單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，包括下層玻璃基底、引線層、鍵合層和上層硅結(jié)構(gòu)層，底層為玻璃基底，在玻璃基底的上表面濺射金屬作為引線層，在玻璃基底和引線層上設(shè)有鍵合層，通過(guò)鍵合層把硅結(jié)構(gòu)層懸置于玻璃基底之上；整個(gè)上層硅結(jié)構(gòu)層的可動(dòng)結(jié)構(gòu)由唯一的錨點(diǎn)支撐；上層硅結(jié)構(gòu)層包括固定支撐框架和四個(gè)上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)，上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)按逆時(shí)針?lè)较蛞来闻帕?；其中，第一和第三、第二和第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)分別形成一組加速度測(cè)量模塊。本發(fā)明不僅可以有效抑制基底材料和硅材料的材料屬性不匹配所帶來(lái)的影響，而且可以消除鍵合時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及環(huán)境變化時(shí)的熱應(yīng)力以及實(shí)現(xiàn)兩正交方向之間的解耦。
【專利說(shuō)明】
單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和微慣性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀(jì)80年代以來(lái)，微機(jī)電系統(tǒng)和微型制造技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了微慣性技術(shù)和微慣性儀表的發(fā)展，導(dǎo)致了新一代加速度計(jì)和陀螺儀的產(chǎn)生。微慣性儀表大都通過(guò)半導(dǎo)體加工工藝制作，體積小、質(zhì)量輕、功耗低。采用硅作為加工材料，并使用與微電子集成電路制造工藝兼容的加工工藝，可以將硅微慣性器件的敏感表頭與信號(hào)處理電路集成在一個(gè)芯片上，從而實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，降低成本。與傳統(tǒng)慣性儀表相比，微慣性器件還有可靠性高，測(cè)量范圍大的特點(diǎn)。微慣性器件的這些特點(diǎn)使得它具有更寬廣的應(yīng)用范圍，不僅可以用在汽車工程、移動(dòng)通信、大地測(cè)量、地質(zhì)勘探、微型衛(wèi)星、運(yùn)動(dòng)器材等民用領(lǐng)域，還可以應(yīng)用在軍事領(lǐng)域上，包括制導(dǎo)炸彈、無(wú)人駕駛機(jī)智能炸彈等。
[0003]硅微諧振式加速度計(jì)是一種典型的微機(jī)械慣性器件，其工作原理是:振梁在受到軸向外力作用時(shí)諧振頻率發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)振梁諧振頻率的變化量來(lái)獲取輸入的加速度大小。硅微諧振式加速度計(jì)輸出頻率信號(hào)，是一種準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，不易受到環(huán)境噪聲的干擾，且具有很高的穩(wěn)定性，信號(hào)不需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，直接進(jìn)入數(shù)字系統(tǒng)，傳輸過(guò)程中不易出現(xiàn)失真。因此，這種傳感器易于實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，屬于高性能器件，同時(shí)它又具有一般硅微慣性器件的諸多特點(diǎn)，使其成為新一代高精度微機(jī)械加速度計(jì)的發(fā)展方向之一。
[0004]目前，現(xiàn)有的雙軸硅微諧振式加速度計(jì)一般由諧振器和質(zhì)量塊和玻璃基底組成，四個(gè)諧振器尺寸完全相同，可動(dòng)結(jié)構(gòu)由多個(gè)錨點(diǎn)支撐，但是由于在加工過(guò)程中不可能使得諧振器加工的完全對(duì)稱，所以材料屬性不匹配和環(huán)境溫度對(duì)器件的影響就凸現(xiàn)出來(lái)了。硅微諧振式加速度計(jì)在加工中廣泛應(yīng)用錨點(diǎn)鍵合，在錨點(diǎn)鍵合時(shí)，環(huán)境溫度要控制在400°C，結(jié)構(gòu)層材料(硅)和基底材料(玻璃)被加熱到400 °C左右，由于硅跟玻璃的熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)的差異，在有多個(gè)錨點(diǎn)時(shí)，任意兩個(gè)錨點(diǎn)之間硅與玻璃之間材料屬性的不匹配，就會(huì)導(dǎo)致娃材料不能自由地?zé)崦浝淇s，當(dāng)結(jié)構(gòu)鍵合后被冷卻至室溫時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力會(huì)通過(guò)影響諧振器的力學(xué)特性而影響諧振頻率的穩(wěn)定性;此外，在使用環(huán)境中，當(dāng)溫度變化時(shí)，由于材料屬性的不匹配，多錨點(diǎn)式硅微諧振式加速度計(jì)也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致諧振頻率的漂移，使諧振器有很高的溫度敏感性，也會(huì)引起諧振器頻率和品質(zhì)因數(shù)的變化。因此，抑制諧振器溫度敏感性才能實(shí)現(xiàn)較高的偏置穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種單錨點(diǎn)支撐式雙軸娃微諧振式加速度計(jì)。
