一种双轴分体式差分硅微谐振式加速度计的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，包括上层硅微机械结构和下层玻璃基座，上层硅微机械结构键合在玻璃基座上。其中上层硅微机械结构由四部分完全相同的上层硅微机械子结构组成，其中左侧上下两部分结构形成一组差分结构，测量Y方向加速度；右侧上下两部分结构形成另一组差分结构，测量X方向加速度。本发明提出的双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，不仅可以有效抑制两组构成差分结构的两个谐振器之间的共模误差，消除两个谐振器之间的耦合影响，而且可以实现X方向和Y方向之间的解耦。
【专利说明】一种双轴分体式差分硅微谐振式加速度计
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双轴分体式差分硅微谐振式加速度惯性传感器，属于微机电系统(MEMS)和微惯性测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]20世纪80年代以来，微机电系统和微型制造技术的发展推动了微惯性技术和微惯性仪表的发展，导致了新一代加速度计和陀螺仪的产生。微惯性仪表大都通过半导体加工工艺制作，体积小、质量轻、功耗低。采用硅作为加工材料，并使用与微电子集成电路制造工艺兼容的加工工艺，可以将硅微惯性器件的敏感表头与信号处理电路集成在一个芯片上，从而实现批量生产，降低成本。与传统惯性仪表相比，微惯性器件还有可靠性高，测量范围大的特点。微惯性器件的这些特点使得它具有更宽广的应用范围，不仅可以用在汽车工程、移动通信、大地测量、地质勘探、微型卫星、运动器材等民用领域，还可以应用在军事领域上，包括制导炸弹、无人驾驶机智能炸弹等。
[0003]硅微谐振式加速度计是一种典型的微机械惯性器件，其工作原理是:振梁在受到轴向外力作用时谐振频率发生变化，通过检测振梁谐振频率的变化量来获取输入的加速度大小。硅微谐振式加速度计输出频率信号，是一种准数字信号，不易受到环境噪声的干扰，且具有很高的稳定性，信号不需要经过A/D转换，直接进入数字系统，传输过程中不易出现失真。因此，这种传感器易于实现高精度测量，属于高性能器件，同时它又具有一般硅微惯性器件的诸多特点，使其成为新一代高精度微机械加速度计的发展方向之一。
[0004]目前，国内外对于单轴硅微谐振式加速度计的研宄已经取得了较好的研宄成果，而对双轴谐振式硅微加速度计的研宄大多还停留在理论层面上，较少单位进行了实际加工并取得测试结果。但在实际应用中又常常需要使用双轴或三轴加速度计来测量加速度计矢量，而现有的一些双轴结构大多存在差分谐振器之间的耦合或X、Y方向的交叉耦合严重等冋题。
[0005]双轴加速度计可以应用于卫星导航、导弹制导、炮弹定向等军工项目和汽车防震保护、自动刹车、医疗等民用项目。
【发明内容】
[0006]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够实现测量两正交方向加速度的双轴硅微谐振式加速度计。该双轴硅微谐振式加速度计实现了检测同一方向加速度的两个差分谐振器之间的解耦以及两正交方向之间的解耦。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:一种双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，包括上层硅微机械结构和下层玻璃基座，上层硅微机械结构键合在下层玻璃基座上；其中下层玻璃基座上溅射有信号引线，而上层硅微机械结构包括四个上层硅微机械子结构，分别为第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构，第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构按逆时针方向依次排列，并键合在下层玻璃基座上；其中，第一、第四上层硅微机械子结构形成的差分结构构成第一组加速度测量模块，第二、第三上层硅微机械子结构形成的差分结构构成第二组加速度测量模块，且所述第一组加速度测量模块测量的加速度与第二组加速度测量模块测量的加速度相互垂直。
