三轴集成硅微谐振式加速度计的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种三轴集成硅微谐振式加速度计，主要包括：一玻璃基底；一双轴硅微谐振式检测结构及一单轴硅微谐振式检测结构设置于所述玻璃基底的表面；所述双轴硅微谐振式检测结构包括一质量块及四个硅微机械结构单元，所述四个硅微机械结构单元围绕所述质量块的中心呈中心对称分布；所述单轴硅微谐振式检测结构包括一第一质量块、一第二质量块呈镜像对称设置；一第一振梁及一第二振梁平行设置于所述第一质量块与第二质量块之间，且所述第一振梁及第二振梁在垂直于玻璃基底表面的方向上即Z轴方向上具有不同的高度。
【专利说明】三轴集成硅微谐振式加速度计
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子机械系统的微惯性测量领域，具体涉及一种硅微谐振式加速度计。
【背景技术】
[0002]惯性导航系统已在航海、航空、航天和军事等领域中广泛应用。硅微谐振式加速度计具有稳定性高、分辨率高、动态范围大的特点，被认为是可以实现高精度测量的微电子机械系统(MEMS)惯性导航器件，在国防领域有着重要的应用。对于硅微谐振式加速度计高精度、小型化、高集成度的研究也得到开展。
[0003]目前在中低性能的应用领域正逐步取代石英挠性加速度计等传统惯性仪表。国际上MEMS加速度计已开始在导航和战术领域应用。同时部分高精度领域也将被微机电加速度计替代单轴硅微谐振式加速度计的研究已经逐步成熟。
[0004]然而，现有技术中多个谐振式加速度计集成存在体积大和安装误差大的问题，无法满足在三轴(X、Y、Z轴)方向上高精度加速度测试需求，影响硅微谐振式加速度计的发展和使用。
【发明内容】
[0005]综上所述，确有必要提供一种结构简单、体积小、精度高的三轴集成硅微谐振式加速度计。
[0006]—种三轴集成娃微谐振式加速度计，主要包括:一玻璃基底；一双轴娃微谐振式检测结构及一单轴硅微谐振式检测结构设置于所述玻璃基底的表面，所述双轴硅微谐振式检测结构用于检测平行于玻璃基底表面的平面内相互垂直的XY轴方向的加速度；所述单轴娃微谐振式检测结构用于检测垂直于XY方向的Z轴方向的加速度；所述双轴娃微谐振式检测结构包括一质量块及四个硅微机械结构单元，所述质量块为一中心对称结构，所述四个硅微机械结构单元围绕所述质量块的中心呈中心对称分布；每一硅微机械结构单元包括一组谐振式双端音叉、一组微机械杠杆及一组解I禹导向支撑，所述解I禹导向支撑一端与所述质量块连接接收惯性加速度，另一端与所述微机械杠杆的一力输入端相连，通过微机械杠杆的一力输出端将接收的惯性力传递给所述谐振式双端音叉；所述单轴硅微谐振式检测结构包括一第一质量块、一第二质量块呈镜像对称设置，所述第一质量块及第二质量块分别通过两根支撑梁悬浮于所述玻璃基底表面，并以两根支撑梁为轴转动；一第一振梁及一第二振梁平行设置于所述第一质量块与第二质量块之间，所述第一振梁的两端分别与第一质量块及第二质量块相连，一第一驱动定梳齿与一第一检测定梳齿相对设置于所述第一振梁两侧；所述第二振梁的两端分别与所述第一质量块及第二质量块相连，一第二驱动定梳齿与一第二检测定梳齿相对设置于所述第二振梁两侧，且所述第一振梁及第二振梁在垂直于玻璃基底表面的方向上即z轴方向上具有不同的高度。
[0007]相对于现有技术，本发明提供的三轴集成硅微谐振式加速度计，通过采用不等高振梁的方式，将三轴谐振式加速度计集成在一个芯片上，具有高集成度、小型化、高精度的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明第一实施例提供的三轴集成硅微谐振式加速度计整体结构说明图。
[0009]图2为本发明第一实施例提供的三轴集成硅微谐振式加速度计金属导线层说明图。
[0010]图3为本发明第一实施例提供的三轴集成硅微谐振式加速度计等轴侧三维立体视图。
[0011]图4为本发明第一实施例提供的三轴集成硅微谐振式加速度计平面内双轴质量块局部说明图。
[0012]图5为本发明第一实施例提供的三轴集成硅微谐振式加速度计平面外垂直轴振梁结构说明图。
[0013]主要元件符号说明
【权利要求】