[0006]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的一種單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，包括下層玻璃基底、引線層、鍵合層和上層硅結(jié)構(gòu)層，底層為玻璃基底，在玻璃基底的上表面濺射金屬作為引線層，在玻璃基底和引線層上設(shè)有鍵合層，通過(guò)鍵合層把硅結(jié)構(gòu)層懸置于玻璃基底之上；整個(gè)上層硅結(jié)構(gòu)層的可動(dòng)結(jié)構(gòu)由唯一的錨點(diǎn)支撐;上層硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)包括固定支撐框架和四個(gè)上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)，四個(gè)上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)分別為第一、第二、第三、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)，第一、第二、第三、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)按逆時(shí)針?lè)较蛞来闻帕?其中，第一、第三上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第一組加速度測(cè)量模塊，第二、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第二組加速度測(cè)量模塊，且所述第一組加速度測(cè)量模塊測(cè)量的加速度與第二組加速度測(cè)量模塊測(cè)量的加速度相互垂直。
[0007]其中，結(jié)構(gòu)層的可動(dòng)結(jié)構(gòu)僅由唯一的錨點(diǎn)支撐，可動(dòng)結(jié)構(gòu)的唯一錨點(diǎn)位于上層硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)層的中心位置，固定支撐框架與可動(dòng)結(jié)構(gòu)的唯一錨點(diǎn)相連，且關(guān)于結(jié)構(gòu)層中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布。
[0008]固定支撐框架呈“田”字形排列，可動(dòng)結(jié)構(gòu)的唯一錨點(diǎn)位于固定支撐框架的中心位置。
[0009]其中，第一、第二、第三、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)關(guān)于結(jié)構(gòu)中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱;第一、第三上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)沿豎直方向排列；第二、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)沿水平方向排列。
[0010]其中，上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、質(zhì)量塊支撐梁、一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)以及諧振器子結(jié)構(gòu)；質(zhì)量塊通過(guò)質(zhì)量塊支撐梁與固定支撐框架相連接，所述一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)和諧振器子結(jié)構(gòu)設(shè)置于質(zhì)量塊端部。
[0011 ]其中，各質(zhì)量塊為長(zhǎng)方形塊狀結(jié)構(gòu)，且質(zhì)量塊支撐梁分為兩組，其中一組質(zhì)量塊支撐梁安裝在質(zhì)量塊的一側(cè)，而另一組安裝在質(zhì)量塊的另一側(cè)，且該兩組質(zhì)量塊支撐梁關(guān)于質(zhì)量塊水平中心軸對(duì)稱。
[0012]其中，一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)包括輸入梁、杠桿臂、支點(diǎn)梁、輸出梁，其中，支點(diǎn)梁和輸出梁分別設(shè)置在杠桿臂的同一端，而杠桿臂的另一端設(shè)置輸入梁，且所述輸入梁與輸出梁分別位于杠桿臂的兩側(cè)，同時(shí)所述支點(diǎn)梁處于輸入梁與輸出梁之間，所述支點(diǎn)梁與固定支撐框架相連;兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)分別通過(guò)輸入梁與質(zhì)量塊連接，兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)位于同一條直線上且兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)對(duì)稱設(shè)置，而輸出梁與音叉諧振器的第一連接塊相連；