[0008]优选的:第二上层硅微机械子结构与第三上层硅微机械子结构关于上层硅微机械结构中心水平轴完全对称；而第一上层硅微机械子结构顺时针旋转180度后与第四上层硅微机械子结构关于上层娃微机械结构中心水平轴完全对称。
[0009]优选的:所述上层硅微机械子结构包括质量块、质量块锚区、质量块支撑梁、以及谐振器子结构；所述质量块通过质量块支撑梁与质量块锚区相连接，所述谐振器子结构设置于质量块中部。
[0010]优选的:就一个上层硅微机械子结构而言，所述质量块为中空的十字形块状结构，所述质量块锚区、质量块支撑梁的个数分别为4个，所述质量块锚区分别设置于质量块的四个顶角位置，且通过质量块支撑梁使质量块锚区与质量块相互连接，且所述质量块支撑梁分为两组，其中一组质量块支撑梁安装在质量块的一侧，而另一组安装在质量块的另一侧，且该两组质量块支撑梁关于质量块水平中心轴对称。
[0011]优选的:所述谐振器子结构包括两个一级杠杆放大机构和一个音叉谐振器；
[0012]所述一级杠杆放大机构包括输入梁、杠杆臂、支点梁、输出梁和杠杆锚区，其中，支点梁和输出梁分别设置在杠杆臂的同一端，而杠杆臂的另一端设置输入梁，且所述输入梁与输出梁分别位于杠杆臂的两侧，同时所述支点梁处于输入梁与输出梁之间，所述支点梁与杠杆锚区相连；两个一级杠杆放大机构分别通过输入梁与质量块连接，两个一级杠杆放大机构位于同一条直线上且两个一级杠杆放大机构对称设置，而输出梁与音叉谐振器的第一连接块相连；
[0013]所述音叉谐振器包括谐振器锚区、谐振器锚区连接梁、谐振器端部、谐振器第一连接块、谐振器第二连接块、驱动固定梳齿、驱动电极、检测固定梳齿、检测电极、可动梳齿、梳齿架以及两根谐振梁；两根谐振梁平行排列，且两根谐振梁的一端连接到第一连接块的一端，而第一连接块的另一端连接到两个一级杠杆放大机构的输出梁上，同时两个谐振梁的另一端连接到第二连接块的一端，而第二连接块的另一端与谐振器端部相接；所述两根谐振梁的外侧均设置有梳齿架，而可动梳齿分别附加在梳齿架上，检测固定梳齿分别附加在检测电极上，驱动固定梳齿别附加在驱动电极上，且可动梳齿分别与驱动固定梳齿、检测固定梳齿形成电容器。
[0014]优选的:所述支撑梁采用折叠梁形式，一端与质量块相接，另一端与质量块锚区相接；且所述支撑梁的形变方向与谐振梁振动方向相垂直。
[0015]本发明的原理，硅结构层由完全分离的四部分结构组成，形成两组差分结构，其中左侧一组结构测量Y方向加速度，即第二上层硅微机械子结构与第三上层硅微机械子结构，且第二上层硅微机械子结构与第三上层硅微机械子结构关于上层硅微机械结构中心水平轴完全对称；右侧一组结构测量X方向加速度，即第一上层硅微机械子结构与第四上层硅微机械子结构，且第一上层硅微机械子结构顺时针旋转180度后与第四上层硅微机械子结构关于上层娃微机械结构中心水平轴完全对称。四部分结构完全分离，两正交方向加速度的测量互不干扰，实现了两正交方向上的完全解耦；每组差分结构中的上下质量块完全分离，从而隔断上下谐振器通过质量块发生相互作用的通道，消除了上下谐振器之间的耦合；每部分结构都包括质量块、支撑梁、锚区、一级杠杆放大机构、谐振器；每部分结构中质量块通过四根支撑梁与锚区相连；谐振器位于质量块的中间，一端连接在杠杆机构的输出梁上，另一端与锚区相接；两个一级杠杆放大机构，其中杠杆机构的输出梁和支点梁位于杠杆臂的内侧，输入梁位于杠杆臂的外侧。
[0016]当有加速度输入时，质量块把加速度转化成惯性力，被杠杆机构放大的惯性力施加在谐振器上，导致差分谐振器中的一个谐振器谐振频率增加，另一个谐振器谐振频率减小，通过测量两个谐振器的谐振频率差就可以得到输入加速度大小。两个谐振器尺寸完全相同，且差分布置，可有效抑制共模误差。
[0017]本发明提供的一种双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，相比现有技术，具有以下有益效果:
[0018]1.测量X方向加速度的两部分结构完全相同，第一上层硅微机械子结构顺时针旋转180度后与第四上层硅微机械子结构关于上层硅微机械结构中心水平轴完全对称，构成差分形式，对温度等因素引起的响应具有一致性，有利于消除共模误差。
[0019]2.测量X方向加速度的两部分结构完全隔离，隔断了上下谐振器相互作用的通道，从而消除差分谐振器之间的耦合作用。
[0020]3.测量Y方向加速度的两部分结构完全相同，关于硅结构层中心水平轴完全对称，构成差分形式，对温度等因素引起的响应具有一致性，有利于消除共模误差。
[0021]4.测量Y方向加速度的两部分结构完全隔离，隔断了上下谐振器相互作用的通道，从而消除差分谐振器之间的耦合作用。
[0022]5.四部分结构均有独立的质量块，可以完全消除X、Y两正交方向之间的耦合作用。
[0023]6.在加速度作用下，差分谐振器频率分别增大和减小，通过测量两个谐振器的频率变化之差，可以得到该方向加速度大小。差分形式可增大谐振器输出信号，提高灵敏度，更易检测。
[0024]7.静电激励采用梳齿电容结构，与传统的平行板电容结构相比，一方面可以获得较大的振幅；另一方面受到的阻尼为滑膜阻尼，可提高品质因数。
[0025]8.谐振梁不直接与谐振器锚区相连，有利于释放加工和环境温度所引起的热应力。
[0026]综上所述，本发明提出的双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，不仅可以有效抑制两组构成差分结构的两个谐振器之间的共模误差，消除两个谐振器之间的耦合影响，而且可以实现X方向和Y方向之间的解耦。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明的一种分体式差分硅微谐振式加速度计的平面结构示意图；
[0028]图2为本发明的子谐振器结构示意图；
[0029]其中，la、lb、lc、ld均为质量块，2a、2b、2c、2d均为谐振器子结构，3al、3a2、3a3、3a4 ;3bl、3b2、3b3、3b4 ;3cl、3c2、3c3、3c4 ;3dl、3d2，3d3、3d4 均为质量块支撑梁，4al、4a2、4a3、4a4 ;4bl、4b2、4b3、4b4 ;4cl、4c2、4c3、4c4 ;4dl、4d2，4d3、4d4 均为质量块锚区，5a、5b均为一级杠杆放大机构，6a、6b均为输入梁，7a、7b均为杠杆臂，8a、8b均为支点梁，9a、9b均为输出梁，10a、10b均为杠杆锚区；12a、12b均为谐振梁，11为谐振梁第一连接块，19为谐振梁第二连接块，14al、14a2、14bl、14b2均为驱动固定梳齿，13al、13a2、13bl、13b2均为驱动电极，15a、15b均为检测固定梳齿，16a、16b均为检测电极，17a、17b均为可动梳齿，18a、18b均为梳齿架，20a、20b均为谐振器锚区，21a、21b均为谐振器锚区连接梁，22为谐振器端部。