1.一种三轴集成硅微谐振式加速度计,主要包括: 一玻璃基底； 一双轴娃微谐振式检测结构及一单轴娃微谐振式检测结构设置于所述玻璃基底的表面，所述双轴硅微谐振式检测结构用于检测平行于玻璃基底表面的平面内相互垂直的XY轴方向的加速度；所述单轴娃微谐振式检测结构用于检测垂直于XY方向的Z轴方向的加速度； 所述双轴硅微谐振式检测结构包括一质量块及四个硅微机械结构单元，所述质量块为一中心对称结构，所述四个硅微机械结构单元围绕所述质量块的中心呈中心对称分布；每一娃微机械结构单兀包括一组谐振式双端音叉、一组微机械杠杆及一组解稱导向支撑，所述解耦导向支撑一端与所述质量块连接接收惯性加速度，另一端与所述微机械杠杆的一力输入端相连,通过微机械杠杆的一力输出端将接收的惯性力传递给所述谐振式双端音叉； 所述单轴硅微谐振式检测结构包括一第一质量块、一第二质量块呈镜像对称设置，所述第一质量块及第二质量块分别通过两根支撑梁悬浮于所述玻璃基底表面，并以两根支撑梁为轴转动；一第一振梁及一第二振梁平行设置于所述第一质量块与第二质量块之间，所述第一振梁的两端分别与第一质量块及第二质量块相连，一第一驱动定梳齿与一第一检测定梳齿相对设置于所述第一振梁两侧；所述第二振梁的两端分别与所述第一质量块及第二质量块相连，一第二驱动定梳齿与一第二检测定梳齿相对设置于所述第二振梁两侧，且所述第一振梁及第二振梁在垂直于玻璃基底表面的方向上即Z轴方向上具有不同的高度。
2.如权利要求1所述的三轴集成硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述解耦导向支撑包括一对折叠梁、一根细长直梁及一导向块，所述导向块一端通过细长直梁与所述质量块连接，另一端与所述微机械杠杆的力输入端连接以输入惯性力至谐振式双端音叉，所述一对折叠梁设置于所述导向块两侧固定并约束导向块的运动。
3.如权利要求2所述的三轴集成硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述一对折叠梁对称设置与所述质量块在垂直于细长直梁方向上的两侧，每一折叠梁的一端与所述导向块相连以支撑导向块在敏感轴方向的运动，并限制导向块在正交轴方向的运动，另一端固定于所述玻璃基底上。
4.如权利要求2所述的三轴集成硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述微机械杠杆包括一支点梁设置于所述力输入端与所述力输出端之间，并靠近所述力输出端设置，以支撑所述微机械杠杆。
5.如权利要求1所述的三轴集成硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述谐振式双端音叉包括两个对称设置的谐振梁，所述对称设置的两个谐振梁在驱动电极及检测电极的控制下振动在反相模态。
6.如权利要求1所述的三轴集成硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述第一振梁及第二振梁在Z方向上与所述第一质量块及第二质量块的厚度不同，所述第一振梁及第二振梁相互平行，且两端分别与所述第一质量块及第二质量块相连。
7.如权利要求6所述的三轴集成硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述第一质量块具有一平行于玻璃基底表面的对称轴，所述第一振梁及第二振梁对称分布于所述对称轴的两侧。
8.如权利要求1所述的三轴集成硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述第一振梁靠近所述玻璃基底的表面与所述第一质量块靠近所述玻璃基底的表面共面；所述第二振梁相对远离所述玻璃基底设置，所述第二振梁远离所述玻璃基底的表面，与所述第一质量块远离所述玻璃基底的表面共面。
9.如权利要求1所述的三轴集成硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述第一质量块及第二质量块均为偏心结构，所述第一质量块的偏心位置与第二质量块的偏心位置成镜像对称分布，且靠近所述第一质量块与第二质量块之间的对称轴。
10.如权利 要求1所述的三轴集成硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述双轴硅微谐振式加速度计及单轴硅微谐振式加速度计通过硅微结构上的键合锚区固定并悬浮于所述玻璃基底表面。
【文档编号】G01P15/097GK103913595SQ201410129981
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】董景新, 赵淑明, 刘云峰 申请人:清华大学