平面內(nèi)振動(dòng)梁加速度計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本公開涉及加速度計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]加速度計(jì)通過檢測慣性力下的檢驗(yàn)質(zhì)量(proof mass)的位移(displacement)工作。在一個(gè)示例中，加速度計(jì)可以通過在檢驗(yàn)質(zhì)量和支撐基座之間連接的雙端音叉(DETF)的頻率變化來檢測檢驗(yàn)質(zhì)量的位移。在此示例中，DETF的齒(tine)可以由壓電或硅材料組成。DETF是諧振器，其專門地被設(shè)計(jì)成改變與在加速度下由檢驗(yàn)質(zhì)量施加的負(fù)載成比例的頻率。通過將DETF連接至振蕩器的多個(gè)電極保持DETF諧振，其向DETF提供能量，滿足Barkhausen穩(wěn)定準(zhǔn)則。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]通常，本公開涉及一種具有平面內(nèi)懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量的單片加速度計(jì)。例如，根據(jù)本公開的技術(shù)配置的單片加速度計(jì)可以包括至少兩個(gè)或更多諧振器，可選系繩(tether)和彎曲部(flexure)，其可以被配置成在由加速度計(jì)的支撐基座定義的平面內(nèi)懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量繞彎曲部旋轉(zhuǎn)時(shí)彎曲。在一個(gè)示例中，至少兩個(gè)或更多諧振器每個(gè)可以包括相應(yīng)的雙端音叉(DETF)和相應(yīng)的多個(gè)電極，其中每個(gè)相應(yīng)的DETF被專門地設(shè)計(jì)成改變與在加速度下由檢驗(yàn)質(zhì)量所施加的負(fù)載成比例的頻率。
[0004]在一個(gè)示例中，設(shè)備包括懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量，支撐基座，彎曲部和至少兩個(gè)諧振器。支撐基座定義平面并支撐懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量。彎曲部靈活地將懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量連接到支撐基座，彎曲部在支撐基座內(nèi)懸掛懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量，并響應(yīng)于設(shè)備的加速度，懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量在由支撐基座定義的平面內(nèi)繞彎曲部旋轉(zhuǎn)。至少兩個(gè)諧振器靈活地將懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量連接到支撐基座，并基于懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量繞彎曲部的旋轉(zhuǎn)而彎曲，并且至少兩個(gè)諧振器中的每個(gè)以相應(yīng)的諧振頻率諧振。
[0005]在另一示例中，方法包括通過多個(gè)電極保持加速度計(jì)的至少兩個(gè)諧振器的諧振，在由支撐基座定義的平面中懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量繞彎曲部的旋轉(zhuǎn)時(shí)由第一諧振器接收第一力，在由支撐基座定義的平面中懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量繞該彎曲部旋轉(zhuǎn)時(shí)由第二諧振器接收第二力，通過多個(gè)電極檢測相應(yīng)的信號(hào)，其指示由第一力和第二力引起的第一和第二諧振器中的每個(gè)的諧振頻率的相應(yīng)變化。該方法還可以包括，由加速度計(jì)輸出相應(yīng)的信號(hào)。
[0006]在另一示例中，一種制作加速度計(jì)的方法，其包括用光致抗蝕劑掩蔽包括材料的襯底，并且從襯底移除材料的至少一部分以在襯底上形成多個(gè)特征。該多個(gè)特征包括懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量，支撐基座，彎曲部和至少兩個(gè)諧振器，并且多個(gè)特征必要地包括材料。該支撐基座定義了平面并被配置成支撐懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量。彎曲部靈活地將懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量連接到支撐基座，并且懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量在由支撐基座定義的平面中繞彎曲部旋轉(zhuǎn)。該至少兩個(gè)諧振器靈活地將懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量連接到支撐基座，并基于懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量繞彎曲部的旋轉(zhuǎn)而彎曲。
[0007]在下面的附圖和描述中闡述本公開的一個(gè)或多個(gè)示例的細(xì)節(jié)。本公開的其它特征、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)描述和附圖并且根據(jù)權(quán)利要求是明顯的。
【附圖說明】
[0008]圖1是圖示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的示例性加速度計(jì)系統(tǒng)的框圖。
[0009]圖2是圖示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的加速度計(jì)的側(cè)視圖的框圖，其包括圍繞位于支撐基座上的DETF的一個(gè)或多個(gè)齒的基底層上的一個(gè)或多個(gè)電極。
[0010]圖3是圖示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的另一示例性加速度計(jì)的頂視圖的框圖。
[0011]圖4是圖示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的另一示例性加速度計(jì)的頂視圖的框圖。
[0012]圖5A-5D是圖示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的加速度計(jì)的示例性形成的框圖，其包括被配置成在由支撐基座定義的平面中旋轉(zhuǎn)的懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量。
[0013]圖6是圖示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的使用加速度計(jì)的示例性過程的流程圖，其包括被配置成在由支撐基座定義的平面中旋轉(zhuǎn)的懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量。
【具體實(shí)施方式】
[0014]加速度計(jì)測量加速度計(jì)本身相對(duì)于慣性參考系的加速度。通常，使用宏觀方法制造的振動(dòng)梁加速度計(jì)(VBA)僅感測檢驗(yàn)質(zhì)量的平面外的位移，生產(chǎn)起來相對(duì)昂貴，并且在零件之間具有導(dǎo)致性能限制的大量的機(jī)械接頭。使用單片微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)制造技術(shù)制造的VBA通常感測懸垂的旋轉(zhuǎn)檢驗(yàn)質(zhì)量的平面外位移，并且可以要求諧振傳感器的合適的附著以便獲得檢驗(yàn)質(zhì)量的杠桿性的放大。具有線性移動(dòng)變換的檢驗(yàn)質(zhì)量的傳統(tǒng)的平面內(nèi)單片MEMS加速度計(jì)在結(jié)構(gòu)方面要求分離的杠桿臂以便機(jī)械性地放大施加到諧振器的檢驗(yàn)質(zhì)量力。添加的杠桿臂要求不期望的復(fù)雜性(例如，另外的耦合接頭和變量)，其增加了加速度測量中的整體誤差。
[0015]本文公開了使用單片MEMS制造技術(shù)(例如，各向同性蝕刻，化學(xué)蝕刻，深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)等)制造振動(dòng)梁加速度計(jì)的技術(shù)和設(shè)備，其由具有最小數(shù)目的所要求的結(jié)合接頭的單片材料(例如，石英或硅)構(gòu)成。例如，本文公開的技術(shù)和設(shè)備包括單片的、平面的(即，所有特征都是相同厚度)具有平面內(nèi)的懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量的振動(dòng)梁加速度計(jì)機(jī)構(gòu)。懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量在支撐基座(例如，石英或硅晶片)的平面中繞由彎曲部形成的鉸鏈旋轉(zhuǎn)。諧振器將來自懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量在加速度下的旋轉(zhuǎn)的力轉(zhuǎn)換成頻率，并且將其定位成與懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量相鄰從而諧振器接收通過固有的第一類杠桿放大的懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量力。