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)針方向依次排列；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，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，通過檢測振梁諧振頻率的變化量來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A/D轉(zhuǎn)換，直接進(jìn)入數(shù)字系統(tǒng)，傳輸過程中不易出現(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)針方向依次排列;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)成第二組加速度測量模塊，且所述第一組加速度測量模塊測量的加速度與第二組加速度測量模塊測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、檢測固定梳齒、檢測電極、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，檢測固定梳齒附加在檢測電極上，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，通過測量兩個(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的影響是通過可動(dòng)結(jié)構(gòu)僅設(shè)有唯一的錨點(diǎn)、結(jié)構(gòu)層各部分通過固定在此錨點(diǎn)的固定支撐框架上來實(shí)現(xiàn)的。
[0020](3)測量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)針方向依次排列，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。
[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)成第二組加速度測量模塊，且所述第一組加速度測量模塊測量的加速度與第二組加速度測量模塊測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)行說明即可，選擇第一上層硅微機(jī)械子結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明，所述質(zhì)量塊Ia為長方形塊狀結(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、檢測固定梳齒19a、檢測電極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，檢測固定梳齒19a附加在檢測電極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，通過檢測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，因此只需說明任意一個(gè)即可，為便于說明，對(duì)一級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)3al進(jìn)行說明。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)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(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)針方向依次排列;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)成第二組加速度測量模塊，且所述第一組加速度測量模塊測量的加速度與第二組加速度測量模塊測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、檢測固定梳齒、檢測電極、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，檢測固定梳齒附加在檢測電極上，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, 黃麗斌
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)