[0013]其中，諧振器子結(jié)構(gòu)包括諧振器端部、諧振器第一連接塊、諧振器第二連接塊、驅(qū)動(dòng)固定梳齒、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)固定梳齒、檢測(cè)電極、可動(dòng)梳齒、梳齒架以及兩個(gè)諧振梁;兩根諧振梁平行排列，且兩個(gè)諧振梁的一端通過(guò)第一連接塊的一端連接在一起，而第一連接塊的另一端連接到諧振器端部，諧振器端部的另一端與兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸出梁上，同時(shí)兩個(gè)諧振梁的另一端通過(guò)第二連接塊的一端連接在一起，而第二連接塊的另一端與固定支撐框架相接;所述兩根諧振梁相對(duì)的外側(cè)均設(shè)置有梳齒架，而可動(dòng)梳齒附加在梳齒架上，檢測(cè)固定梳齒附加在檢測(cè)電極上，驅(qū)動(dòng)固定梳齒附加在驅(qū)動(dòng)電極上，且可動(dòng)梳齒分別與驅(qū)動(dòng)固定梳齒、檢測(cè)固定梳齒形成電容器。
[0014]其中，質(zhì)量塊支撐梁采用折疊梁形式，一端與質(zhì)量塊相接，另一端與固定支撐框架相接;且所述質(zhì)量塊支撐梁的形變方向與諧振梁振動(dòng)方向相垂直。
[0015]本發(fā)明的原理為，硅結(jié)構(gòu)層由完全分離的四部分結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)層的所有可動(dòng)結(jié)構(gòu)通過(guò)固定支撐框架連接到可動(dòng)結(jié)構(gòu)唯一的錨點(diǎn)上，使得可動(dòng)結(jié)構(gòu)可以自由地收縮與膨脹，從而有效抑制了材料屬性不匹配所帶來(lái)的影響，消除了鍵合時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及環(huán)境變化時(shí)的熱應(yīng)力。四部分結(jié)構(gòu)形成兩組差分結(jié)構(gòu)，其中左上、右下一組結(jié)構(gòu)測(cè)量Y方向加速度，即第一上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)與第三上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)，且第一上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)與第三上層娃微機(jī)械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層娃微機(jī)械結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)完全對(duì)稱；左下、右上一組結(jié)構(gòu)測(cè)量X方向加速度，即第二上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)與第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)，且第二上層娃微機(jī)械子結(jié)構(gòu)與第四上層娃微機(jī)械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層娃微機(jī)械結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)完全對(duì)稱。四部分結(jié)構(gòu)完全分離，兩正交方向加速度的測(cè)量互不干擾，實(shí)現(xiàn)了兩正交方向上的完全解耦;每組差分結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)質(zhì)量塊完全分離，從而隔斷兩個(gè)諧振器通過(guò)質(zhì)量塊發(fā)生相互作用的通道，消除了兩個(gè)諧振器之間的耦合;每部分結(jié)構(gòu)都包括質(zhì)量塊、一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)、諧振器、質(zhì)量塊支撐梁;每部分結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊通過(guò)四根質(zhì)量塊支撐梁與固定支撐框架相連;諧振器位于質(zhì)量塊的端部，一端連接在杠桿機(jī)構(gòu)的輸出梁上，另一端與固定支撐框架相接;兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)，其中杠桿機(jī)構(gòu)的輸出梁和支點(diǎn)梁位于杠桿臂的內(nèi)側(cè)，輸入梁位于杠桿臂的外側(cè)。
[0016]當(dāng)有加速度輸入時(shí)，質(zhì)量塊把加速度轉(zhuǎn)化成慣性力，被杠桿機(jī)構(gòu)放大的慣性力施加在諧振器上，導(dǎo)致差分諧振器中的一個(gè)諧振器諧振頻率增加，另一個(gè)諧振器諧振頻率減小，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)諧振器的諧振頻率差就可以得到輸入加速度大小。兩個(gè)諧振器尺寸完全相同，且差分布置，可有效抑制共模誤差。
[0017]有益效果:本發(fā)明的一種單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果:
[0018](I)整個(gè)結(jié)構(gòu)層的可動(dòng)結(jié)構(gòu)只由唯一的錨點(diǎn)通過(guò)鍵合層與基底層相連，錨點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)層的正中間，與固定支撐框架相連，固定支撐框架與可動(dòng)結(jié)構(gòu)的唯一錨點(diǎn)相連，使得可動(dòng)結(jié)構(gòu)可以自由地收縮與膨脹，從而有效抑制了材料屬性不匹配所帶來(lái)的影響，消除了鍵合時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及環(huán)境變化時(shí)的熱應(yīng)力。
[0019](2)消除結(jié)構(gòu)層和基底層材料屬性不匹配帶來(lái)的影響是通過(guò)可動(dòng)結(jié)構(gòu)僅設(shè)有唯一的錨點(diǎn)、結(jié)構(gòu)層各部分通過(guò)固定在此錨點(diǎn)的固定支撐框架上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0020](3)測(cè)量X方向加速度的兩部分結(jié)構(gòu)完全相同，第二上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)與第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)完全對(duì)稱，構(gòu)成差分形式，對(duì)溫度等因素引起的響應(yīng)具有一致性，有利于消除共模誤差。測(cè)量X方向加速度的兩部分結(jié)構(gòu)完全隔離，隔斷了上下諧振器相互作用的通道，從而消除差分諧振器之間的耦合作用。
[0021](4)測(cè)量Y方向加速度的兩部分結(jié)構(gòu)完全相同，第一上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)與第三上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)完全對(duì)稱，構(gòu)成差分形式，對(duì)溫度等因素引起的響應(yīng)具有一致性，有利于消除共模誤差。測(cè)量Y方向加速度的兩部分結(jié)構(gòu)完全隔離，隔斷了上下諧振器相互作用的通道，從而消除差分諧振器之間的耦合作用。
[0022]綜上所述，本發(fā)明提出的單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，不僅可以有效抑制基底材料和硅材料的材料屬性不匹配所帶來(lái)的影響，而且可以消除鍵合時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及環(huán)境變化時(shí)的熱應(yīng)力以及實(shí)現(xiàn)兩正交方向之間的解耦。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明的諧振器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中，la、lb、lc、ld分別為左上、左下、右下、右上質(zhì)量塊，2a、2b、2c、2d分別為左上、左下、右下、右上諧振器，3&1、3&2、3131、3&2、3(31、302、3(11、3(12均為一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)，4&1、4&2、4131、仙2、4。1、4。2、4(11、4(12均為杠桿臂，531、532、5131、5匕2、5。1、5。2、5(11、5(12均為輸入梁，6&1、6&2、6131、6匕2、6。1、6。2、6(11、6(12均為支點(diǎn)梁，7&1、7&2、7131、7匕2、7。1、7。2、7(11、7(12均為輸出梁，8&1、8&2、8&3、8&4、8131、8匕2、8匕3、8匕4、8。1、8。2、8。3、8。4、8(11、8(12、8(13、8(14均為質(zhì)量塊支撐梁，9&、％、9(3、9(1、96、9匕98、911、9丨、9」、91^91、9111、911、90、9?、99、處、98、財(cái)、9u、9v、9w、9x均為固定支撐框架，10為可動(dòng)結(jié)構(gòu)的唯一銷點(diǎn)，I Ia為諧振器第一連接塊，12al、12a2為諧振梁，13a為檢測(cè)電極，14a、15a為梳齒架，16a為驅(qū)動(dòng)電極，17a為可動(dòng)梳齒，18a為驅(qū)動(dòng)固定梳齒，19a為檢測(cè)固定梳齒，20a為諧振器端部，2 Ia為諧振器第二連接塊。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0027]本發(fā)明的一種單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，如圖1、圖2所示，一種單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，包括下層玻璃基底、引線層、鍵合層和上層硅結(jié)構(gòu)層，底層為玻璃基底，在玻璃基底的上表面濺射金屬作為引線層，在玻璃基底和引線層上設(shè)有鍵合層，通過(guò)鍵合層把硅結(jié)構(gòu)層懸置于玻璃基底之上;整個(gè)上層硅結(jié)構(gòu)層的可動(dòng)結(jié)構(gòu)由唯一的錨點(diǎn)支撐;上層硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)包括固定支撐框架和四個(gè)上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)，四個(gè)上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)分別為第一、第二、第三、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)，第一、第二、第三、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)按逆時(shí)針?lè)较蛞来闻帕?，固定支撐框架呈“田”字形排列，可?dòng)結(jié)構(gòu)的唯一錨點(diǎn)位于固定支撐框架的中心位置。
[0028]其中，第一、第三上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第一組加速度測(cè)量模塊，第二、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第二組加速度測(cè)量模塊，且所述第一組加速度測(cè)量模塊測(cè)量的加速度與第二組加速度測(cè)量模塊測(cè)量的加速度相互垂直。第一、第二、第三、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)關(guān)于結(jié)構(gòu)中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱;第一、第三上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)沿豎直方向排列;第二、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)沿水平方向排列。
[0029]上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊(1&、113、1(3、1(1)、質(zhì)量塊支撐梁(8&1、8&2、8&3、8&4、8131、8匕2、8匕3、8匕4、8(31、802、803、8。4、8(11、8(12、8(13、8(14)、諧振器子結(jié)構(gòu)(23、213、2。、2(1)以及一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(3&1、3&2、3131、3&2、3(31、302、3(11、3(12);所述質(zhì)量塊(13、113)通過(guò)質(zhì)量塊支撐梁(8&1、832、833、8&4;8131、8匕2、8匕3、8匕4)與固定支撐框架(93、913、9(3、9(1、96、9f、9g、9h、91、9j、9k、91、9m、9n)相連接，所述固定支撐框架(9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h、91、9 j、9k、91、9m、9n)與可動(dòng)結(jié)構(gòu)的唯一錨點(diǎn)(1)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)(2a、2b、2c、2d)設(shè)置于質(zhì)量塊(la、lb、3c、3d)端部，一端與一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(3al、3a2、3bl、3b2、3cl、302、3(11、3(12)相連，另一端與固定支撐框架(9(1、9」、9?、9￥)相連。
[0030]如圖1所示，第一上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊la、質(zhì)量塊支撐梁(8al、8a2、8a3、8a4)、諧振器子結(jié)構(gòu)2a、兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(3al、3a2);所述質(zhì)量塊I a通過(guò)質(zhì)量塊支撐梁(8a 1、8a2、8a3、8a4)與固定支撐框架(9f、9h、9h、9b)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)2a設(shè)置于質(zhì)量塊Ia上端；
[0031]如圖1所示，第二上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊lb、質(zhì)量塊支撐梁(8bl、8b2、8b3、8b4)、諧振器子結(jié)構(gòu)2b、兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(3bl、3b2);所述質(zhì)量塊Ib通過(guò)質(zhì)量塊支撐梁(8b 1、8b2、8b3、8b4)與固定支撐框架(9g、91、9n、9n)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)2b設(shè)置于質(zhì)量塊Ib左端；
[0032]如圖1所示，第三上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊lc、質(zhì)量塊支撐梁(8cl、8c2、803、804)、諧振器子結(jié)構(gòu)2(3、兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(3(:1、302);所述質(zhì)量塊Ic通過(guò)質(zhì)量塊支撐梁(8cl、8c2、8c3、8c4)與固定支撐框架(9m、9r、9t、9t)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)2c設(shè)置于質(zhì)量塊Ic下端；
[0033]如圖1所示，第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊ld、質(zhì)量塊支撐梁(8dl、8d2、8d3、8d4)、諧振器子結(jié)構(gòu)2d、兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(3dl、3d2);所述質(zhì)量塊Id通過(guò)質(zhì)量塊支撐梁(8d 1、8d2、8d3、8d4)與固定支撐框架(9 s、9x、9a、9a)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)2d設(shè)置于質(zhì)量塊Id右端；