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0031]一种双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，如图1所示，包括上层硅微机械结构和下层玻璃基座，上层硅微机械结构键合在下层玻璃基座上；其中下层玻璃基座上溅射有信号引线，而上层硅微机械结构包括四个上层硅微机械子结构，分别为第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构，第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构按逆时针方向依次排列在下层玻璃基座上；其中，第一、第四上层硅微机械子结构形成的差分结构构成第一组加速度测量模块，第二、第三上层硅微机械子结构形成的差分结构构成第二组加速度测量模块，且所述第一组加速度测量模块测量的加速度与第二组加速度测量模块测量的加速度相互垂直。
[0032]第二上层硅微机械子结构与第三上层硅微机械子结构关于上层硅微机械结构中心水平轴完全对称；而第一上层硅微机械子结构顺时针旋转180度后与第四上层硅微机械子结构关于上层娃微机械结构中心水平轴完全对称
[0033]所述上层硅微机械子结构包括质量块(la、lb、lc、ld)、质量块锚区(4al、4a2、4a3、4a4 ;4bl、4b2、4b3、4b4 ;4cl、4c2、4c3、4c4 ;4dl、4d2，4d3、4d4)、质量块支撑梁(3al、3a2、3a3、3a4 ;3bl、3b2、3b3、3b4 ;3cl、3c2、3c3、3c4 ;3dl、3d2，3d3、3d4)、以及谐振器子结构(2a、2b、2c、2d);所述质量块(IaUbUcUd)通过质量块支撑梁(3al、3a2、3a3、3a4 ;3bl、3b2、3b3、3b4 ;3cl、3c2、3c3、3c4 ;3dl、3d2，3d3、3d4)与质量块锚区(4al、4a2、4a3、4a4 ;4bl、4b2、4b3、4b4 ;4cl、4c2、4c3、4c4 ;4dl、4d2，4d3、4d4)相连接，所述谐振器子结构(2a、2b、2c、2d)设置于质量块(IaUbUcUd)中部。
[0034]如图1所示，第一上层硅微机械子结构包括质量块la、质量块锚区(4al、4a2、4a3、4a4)、质量块支撑梁(3al、3a2、3a3、3a4)、以及谐振器子结构2a ;所述质量块Ia通过质量块支撑梁(3al、3a2、3a3、3a4)与质量块锚区(4al、4a2、4a3、4a4)相连接，所述谐振器子结构2a设置于质量块Ia中部；
[0035]如图1所示，第二上层硅微机械子结构包括质量块lb、质量块锚区(4bl、4b2、4b3、4b4)、质量块支撑梁(3bl、3b2、3b3、3b4)、以及谐振器子结构2b ;所述质量块Ib通过质量块支撑梁(3bl、3b2、3b3、3b4)与质量块锚区(4bl、4b2、4b3、4b4)相连接，所述谐振器子结构2b设置于质量块Ib)中部；
[0036]如图1所示，第三上层硅微机械子结构包括质量块lc、质量块锚区(4cl、4c2、4c3、4c4)、质量块支撑梁(3cl、3c2、3c3、3c4)、以及谐振器子结构2c ;所述质量块Ic通过质量块支撑梁(3cl、3c2、3c3、3c4)与质量块锚区(4cl、4c2、4c3、4c4)相连接，所述谐振器子结构2c设置于质量块Ic中部。
[0037]如图1所示，第四上层硅微机械子结构包括质量块IcU质量块锚区(4dl、4d2，4d3、4d4)、质量块支撑梁(3dl、3d2，3d3、3d4)、以及谐振器子结构2d ;所述质量块Id通过质量块支撑梁(3dl、3d2，3d3、3d4)与质量块锚区(4dl、4d2，4d3、4d4)相连接，所述谐振器子结构2d设置于质量块Id中部。
[0038]由上述可知，本发明的第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构的结构均相同，只是其布置方向不一样。如图1所示，以上层硅微结构层所在平面平行建立坐标系平面，上层硅微结构层的中心水平轴为X轴，竖直轴为Y轴，
[0039]由于第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构的结构均相同，因此，只需要对其中的一个结构进行说明即可，选择第二上层硅微机械子结构进行说明，所述质量块Ib为中空的十字形块状结构，该中空的十字形块状结构的四个缺角均为顶角位置，上层硅微机械子结构的包括4个质量块锚区(4bl、4b2、4b3、4b4)、4个质量块支撑梁(3bl、3b2、3b3、3b4)，4个质量块锚区(4bl、4b2、4b3、4b4)分别设置于质量块Ib的四个顶角位置，且通过质量块支撑梁(3bl、3b2、3b3、3b4)将质量块锚区(4bl、4b2、4b3、4b4)与质量块Ib相互连接，且每一个上层硅微机械子结构的所述质量块支撑梁(3bl、3b2、3b3、3b4)分为两组，其中一组质量块支撑梁(3bl、3b4)安装在质量块Ia的一侧，而另一组质量块支撑梁(3b2、3b3)安装在质量块Ib的另一侧，且该两组质量块支撑梁关于质量块水平中心轴对称。
[0040]如图1所示，所述谐振器子结构(2a、2b、2c、2d)均包括两个一级杠杆放大机构和一个音叉谐振器；
[0041]如图2所示，为谐振器子结构的示意图，由于第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构的结构均相同，因此只需说明任意一个第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构的谐振器子结构即可，为便于说明，对第二上层硅微机械子结构的谐振器子结构2b进行说明，如图2所示，所述谐振器子结构2b包括两个一级杠杆放大机构(5a、5b)和音叉谐振器，所述一级杠杆放大机构(5a、5b)包括输入梁(6a、6b)、杠杆臂(7a、7b)、支点梁(8a、8b)、输出梁(9a,9b)和杠杆锚区(10a、10b)，其中，支点梁(8a,8b)和输出梁(9a,9b)分别设置在杠杆臂(7a、7b)的同一端，而杠杆臂(7a、7b)的另一端设置输入梁(6a、6b)，且所述输入梁(6a、6b)与输出梁(9a、9b)分别位于杠杆臂(7a、7b)的两侧，同时所述支点梁(8a、8b)处于输入梁(6a,6b)与输出梁(9a,9b)之间，所述支点梁(8a,8b)与杠杆锚区(1aUOb)相连；两个一级杠杆放大机构(5a、5b)分别通过输入梁(6a、6b)与质量块Ia连接，两个一级杠杆放大机构(5a、5b)位于同一条直线上且两个一级杠杆放大机构(5a、5b)对称设置，而输出梁(9a、9b)与音叉谐振器的第一连接块11相连；
[0042]所述音叉谐振器包括谐振器锚区(20a、20b)、谐振器锚区连接梁(21a、21b)、谐振器端部22、谐振器第一连接块11、谐振器第二连接块19、驱动固定梳齿(14al、14a2、14bl、14b2)、驱动电极(13al、13a2、13bl、13b2)、检测固定梳齿(15a、15b)、检测电极(16a、16b)、可动梳齿(17a、17b)、梳齿架(18a、18b)以及两个谐振梁(12a、12b);两根谐振梁(12a、12b)平行排列，且两个谐振梁(12a、12b)的一端通过第一连接块11的一端连接在一起，而第一连接块11的另一端连接到两个一级杠杆放大机构(5a、5b)的输出梁(9a、9b)上，同时两个谐振梁(12a、12b)的另一端通过第二连接块19的一端连接在一起，而第二连接块19的另一端与谐振器端部22相接；所述两根谐振梁(12a、12b)相对的外侧均设置有梳齿架(18a、18b)，而可动梳齿(17a、17b)分别附加在梳齿架(18a、18b)上，检测固定梳齿(15a、15b)分别附加在检测电极(16a、16b)上，驱动固定梳齿(14alU4a2U4blU4b2)别附加在驱动电极(13al、13a2、13bl、13b2)上，且可动梳齿(17a、17b)分别与驱动固定梳齿(14al、14a2、14bl、14b2)、检测固定梳齿(15a、15b)形成电容器。
[0043]所述质量块支撑梁(3bl、3b2、3b3、3b4)采用折叠梁形式，一端与质量块Ib相接，另一端与质量块锚区(4bl、4b2、4b3、4b4)相接；且所述质量块支撑梁(3bl、3b2、3b3、3b4)的形变方向与谐振梁(12a、12b)振动方向相垂直。
[0044]为了更好的说明本发明，现给出本发明的一个具体实例。
[0045]结合图1，本发明基于分体式差分硅微谐振式加速度计，包括上层硅微机械结构和下层玻璃基座，上层硅微机械结构键合在下层玻璃基座上。其中上层硅微机械结构由四部分完全相同结构组成，且四部分结构完全分离，两两组成差分结构。左侧上下两部分关于硅结构层中心水平轴完全对称，形成差分结构，测量Y方向输入加速度；右侧上下两部分关于硅结构层的第一上层硅微机械子结构顺时针旋转180度后与第四上层硅微机械子结构关于上层硅微机械结构中心水平轴完全对称，形成差分结构，测量X方向输入加速度。每部分结构由质量块、一级杠杆放大机构、音叉谐振器、静电梳齿驱动器和梳齿电容检测器、支撑梁、锚区组成，下层玻璃基座上溅射有信号引线。硅结构包括四个质量块(la、lb、lc、ld)，四个谐振器子结构(2a、2b、2c、2d)，质量块支撑梁(3al、3a2、3a3、3a4 ;3bl、3b2、3b3、3b4 ；3cl、3c2、3c3、3c4 ;3dl、3d2，3d3、3d4)，质量块锚区(4al、4a2、4a3、4a4 ;4bl、4b2、4b3、4b4 ；4cl、4c2、4c3、4c4 ;4dl、4d2，4d3、4d4);四个质量块(IaUbUcUd)完全相同，其中质量块lb、lc 通过支撑梁(3bl、3b2、3b3、3b4 ;3cl、3c2、3c3、3c4)分别与质量块锚区(4bl、4b2、4b3、4b4 ;4cl、4c2、4c3、4c4)相连接，质量块 la、ld 通过支撑梁(3al、3a2、3a3、3a4 ;3dl、3d2，3d3、3d4)分别与质量块锚区(4al、4a2、4a3、4a4 ;4dl、4d2，4d3、4d4)相连接。支撑梁采用折叠梁形式，一端与质量块相接，另一端与锚区相接。横向放置的折叠梁形式的支撑梁可以限制质量块在X方向运动，但不影响其在加速度敏感方向Y方向的运动，减小了 X、Y方向的交叉耦合。竖向放置的折叠梁形式的支撑梁可以限制质量块在Y方向运动，但不影响其在加速度敏感方向X方向的运动，也能减小了 X、Y方向的交叉耦合。四个完全相同部分中，四个质量块(la、lb、lc、ld)完全分离，隔断了谐振器之间能量传递的通道，消除了两正交方向上的耦合以及测量同一方向加速度的两差分结构之间的耦合。
[0046]结合图1，硅结构层由四部分结构组成，就四分之一结构而言，质量块Ia通过支撑梁(3al、3a2、3a3、3a4)分别与质量块锚区(4al、4a2、4a3、4a4)相连接；谐振器2a分别与谐振器销区(20a、20b)相接；一级杠杆放大机构(5a、5b)分别通过支点梁(8a、8b)与杠杆销区(10a、10b)相接；从而使机械结构层悬置于玻璃基底的上方。
[0047]结合图1，四个谐振器子结构(2a、2b、2c、2d)分别位于质量块(la、lb、lc、Id)中。四个谐振器子结构(2a、2b、2c、2d)结构形式完全相同，仅按不同方向放置，其中2b、2c竖直放置，2a,2d水平放置，均包含两个一级杠杆放大机构和一个音叉谐振器。
[0048]四个谐振器结构子结构完全相同。结合图2，谐振器子结构2b包含有一级杠杆放大机构(5a、5b)；一级杠杆放大机构5a和一级杠杆放大机构5b关于娃结构层垂直轴对称放置，一级杠杆放大机构(5a、5b)的输入梁与上质量块Ia连接，输出梁与音叉谐振器连接块11相连。一级杠杆放大机构(5a、5b)包括输入梁(6a、6b)，杠杆臂(7a、7b)，支点梁(8a、8b)，输出梁(9a、9b)，和杠杆锚区(10a、10b)，其中，输入梁(6a,6b)位于杠杆臂(7a,7b)的外侧，支点梁(8a、8b)、输出梁(9a,9b)位于杠杆臂(7a,7b)的内侧，支点梁(8a,8b)在水平方向上处于输入梁(6a、6b)、输出梁(9a,9b)之间，支点梁(8a,8b)与杠杆锚区(1aUOb)相连，这样的结构形式更加满足加工条件的要求；输入梁(6a、6b)上端与质量块Ia相连接，下端连接杠杆臂(7a、7b)，支点梁(8a、8b)与杠杆锚区(10a、10b)相接，起支撑作用。输出梁(9a、9b)上端与杠杆臂7a、7b相连，下端与音叉谐振器连接块11相连。
[0049]结合图2，音叉谐振器结构包括谐振器锚区(20a、20b)，谐振器锚区连接梁(21a、21b)，谐振器端部22，第一连接块11、第二连接块19，驱动固定梳齿(14al、14a2、14bl、14b2)，驱动电极(13al、13a2、13bl、13b2)，检测固定梳齿(15a、15b)，检测电极(16a、16b)，可动梳齿(17a、17b)，梳齿架(18a、18b)，谐振梁(12a、12b)。
[0050]谐振梁(12a、12b)平行排列，两端通过第一连接块11，第二连接块19连接，第一连接块11另一端连接到对应的一级杠杆放大机构，第二连接块19另一端与谐振器端部13相接；谐振梁(12a、12b)上分别连有梳齿架(18a、18b);可动梳齿(17a、17b)分别附加在梳齿架(18a、18b)上，检测固定梳齿(15a、15b)分别附加在检测电极(16a、16b)上，驱动固定梳齿(14al、14a2、14bl、14b2)别附加在驱动电极(13al、13a2、13bl、13b2)上。梳齿架与谐振梁相连，其上附加的可动梳齿与固定梳齿形成多组电容器。当在驱动电极上施加交直流叠加的信号时，可动梳齿受到静电力作用，会带动谐振梁以固有频率振动。当有外加加速度时，通过质量块敏感加速度产生惯性力，并经杠杆机构放大，作用于谐振梁的轴向，谐振梁振动频率发生变化，可动梳齿和检测固定梳齿形成的电容器电容变化频率发生相应的变化，将此信号转化为电压的变化，通过检测电压的变化即可得到加速度的变化。
[0051]本发明工作原理:通过右侧上下质量块(la、ld)把X方向加速度载荷转换成惯性力，惯性力作用到一级杠杆放大机构的输入梁上，经过放大后作用到音叉谐振器上，两个谐振器一个受到拉力，另一个受到压力，谐振频率分别增大和减小，根据频差获得X方向加速度载荷的大小；通过左侧上下质量块(lb、lc)把Y方向加速度载荷转换成惯性力，惯性力作用到一级杠杆放大机构的输入梁上，经过放大后作用到音叉谐振器上，两个谐振器一个受到拉力，另一个受到压力，谐振频率分别增大和减小，根据频差获得Y方向加速度载荷的大小。
[0052]由上述可知，该加速度计由四部分完全分离的子结构组成，互不影响，两两形成差分结构，并且能够实现完全解耦。左侧上下两部分形成差分结构，测量Y方向输入加速度；右侧上下两部分形成差分结构，测量X方向输入加速度。整体结构通过质量块锚区、杠杆锚区和谐振器锚区悬置于玻璃基底的上部。
