(luò)部件的射頻振蕩電路輸出射頻振蕩信號(hào)頻率的變化得出，避免了電容式MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))加速度計(jì)寄生電容干擾和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)；且由于射頻振蕩電路輸出射頻振蕩信號(hào)的頻率在GHz(吉赫)，而加速度引起的頻率變化在KHz(千赫)，本實(shí)用新型具有更優(yōu)異的分辨率；本實(shí)用新型的加速度計(jì)探頭采用MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))方法制備，具有體積小、功耗低、可以批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍。