谐振式加速度传感器件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种谐振式加速度传感器件，包括谐振敏感元件、U型质量块、第一挠性桥、第二挠性桥、C形连接块、连接梁、环形连接块、第一固定块和第二固定块。所述谐振敏感元件由第一基部、第二基部以及固接于二者之间的第一振梁和第二振梁构成，两振梁正面设有矩形凹槽，该凹槽的开口方向与两振梁的振动方向垂直，所述凹槽的内壁覆盖有第一激励电极，振梁的两侧壁分别覆盖有第二激励电极，第一振梁和第二振梁通过电极与激励电源的连接使两者振动方向相反。本发明有利于器件的微型化，并可有效提升振梁谐振稳定性，器件的灵敏度更高，同时降低了电极的制作难度。
【专利说明】谐振式加速度传感器件
【技术领域】
[0001]本发明涉及频率输出的谐振式加速度检测技术，具体涉及一种谐振式加速度传感器件，属于惯性导航【技术领域】。
【背景技术】
[0002]惯性导航作为一种自主导航方式，隐蔽性和抗干扰性强，在武器装备及民用消费电子产品中均得到广泛的应用。加速度计和陀螺仪是惯性导航的核心敏感元件，其精度的高低将对导航精度产生决定性的影响。谐振式加速度计采用谐振原理检测加速度，具有频率输出和检测精度高等多个优点，基于石英材料的谐振式加速度计稳定性较其它材料更好，在高精度加速度检测领域得到越来越多的应用。
[0003]振梁结构的石英谐振式加速度计是最为常见的一种结构类型，依据振梁结构的区另|J，振梁结构的石英谐振式加速度计可分为双振梁和单振梁两种，代表公司分别为美国的Honeywell公司和法国的Onera。Honeywell公司采用双振梁结构，振梁和质量块等其它辅助结构分开制作，然后通过粘接等方式组装到一起。该种结构量程范围宽，但是制作工艺繁琐且体积大，不适合大批量生产；此外，该种结构的振梁截面为矩形，电极激励效率低，振梁等效宽度大灵敏度低。法国Onera创新性地将石英振梁加速度计的所有结构制作于单一结构上，体积小且装配简单，综合精度已达100 ug。
[0004]然而，法国Onera的石英振梁加速度计的振梁厚度很小，背面为湿法腐蚀深槽后制作而成，电极图形化难度较大，其采用的解决方案为只在振梁正面制作单面电极对振梁进行激励，但单面电极的激励效率较低，振梁谐振时的动态阻抗大，稳定性差。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种微型化、电极制作简单且激励效率高、灵敏度高、稳定性好的谐振式加速度传感器件。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
谐振式加速度传感器件，包括谐振敏感元件、U型质量块、第一挠性桥、第二挠性桥、C形连接块、连接梁、环形连接块、第一固定块和第二固定块，其特征在于:所述谐振敏感元件由第一基部、第二基部以及固接于二者之间且工作于宽度弯曲谐振模态的结构相同的第一振梁和第二振梁构成，第一振梁和第二振梁正面朝向相同且正面设有矩形凹槽，该凹槽的开口方向与第一振梁和第二振梁的振动方向垂直，所述凹槽的内壁覆盖有第一激励电极，振梁的两侧壁分别覆盖有第二激励电极，第一振梁和第二振梁通过电极与激励电源的连接使两者振动方向相反；
U型质量块和C形连接块开口相向并通过第一挠性桥和第二挠性桥将两者端部连接，所述谐振敏感元件位于U型质量块和C形连接块合围形成的区域内，谐振敏感元件两端分别通过第一基部、第二基部与U型质量块开口中部和C形连接块中部连接；c形连接块的背部通过连接梁连接环形连接块；环形连接块两端与第一固定块和第二固定块连接，环形连接块、第一固定块、第二固定块和U型质量块外轮廓整体呈圆形。
[0007]进一步地，本发明谐振式加速度传感器件在同一基材上加工形成，即构成传感器件的第一基部、第二基部、第一振梁、第二振梁、U型质量块、第一挠性桥、第二挠性桥、C形连接块、连接梁、环形连接块、第一固定块和第二固定块在同一块基材上一体制作而成，为整体式。所述谐振式加速度传感器件制作基材为具有压电效应的石英晶体。
[0008]所述第一振梁和第二振梁上的凹槽由中部凹槽和位于中部凹槽与两基部之间的两端部凹槽构成，端部凹槽与中部凹槽的分界点跟振梁谐振时的节点重合；同一振梁的端部凹槽内壁的第一激励电极与中部凹槽内壁的第一激励电极与激励电源连接的极性相反。
[0009]所述第一振梁和第二振梁上的凹槽为一条，该凹槽沿Y向的边界邻近于振梁的节点。
[0010]本发明振梁正面可同时设置中部凹槽和端部凹槽；如果振梁较短，则中部凹槽和端部凹槽一体设置，或只设置中部凹槽而不设置端部凹槽。