[0053]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，其特征在于:包括上层硅微机械结构和下层玻璃基座，上层硅微机械结构键合在下层玻璃基座上；其中下层玻璃基座上溅射有信号引线，而上层硅微机械结构包括四个上层硅微机械子结构，分别为第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构，第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构按逆时针方向依次排列，并键合在下层玻璃基座上；其中，第一、第四上层硅微机械子结构形成的差分结构构成第一组加速度测量模块，第二、第三上层硅微机械子结构形成的差分结构构成第二组加速度测量模块，且所述第一组加速度测量模块测量的加速度与第二组加速度测量模块测量的加速度相互垂直。
2.根据权利要求1所述的双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，其特征在于:第二上层硅微机械子结构与第三上层硅微机械子结构关于上层硅微机械结构中心水平轴完全对称；而第一上层硅微机械子结构顺时针旋转180度后与第四上层硅微机械子结构关于上层娃微机械结构中心水平轴完全对称。
3.根据权利要求2所述的双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，其特征在于:所述上层硅微机械子结构包括质量块、质量块锚区、质量块支撑梁、以及谐振器子结构；所述质量块通过质量块支撑梁与质量块锚区相连接，所述谐振器子结构设置于质量块中部。
4.根据权利要求3所述的双轴分体式差分硅微谐振式加速度计上层硅微机械子结构，其特征在于:所述质量块为中空的十字形块状结构，所述质量块锚区、质量块支撑梁的个数分别为4个，所述质量块锚区分别设置于质量块的四个顶角位置，且通过质量块支撑梁使质量块锚区与质量块相互连接，且所述质量块支撑梁分为两组，其中一组质量块支撑梁安装在质量块的一侧，而另一组安装在质量块的另一侧，且该两组质量块支撑梁关于质量块水平中心轴对称。
5.根据权利要求4所述的双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，其特征在于:所述谐振器子结构包括两个一级杠杆放大机构和一个音叉谐振器； 所述一级杠杆放大机构包括输入梁、杠杆臂、支点梁、输出梁和杠杆锚区，其中，支点梁和输出梁分别设置在杠杆臂的同一端，而杠杆臂的另一端设置输入梁，且所述输入梁与输出梁分别位于杠杆臂的两侧，同时所述支点梁处于输入梁与输出梁之间，所述支点梁与杠杆锚区相连；两个一级杠杆放大机构分别通过输入梁与质量块连接，两个一级杠杆放大机构位于同一条直线上且两个一级杠杆放大机构对称设置，而输出梁与音叉谐振器的第一连接块相连； 所述音叉谐振器包括谐振器锚区、谐振器锚区连接梁、谐振器端部、谐振器第一连接块、谐振器第二连接块、驱动固定梳齿、驱动电极、检测固定梳齿、检测电极、可动梳齿、梳齿架以及两根谐振梁；两根谐振梁平行排列，且两根谐振梁的一端连接到第一连接块的一端，而第一连接块的另一端连接到两个一级杠杆放大机构的输出梁上，同时两根谐振梁的另一端连接到第二连接块的一端，而第二连接块的另一端与谐振器端部相接；所述两个谐振梁的外侧均设置有梳齿架，而可动梳齿分别附加在梳齿架上，检测固定梳齿分别附加在检测电极上，驱动固定梳齿别附加在驱动电极上，且可动梳齿分别与驱动固定梳齿、检测固定梳齿形成电容器。
6.根据权利要求5所述的双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，其特征在于:所述支撑梁采用折叠梁形式，一端与质量块相接，另一端与质量块锚区相接；且所述支撑梁的形变方向与谐振梁振动方向相垂直。
【文档编号】G01C19/5621GK104501792SQ201410789858
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】黄丽斌, 高阳, 郭海鹏, 李晴云, 李宏生 申请人:东南大学