專利名稱：一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)械電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片。
背景技術(shù)：
目前，高精度、高分辨率的數(shù)字化加速度測量方法已經(jīng)得到越來越廣泛的發(fā)展，在中高精度的高速數(shù)字導(dǎo)航系統(tǒng)、重力測量學(xué)、巡航導(dǎo)彈、自主水下導(dǎo)航等方面有廣泛的應(yīng)用前景。此類加速度計(jì)輸出的是頻率信號，沒有數(shù)模轉(zhuǎn)換帶來的精度損失，能夠與高精度數(shù)字測量系統(tǒng)相結(jié)合。目前常用的采用微機(jī)電系統(tǒng)加工的傳感器主要分為壓阻式和電容式。壓·阻式傳感器通過具有壓阻效應(yīng)的電阻和具有一定結(jié)構(gòu)的梁-質(zhì)量塊來感應(yīng)加速度，電容式加速度傳感器則是通過改變電容極板的面積或者距離來感應(yīng)加速度。以上兩種常用的加速度傳感器輸出的均是模擬信號，后處理電路復(fù)雜，靈敏度低，存在模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差，而且不能直接與高精度的數(shù)字系統(tǒng)相結(jié)合。目前也有少量的諧振式硅微加速度傳感器，雖然此類傳感器輸出的是數(shù)字信號，但是存在諧振頻率低、靈敏度差等問題，同時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大，成本高?？傊?，現(xiàn)有的加速度計(jì)普遍存在模擬輸出，靈敏度低，加工復(fù)雜等問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有加速度計(jì)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，具有體積小，重量小，數(shù)字信號輸出和分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，包括外圍的硅基支撐5，硅基支撐5與其底部的玻璃襯底7通過鍵合連接，硅基支撐5的A硅凸臺2上通過有機(jī)膠固定有雙端石英音叉I，雙端石英音叉I的另一端固定在質(zhì)量塊6的B硅凸臺4上，質(zhì)量塊6有四根懸臂梁3支撐在硅基支撐5上。所述的B硅凸臺4在質(zhì)量塊6的正中心位置。所述的質(zhì)量塊6與玻璃襯底I之間有5微米的運(yùn)動間隙。所述的玻璃襯底7與質(zhì)量塊6相對的部分設(shè)置有一層金屬電極8。所述的A硅凸臺2和B硅凸臺4的高度比硅基支撐5的平面高出60微米以上。所述的雙端石英音叉I的諧振梁表面四周設(shè)置有電極。所述的懸臂梁3和質(zhì)量塊6的中軸線重合。雙端石英音叉I的兩根諧振梁9的振動方向相反。本發(fā)明的雙端石英音叉I存在逆壓電效應(yīng)，當(dāng)電極兩面有電荷交替變化時(shí)，雙端石英音叉I就會出現(xiàn)振動，其振動頻率受雙端石英音叉結(jié)構(gòu)形狀的影響。當(dāng)加速度作用于芯片時(shí)，懸臂梁3支撐的質(zhì)量塊6在慣性力作用下移動微小的位移。由于雙端石英音叉I一端固定，一端與質(zhì)量塊連接，所以雙端石英音叉I發(fā)生彎曲變形，這種彎曲變形導(dǎo)致其諧振頻率發(fā)生改變，改變的大小與加速度成正比，從而通過檢測雙端石英音叉I的諧振頻率就能夠得到加速度的大小。A硅凸臺2和B硅凸臺4能夠防止硅基支撐5對雙端石英音叉I振動的干擾；因此本發(fā)明采用雙端石英音叉作為敏感材料，基底支撐為硅，故而具有頻率輸出，體積小，敏感度高以及品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的截面示意圖。圖3為雙端石英音叉所需的振動模態(tài)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與工作原理詳細(xì)說明。參見圖1，一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，包括外圍硅基支撐5，底部有玻璃襯底7，外圍硅基支撐5與玻璃襯底7通過鍵合連接。硅基支撐5的A硅凸臺2上通過有機(jī)膠固定有雙端石英音叉1，雙端石英音叉I的另一端固定在質(zhì)量塊6的B硅凸臺4上，質(zhì)量塊6有四根懸臂梁3支撐在硅基5上。傳感器芯片通過質(zhì)量塊6感應(yīng)到加速度的輸入，然后通過雙端石英音叉I的頻率變化有頻率檢測電路把加速度轉(zhuǎn)換為電信號，完成對加速度的感應(yīng)與測量。所述的硅質(zhì)量塊6、懸臂梁3、凸臺2和凸臺4通過體硅工藝加工得到。