[0011]本发明将谐振敏感元件与质量块等辅助结构一体化集成，谐振敏感元件中的振梁正面设置有凹槽，以降低激励电极作用距离和振梁弯曲振动的等效宽度。有加速度输入时，质量块所产生的惯性力引起挠性桥的挠曲变形和振梁沿轴向的应变以及谐振频率的变化，通过解算振梁谐振频率变化值即可得到输入加速度值。
[0012]由此可知，本发明的有益效果具体表现在以下方面:
1、振梁为双振梁结构，两振梁工作于方向相反的弯曲振动模态，振动时对基部所产生的力和力矩相互抵消，稳定性较好，且无需隔离框进行隔振，体积更小。
[0013]、振梁正面设置有凹槽，电极的激励效率大幅提高，克服了振梁尺寸较小时振荡能量弱的缺点，有利于器件尺寸的进一步微型化，并可有效提升振梁谐振稳定性。
[0014]、器件的灵敏度与振梁等效宽度的二次方成反比，振梁正面设置凹槽后等效宽度减小，器件的灵敏度更高。
[0015]、振梁表面的激励电极只覆盖凹槽内壁和振梁侧壁，背面不需要覆盖电极，降低了电极的制作难度。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是使用本发明实施例1的谐振式加速度传感器件的结构图。
[0017]图2a是本发明实施例1中谐振敏感元件的结构图。
[0018]图2b是图2a的A1-A1剖视图。
[0019]图2c是图2a的B1-B1剖视图。
[0020]图3是本发明实施例2中谐振敏感元件的结构图。
[0021]图4是本发明实施例3中谐振敏感元件的结构图。
[0022]其中:1-谐振式加速度传感器件；2_谐振敏感元件；3-U型质量块；4_第一挠性桥；5_第二挠性桥；6-C形连接块；7_连接梁；8_环形连接块；9_第一固定块；10_第二固定块；20_第一基部；21_第二基部；22_第一振梁；23a-第一中部凹槽；23b_第一端部凹槽；24-第二振梁；25a-第二中部凹槽；25b-第二端部凹槽；26_第一激励电极；27_第二激励电极。【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0024]如图1所示，本发明提供的谐振式加速度传感器件1，包括谐振敏感元件2，U型质量块3，第一挠性桥4，第二挠性桥5，C形连接块6，连接梁7，环形连接块8，第一固定块9，第二固定块10。所述谐振敏感元件2由第一基部20、第二基部21以及固接于二者之间且工作于宽度弯曲谐振模态的结构相同的第一振梁22和第二振梁24构成，第一振梁22和第二振梁24正面朝向相同且正面设有矩形凹槽，该凹槽的开口方向与第一振梁和第二振梁的振动方向垂直。所述凹槽的内壁覆盖有第一激励电极26，振梁的两侧壁分别覆盖有第二激励电极27，第一振梁22和第二振梁24通过电极与激励电源的连接使两者振动方向相反。
[0025]型质量块3和C形连接块6开口相向并通过第一挠性桥4和第二挠性桥5将两者端部连接，所述谐振敏感元件2位于U型质量块3和C形连接块6合围形成的区域内，谐振敏感元件2两端分别通过第一基部20、第二基部21与U型质量块3开口中部和C形连接块6中部连接；C形连接块6的背部通过连接梁7连接环形连接块8 ;环形连接块8两端与第一固定块9和第二固定块10连接，环形连接块8、第一固定块9、第二固定块10和U型质量块3外轮廓整体呈圆形。
[0026]本发明谐振式加速度传感器件在同一基材上加工形成，即构成传感器件的第一基部20、第二基部21、第一振梁22、第二振梁24、U型质量块3、第一挠性桥4、第二挠性桥5、C形连接块6、连接梁7、环形连接块8、第一固定块9和第二固定块10在同一块基材上一体制作而成，为整体式。所述谐振式加速度传感器件制作基材为具有压电效应的石英晶体。
[0027]本发明第一挠性桥4和第二挠性桥5用于支撑质量块3 ;第一固定块9和第二固定块10用于支撑整个谐振式加速度传感器件1。当有Z向加速度输入时，质量块3引起的惯性力使得第一挠性桥4和第二挠性桥5产生挠曲变形，该变形对谐振敏感元件2的第一基部20产生拉伸或压缩力，并传导到两个振梁上，引起其谐振频率的变化，谐振频率的变化值可用于检测输入加速度值。
[0028]与矩形截面的振梁相比，在同等激励电压条件下，制作有凹槽结构的振梁上两个电极之间的作用距离缩短，有效激励电场强度明显增强，振梁的振荡强度增大，动态阻抗值降低，即使减小元件的尺寸，振梁的激励振幅下降也较小，稳定性更好，更适于传感器件的微型化。
[0029]实施例1
作为本发明一个优选实施方案，如图2a所示，第一振梁22和第二振梁24正面的凹槽为三个-位于两端的端部凹槽和端部凹槽之间的中部凹槽，端部凹槽和中部凹槽的分界点与振梁谐振时的节点(Pl，P2, P3, P4)重合，以提高电极激励效率和谐振稳定性。振梁两侧壁的第二激励电极分为对应的独立的三段，以与凹槽内部第一激励电极对应。
[0030]如图2b和2c所示，同一振梁的端部凹槽内壁的第一激励电极与中部凹槽内壁的第一激励电极与激励电源连接的极性相反。即第一端部凹槽23a和第一中部凹槽23b的电极与激励电源连接的极性相反，第二端部凹槽25a和第二中部凹槽25b的电极与激励电源连接的极性相反，使得振梁谐振时，振梁节点的一端为拉伸状态，另一端为压缩状态。
[0031]第一端部凹槽23a和第二端部凹槽25a的电极与激励电源连接的极性相反，第一中部凹槽23b和第二中部凹槽25b电极与激励电源连接的极性相反，第一振梁22和第二振梁24内的电场方向相反，两根振梁振动方向相反。
[0032]实施例2
如图3所示，本实施例2与实施例1的区别仅在于:第一振梁22和第二振梁24的正面只设置中部凹槽而未设置端部凹槽，即凹槽只有一条。
[0033]在振梁长度进一步缩短时，若振梁正面同时制作中部凹槽和端部凹槽则表面的电极图形化难度会增大，第一激励电极26和第二激励电极27短路的概率会增加，谐振式加速度传感器件制作的成品率和可靠性均会降低。本实施例中的振梁结构，更适合于振梁长度较短的谐振式加速度传感器件的制作。
[0034]实施例3
如图4所示，本实施例3与实施例1的区别仅在于:第一振梁22和第二振梁24正面的端部凹槽和中部凹槽一体化设置，且端部凹槽内未制作激励电极。为突出结构形状，图4中未示出电极图形。
[0035]在振梁长度较短时，振梁正面的中部凹槽和端部凹槽分界处(未设置凹槽的节点附近)对激励效率的影响程度会大幅增加，降低了振梁谐振强度。通过在振梁正面一体化设置端部凹槽和中部凹槽，可有效降低分界处对激励效率的影响，提高振梁谐振强度。
[0036]由此可见在振梁的正面制作凹槽，振梁的侧壁和凹槽的内壁都覆盖有电极，在电极上施加电压，使得两根振梁内部产生电场方向相反的激励电场，由逆压电效应激励两根振梁产生反向弯曲振动。与矩形截面的振梁相比，在同等激励电压条件下，制作有凹槽结构的振梁的有效激励电场强度明显增强，振梁的振荡强度增大，谐振效率高，动态阻抗值降低，性能稳定，有利于传感器件结构的进一步微型化；设置凹槽结构的振梁的等效宽度得到降低，传感器件的灵敏度更高。
[0037]本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
【权利要求】
1.谐振式加速度传感器件，包括谐振敏感元件、U型质量块、第一挠性桥、第二挠性桥、C形连接块、连接梁、环形连接块、第一固定块和第二固定块，其特征在于：所述谐振敏感元件由第一基部、第二基部以及固接于二者之间且工作于宽度弯曲谐振模态的结构相同的第一振梁和第二振梁构成，第一振梁和第二振梁正面朝向相同且正面设有矩形凹槽，该凹槽的开口方向与第一振梁和第二振梁的振动方向垂直，所述凹槽的内壁覆盖有第一激励电极，振梁的两侧壁分别覆盖有第二激励电极，第一振梁和第二振梁通过电极与激励电源的连接使两者振动方向相反； U型质量块和C形连接块开口相向并通过第一挠性桥和第二挠性桥将两者端部连接，所述谐振敏感元件位于U型质量块和C形连接块合围形成的区域内，谐振敏感元件两端分别通过第一基部、第二基部与U型质量块开口中部和C形连接块中部连接；c形连接块的背部通过连接梁连接环形连接块；环形连接块两端与第一固定块和第二固定块连接，环形连接块、第一固定块、第二固定块和U型质量块外轮廓整体呈圆形。
2.根据权利要求I所述的谐振式加速度传感器件，其特征在于：所述第一基部、第二基部、第一振梁、第二振梁、U型质量块、第一挠性桥、第二挠性桥、C形连接块、连接梁、环形连接块、第一固定块和第二固定块在同一块具有压电效应的石英晶体基材上一体制作而成。
3.根据权利要求I或2所述的谐振式加速度传感器件，其特征在于：所述第一振梁和第二振梁上的凹槽由中部凹槽和位于中部凹槽与两基部之间的两端部凹槽构成，端部凹槽与中部凹槽的分界点跟振梁谐振时的节点重合；振梁两侧壁的第二激励电极分为对应的独立的三段，以与凹槽内部第一激励电极对应；同一振梁的端部凹槽内壁的第一激励电极与中部凹槽内壁的第一激励电极与激励电源连接的极性相反。
4.根据权利要求I或2所述的谐振式加速度传感器件，其特征在于：所述第一振梁和第二振梁上的凹槽为一条，该凹槽沿Y向的边界邻近于振梁的节点。
【文档编号】G01P15/097GK103713157SQ201410009866
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】林丙涛, 林日乐, 翁邦英 申请人:中国电子科技集团公司第二十六研究所