[0034]由上述可知，本發(fā)明的第一、第二、第三、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)均相同，只是其布置方向不一樣。如圖1所示，以上層硅微結(jié)構(gòu)層所在平面平行建立坐標(biāo)系平面，上層硅微結(jié)構(gòu)層的水平軸為X軸，豎直軸為Y軸，
[0035]由于第一、第二、第三、第四硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，因此，只需要對(duì)其中的一個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明即可，選擇第一上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明，所述質(zhì)量塊Ia為長(zhǎng)方形塊狀結(jié)構(gòu)，上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)包括4個(gè)質(zhì)量塊支撐梁(8&1、8&2、8&8、8&4)，且通過(guò)質(zhì)量塊支撐梁(8&1、8&2、8&8、8&4)將質(zhì)量塊1&與固定支撐框架(91、幻、911、9&)相互連接，且每一個(gè)上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)的所述質(zhì)量塊支撐梁(8al、8a2、8a8、8a4)分為兩組，其中一組質(zhì)量塊支撐梁(8al、8a4)安裝在質(zhì)量塊Ia的一側(cè)，而另一組質(zhì)量塊支撐梁(8a2、8a3)安裝在質(zhì)量塊Ia的另一側(cè)，且該兩組質(zhì)量塊支撐梁關(guān)于質(zhì)量塊水平中心軸對(duì)稱。
[0036]第一機(jī)械子結(jié)構(gòu)包括諧振子結(jié)構(gòu)2a，圖2為諧振器子結(jié)構(gòu)的不意圖，由于第一、第二上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)均相同，因此只需說(shuō)明任意一個(gè)第一、第二上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)的諧振器子結(jié)構(gòu)即可，為便于說(shuō)明，對(duì)第一上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)的諧振器子結(jié)構(gòu)2a進(jìn)行說(shuō)明，所述音叉諧振器包括諧振器端部20a、諧振器第一連接塊11a、諧振器第二連接塊21 a、驅(qū)動(dòng)固定梳齒18a、驅(qū)動(dòng)電極16a、檢測(cè)固定梳齒19a、檢測(cè)電極13a、可動(dòng)梳齒17a、梳齒架(14a、15a)以及兩個(gè)諧振梁(12al、12a2);兩根諧振梁(12al、12a2)平行排列，且兩個(gè)諧振梁(12al、12a2)的一端通過(guò)第一連接塊I Ia的一端連接在一起，而第一連接塊IIa的另一端連接到諧振器端部20a，諧振器端部20a的另一端與兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(3al、3a2)的輸出梁(7al、7a2)上，同時(shí)兩個(gè)諧振梁(I2al、12a2)的另一端通過(guò)第二連接塊2Ia的一端連接在一起，而第二連接塊21a的另一端與固定支撐框架91相接;所述兩根諧振梁(12al、12a2)相對(duì)的外側(cè)均設(shè)置有梳齒架(14a、15a)，而可動(dòng)梳齒17a附加在梳齒架14a上，檢測(cè)固定梳齒19a附加在檢測(cè)電極13a上，驅(qū)動(dòng)固定梳齒18a附加在驅(qū)動(dòng)電極16a上，且可動(dòng)梳齒17a分別與驅(qū)動(dòng)固定梳齒18a、檢測(cè)固定梳齒19a形成電容器。
[0037]梳齒架與諧振梁相連，其上附加的可動(dòng)梳齒與固定梳齒形成多組電容器。當(dāng)在驅(qū)動(dòng)電極上施加交直流疊加的信號(hào)時(shí)，可動(dòng)梳齒受到靜電力作用，會(huì)帶動(dòng)諧振梁以固有頻率振動(dòng)。當(dāng)有外加加速度時(shí)，通過(guò)質(zhì)量塊敏感加速度產(chǎn)生慣性力，并經(jīng)杠桿機(jī)構(gòu)放大，作用于諧振梁的軸向，諧振梁振動(dòng)頻率發(fā)生變化，可動(dòng)梳齒和檢測(cè)固定梳齒形成的電容器電容變化頻率發(fā)生相應(yīng)的變化，將此信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓的變化，通過(guò)檢測(cè)電壓的變化即可得到加速度的變化。