參見圖2，固定雙端石英音叉I的A硅凸臺2和B硅凸臺4的高度比硅基支撐5的平面高出60微米以上，這樣可以防止硅面對雙端石英音叉I諧振的阻礙，使雙端石英音叉I的振動頻率更客觀的反應(yīng)加速度的大小。質(zhì)量塊6與玻璃襯底7之間有5微米的運(yùn)動間隙，當(dāng)有加速度作用于芯片時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律，質(zhì)量塊6在慣性力的作用下要產(chǎn)生一定的位移，從而使雙端石英音叉I產(chǎn)生彎曲變形導(dǎo)致其頻率的改變。所述的玻璃襯底7與娃質(zhì)量塊6相對的部分設(shè)置有一層金屬電極8,防止靜電鍵合時(shí)加速度質(zhì)量塊6與玻璃襯底7之間的靜電吸附。所述的懸臂梁3和質(zhì)量塊6的中軸線重合。所述的雙端石英音叉I的諧振梁表面四周設(shè)置有電極，通電之后能夠按照預(yù)定模態(tài)振動。參見圖3，雙端石英音叉I的兩根諧振梁9的振動模式相反，從而在固定端能夠?qū)?nèi)力相互抵消,從而不會對質(zhì)量塊6產(chǎn)生額外影響。本發(fā)明的工作原理是加速度作用于傳感器芯片時(shí)，質(zhì)量塊6作為傳感器加速度的敏感質(zhì)量塊。根據(jù)牛頓第二定律，當(dāng)加速度作用于中央硅質(zhì)量塊6時(shí)，由于慣性力的作用，中央硅質(zhì)量塊6會產(chǎn)生一定的位移，進(jìn)而使雙端石英音叉I發(fā)生形變，該形變導(dǎo)致石英梁的諧振頻率發(fā)生變化，這一變化通過頻率檢測電路轉(zhuǎn)化為頻率信號輸出，從而實(shí)現(xiàn)傳感器芯片的加速度-頻率信號轉(zhuǎn)換，完成對加速度的數(shù)字化測量。
權(quán)利要求
1.一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，其特征在于，包括外圍的硅基支撐(5),硅基支撐(5)與其底部的玻璃襯底(7)通過鍵合連接，硅基支撐(5)的A硅凸臺(2)上通過有機(jī)膠固定有雙端石英音叉(I )，雙端石英音叉(I)的另一端固定在質(zhì)量塊(6 )的B硅凸臺(4)上，質(zhì)量塊(6)有四根懸臂梁(3)支撐在硅基支撐(5)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，其特征在于，所述的B硅凸臺(4)在質(zhì)量塊(6)的正中心位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，其特征在于，所述的質(zhì)量塊(6)與玻璃襯底(7)之間有5微米的運(yùn)動間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，其特征在于，所述的玻璃襯底(7)與質(zhì)量塊(6)相對的部分設(shè)置有一層金屬電極(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，其特征在于，所述的A硅凸臺(2)和B硅凸臺(4)的高度比硅基支撐(5)的平面高出60微米以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，其特征在于，所 述的雙端石英音叉(I)的諧振梁表面四周設(shè)置有電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，其特征在于，所述的懸臂梁(3)和質(zhì)量塊(6)的中軸線重合。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，其特征在于，雙端石英音叉(I)兩根諧振梁(9)的振動方向相反。
全文摘要
一種硅基四梁結(jié)構(gòu)石英諧振加速度傳感器芯片，包括外圍硅基支撐，外圍硅基支撐與玻璃襯底通過鍵合連接，雙端石英音叉通過有機(jī)膠一端固定在硅基支撐的凸臺上，一端固定在質(zhì)量塊的凸臺上，質(zhì)量塊有四根懸臂梁支撐在硅基上，玻璃襯底與硅質(zhì)量塊對應(yīng)的部分有一層金屬電極，防止靜電鍵合時(shí)加速度質(zhì)量塊與玻璃襯底之間的靜電吸附，傳感器芯片通過質(zhì)量塊感應(yīng)到加速度的輸入，引起雙端石英音叉的產(chǎn)生變形，通過頻率檢測電路把石英音叉的諧振頻率輸出，將加速度轉(zhuǎn)換為電信號，完成對加速度的數(shù)字化感應(yīng)與測量，該傳感器芯片具有頻率輸出，體積小，敏感度高以及品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01P15/097GK102778583SQ201210240759
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者李村, 趙玉龍, 饒浩 申請人:西安交通大學(xué)