換句話說，在平面內(nèi)的懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量相比于平面內(nèi)的平移(translat1nal)檢驗(yàn)質(zhì)量繞由彎曲部形成的鉸鏈旋轉(zhuǎn)時(shí)，創(chuàng)建了自然的第一類杠桿。在此示例中，平面內(nèi)的、單片加速度計(jì)在不需要增加如在平移的平面內(nèi)加速度計(jì)中所需要的分離的杠桿元件的情況下被機(jī)械化。此外，根據(jù)本公開的技術(shù)所配置的加速度計(jì)可以能夠?qū)崿F(xiàn)更加準(zhǔn)確的、具有更小輪廓的、可以以降低的成本生產(chǎn)的、具有高可靠性并且包括數(shù)字輸出的加速度計(jì)的創(chuàng)建。
[0016]圖1是圖示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的示例性加速度計(jì)系統(tǒng)19的框圖。在圖1的示例中，加速度計(jì)系統(tǒng)19包括加速度計(jì)I，振蕩器電路18A和18B，和處理器20。加速度計(jì)I包括懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量2，齒4A-4D (統(tǒng)稱為“齒4”)，彎曲部6，支撐基座8，系繩1，電極14A和14B，和諧振器16A和16B。在某些示例中，加速度計(jì)I可以是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)。
[0017]由于加速度計(jì)I的加速度，懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量2繞垂直于如由支撐基座8定義的平面的軸旋轉(zhuǎn)。在一些示例中，懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量2由壓電材料制成，例如石英(Si02)，塊磷招礦(A1P04)，正磷酸鎵(GaPO4)，熱鹽(thermaline)，鈦酸鋇(BaT13)，或鋯鈦酸鉛(PZT)，氧化鋅(ZnO)或氮化招(AlN)等。在其它示例中，懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量2由娃制成。在一些示例中，懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量2可以允許通過第一類杠桿的原理(principal)的力放大。
[0018]通過由于齒4上力的變化而引起的其諧振頻率的變化，齒4能夠?qū)崿F(xiàn)檢測加速度計(jì)I中的力的量(例如，力的增加或減少)。在一些示例中，齒4由壓電材料制成，例如石英(S12)，塊磷鋁礦(A1P04)，正磷酸鎵(GaPO4)，熱鹽，鈦酸鋇(BaT13)，或鋯鈦酸鉛(PZT)，氧化梓(ZnO)或氣化招(AlN)等。在其它不例中，齒4由娃材料制成。在一些不例中，齒4可以是諧振器16A和16B的一部分。例如，齒4可以是雙端音叉(DETF)的一部分。在一些不例中，齒4可以以諧振頻率振動(dòng)，其是跨齒4施加的負(fù)載的函數(shù)。在此示例中，當(dāng)力(例如，壓縮或張力)被放置在齒4上時(shí)，以諧振頻率振動(dòng)的齒4還可以具有頻率的變化。在一些示例中，齒4由多個(gè)電極包圍。例如，多個(gè)電極可以與齒4相鄰和/或在齒4下面。在這些示例中，齒4可以根據(jù)由多個(gè)電極(例如，起驅(qū)動(dòng)電極作用的多個(gè)電極)提供的電場而保持它們諧振(即，繼續(xù)在平面內(nèi)并異相振動(dòng))。在這些示例中，齒4的位置還可以由多個(gè)電極(例如，起拾取電極作用的多個(gè)電極)確定。在一些示例中，齒4的諧振頻率可以由多個(gè)電極檢測，從而多個(gè)電極提供齒位置拾取(Pickoff)信號(hào)，其可以被獨(dú)立地放大，并且對(duì)每個(gè)信號(hào)的頻率的任何變化被解釋為加速度。在這些示例中，來自相應(yīng)的DETF的多個(gè)齒位置拾取信號(hào)的變化可以被合并，并被解釋為加速度計(jì)I的加速度的量。
[0019]彎曲部6靈活地將懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量2連接到支撐基座8，并支撐在支撐基座8內(nèi)的懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量2。在一些示例中，彎曲部6由壓電材料制成，例如石英(S12)，塊磷鋁礦(A1P04)，正磷酸鎵(GaPO4)，熱鹽，鈦酸鋇(BaT13)，或鋯鈦酸鉛(PZT)，氧化鋅(ZnO)或氮化鋁(AlN)等。在其它示例中，彎曲部6由硅材料制成。在一些示例中，彎曲部6可以形成鉸鏈，其使得懸垂的檢驗(yàn)質(zhì)量2能夠由于加速度計(jì)I的加速度而在由支撐基座8定義的平面中繞彎曲部6在樞軸上轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0020]支撐基座8通過彎曲