[0038]如圖1所示，所述第一機(jī)械子結(jié)構(gòu)還包括兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(3al、3a2)，由于兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(3al、3a2)的結(jié)構(gòu)均相同，只是放置方向不同，因此只需說(shuō)明任意一個(gè)即可，為便于說(shuō)明，對(duì)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)3al進(jìn)行說(shuō)明。所述一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)3al包括輸入梁5al、杠桿臂4al、支點(diǎn)梁6al、輸出梁7al，其中，支點(diǎn)梁6al和輸出梁7al分別設(shè)置在杠桿臂4al的同一端，而杠桿臂4al的另一端設(shè)置輸入梁5al，且所述輸入梁5al與輸出梁7al分別位于杠桿臂4al的兩側(cè)，同時(shí)所述支點(diǎn)梁6al處于輸入梁5al與輸出梁7al之間，所述支點(diǎn)梁6&1與固定支撐框架9￡相連;兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(331、332)分別通過(guò)輸入梁(5&1、532)與質(zhì)量塊Ia連接，兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(3al、3a2)位于同一條直線上，且兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)(3al、3a2)對(duì)稱設(shè)置，而輸出梁(7al、7a2)與音叉諧振器的端部20a相連；
[0039]質(zhì)量塊支撐梁(8&1、8&2、8&3、8&4)采用折疊梁形式，一端與質(zhì)量塊1&相接，另一端與固定支撐框架(9f、9h、9h、9b)相接;且所述質(zhì)量塊支撐梁(8al、8a2、8a3、8a4)的形變方向與諧振梁(12al、12a2)振動(dòng)方向相垂直。
[0040]本發(fā)明工作原理:通過(guò)左上、右下質(zhì)量塊(la、Ic)把Y方向加速度載荷轉(zhuǎn)換成慣性力，慣性力作用到一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸入梁上，經(jīng)過(guò)放大后作用到音叉諧振器上，兩個(gè)諧振器一個(gè)受到拉力，另一個(gè)受到壓力，諧振頻率分別增大和減小，根據(jù)頻差獲得X方向加速度載荷的大小;通過(guò)左下、右上質(zhì)量塊(lb、ld)把X方向加速度載荷轉(zhuǎn)換成慣性力，慣性力作用到一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸入梁上，經(jīng)過(guò)放大后作用到音叉諧振器上，兩個(gè)諧振器一個(gè)受到拉力，另一個(gè)受到壓力，諧振頻率分別增大和減小，根據(jù)頻差獲得Y方向加速度載荷的大小。
[0041]由上述可知，該加速度計(jì)由可動(dòng)結(jié)構(gòu)的唯一錨點(diǎn)10通過(guò)鍵合層把上層硅微結(jié)構(gòu)懸置于玻璃基底的上部，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)層自由的收縮與膨脹，不僅可以有效抑制基底材料和硅材料的材料屬性不匹配所帶來(lái)的影響，而且可以消除鍵合時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及環(huán)境變化時(shí)的熱應(yīng)力。同時(shí)，四部分完全分離的子結(jié)構(gòu)組成，互不影響，兩兩形成差分結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)完全解耦。左上、右下兩部分形成差分結(jié)構(gòu)，測(cè)量Y方向輸入加速度；左下、右上兩部分形成差分結(jié)構(gòu)，測(cè)量X方向輸入加速度。
[0042]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，其特征在于:包括下層玻璃基底、引線層、鍵合層和上層硅結(jié)構(gòu)層，底層為玻璃基底，在玻璃基底的上表面濺射金屬作為引線層，在玻璃基底和引線層上設(shè)有鍵合層，通過(guò)鍵合層把硅結(jié)構(gòu)層懸置于玻璃基底之上;整個(gè)上層硅結(jié)構(gòu)層的可動(dòng)結(jié)構(gòu)由唯一的錨點(diǎn)支撐;上層硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)包括固定支撐框架和四個(gè)上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)，四個(gè)上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)分別為第一、第二、第三、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)，第一、第二、第三、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)按逆時(shí)針?lè)较蛞来闻帕?其中，第一、第三上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第一組加速度測(cè)量模塊，第二、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第二組加速度測(cè)量模塊，且所述第一組加速度測(cè)量模塊測(cè)量的加速度與第二組加速度測(cè)量模塊測(cè)量的加速度相互垂直。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，其特征在于:其中，結(jié)構(gòu)層的可動(dòng)結(jié)構(gòu)僅由唯一的錨點(diǎn)支撐，可動(dòng)結(jié)構(gòu)的唯一錨點(diǎn)位于上層硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)層的中心位置，固定支撐框架與可動(dòng)結(jié)構(gòu)的唯一錨點(diǎn)相連，且關(guān)于結(jié)構(gòu)層中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，其特征在于:固定支撐框架呈“田”字形排列，可動(dòng)結(jié)構(gòu)的唯一錨點(diǎn)位于固定支撐框架的中心位置。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，其特征在于:其中，第一、第二、第三、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)關(guān)于結(jié)構(gòu)中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱;第一、第三上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)沿豎直方向排列;第二、第四上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)沿水平方向排列。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，其特征在于:其中，上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、質(zhì)量塊支撐梁、一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)以及諧振器子結(jié)構(gòu);質(zhì)量塊通過(guò)質(zhì)量塊支撐梁與固定支撐框架相連接，所述一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)和諧振器子結(jié)構(gòu)設(shè)置于質(zhì)量塊端部。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，其特征在于:其中，各質(zhì)量塊為長(zhǎng)方形塊狀結(jié)構(gòu)，且質(zhì)量塊支撐梁分為兩組，其中一組質(zhì)量塊支撐梁安裝在質(zhì)量塊的一側(cè)，而另一組安裝在質(zhì)量塊的另一側(cè)，且該兩組質(zhì)量塊支撐梁關(guān)于質(zhì)量塊水平中心軸對(duì)稱。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，其特征在于:其中，一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)包括輸入梁、杠桿臂、支點(diǎn)梁、輸出梁，其中，支點(diǎn)梁和輸出梁分別設(shè)置在杠桿臂的同一端，而杠桿臂的另一端設(shè)置輸入梁，且所述輸入梁與輸出梁分別位于杠桿臂的兩側(cè)，同時(shí)所述支點(diǎn)梁處于輸入梁與輸出梁之間，所述支點(diǎn)梁與固定支撐框架相連;兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)分別通過(guò)輸入梁與質(zhì)量塊連接，兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)位于同一條直線上且兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)對(duì)稱設(shè)置，而輸出梁與音叉諧振器的第一連接塊相連。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，其特征在于:其中，諧振器子結(jié)構(gòu)包括諧振器端部、諧振器第一連接塊、諧振器第二連接塊、驅(qū)動(dòng)固定梳齒、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)固定梳齒、檢測(cè)電極、可動(dòng)梳齒、梳齒架以及兩個(gè)諧振梁;兩根諧振梁平行排列，且兩個(gè)諧振梁的一端通過(guò)第一連接塊的一端連接在一起，而第一連接塊的另一端連接到諧振器端部，諧振器端部的另一端與兩個(gè)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)的輸出梁上，同時(shí)兩個(gè)諧振梁的另一端通過(guò)第二連接塊的一端連接在一起，而第二連接塊的另一端與固定支撐框架相接;所述兩根諧振梁相對(duì)的外側(cè)均設(shè)置有梳齒架，而可動(dòng)梳齒附加在梳齒架上，檢測(cè)固定梳齒附加在檢測(cè)電極上，驅(qū)動(dòng)固定梳齒附加在驅(qū)動(dòng)電極上，且可動(dòng)梳齒分別與驅(qū)動(dòng)固定梳齒、檢測(cè)固定梳齒形成電容器。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單錨點(diǎn)支撐式雙軸硅微諧振式加速度計(jì)，其特征在于:其中，質(zhì)量塊支撐梁采用折疊梁形式，一端與質(zhì)量塊相接，另一端與固定支撐框架相接;且所述質(zhì)量塊支撐梁的形變方向與諧振梁振動(dòng)方向相垂直。
【文檔編號(hào)】G01P15/125GK105911309SQ201610473126
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月24日
【發(fā)明人】李宏生, 高陽(yáng), 黃麗斌
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)