一种扭转差动式石英谐振加速度传感器芯片的制作方法

本发明属于谐振式加速度传感器技术领域，具体涉及一种扭转差动式石英谐振加速度传感器芯片。

背景技术：

目前常用的采用微机电系统加工的传感器主要分为压阻式和电容式。压阻式传感器通过具有压阻效应的电阻和具有一定结构的梁-质量块来感应加速度，电容式加速度传感器则是通过改变电容极板的面积或者距离来感应加速度。以上两种常用的加速度传感器输出的均是模拟信号，后处理电路复杂，灵敏度低，存在模数转换误差，而且不能直接与高精度的数字系统相结合。相比于压阻式和电容式的加速度传感器，谐振式加速度传感器其输出信号是频率信号，具有精度高和抗干扰能力强的优点。目前也有少量的谐振式硅微加速度传感器，虽然此类传感器输出的是数字信号，由于采用硅进行加工，振频率低、灵敏度差、品质因数Q值低。一部分加速度计也采用了差动的结构，由于结构的复杂性，导致加工工艺繁琐，加工难度大。总之，现有的加速度计普遍存在模拟输出，灵敏度低，加工复杂的问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有加速度计的缺点，本发明的目的在于提供一种扭转差动式石英谐振加速度传感器芯片，具有数字信号输出、分辨率高和抗干扰性能优良的优点，体积小，重量轻。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种扭转差动式石英谐振加速度传感器芯片，包括外围的硅基支撑框架1,硅基支撑框架1与其内部的质量块2通过支撑转轴5连接，在质量块2上靠近中轴线部位，开有一对完全贯通的第一空槽4和第二空槽8，第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9安装在第一空槽4和第二空槽8内，第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9的一端固定在硅基支撑框架1上的第一安装槽6内，第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9的另一端固定在质量块2上的第二安装槽7内，第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9关于支撑转轴5对称安装，第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9的谐振梁10表面四周设置有电极，通电之后能够按照预定模态振动。

所述的第一空槽4和第二空槽8关于支撑转轴5对称，宽度为500微米以上。

所述的质量块2与硅基支撑框架1之间有200-300微米的运动间隙。

所述的支撑转轴5长度为200-300微米，宽度为180-200微米。

所述的第一安装槽6和第二安装槽7的深度为250-300微米，靠近中轴线。

所述的支撑转轴5和质量块2以及硅基支撑框架1的中轴线重合。

所述的第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9处于硅基支撑框架1的对角线的一侧，平行并列安装，第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9的振动模态相同。

所述的第一双端石英音叉3或第二双端石英音叉9的两根谐振梁10的振动模态相反。

所述的硅基支撑框架1、质量块2、支撑转轴5、第一安装槽6、第二安装槽7、第一空槽4和第二空槽8通过体硅工艺加工得到。

本发明的有益效果为：

第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9存在逆压电效应，当电极两面有电荷交替变化时，第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9就会出现振动，其固有振动频率受双端石英音叉结构形状的影响。当加速度作用于芯片时，支撑转轴5支撑的质量块2在惯性力作用下扭转微小的角度,第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9发生微弱的变形，这种变形导致这对石英音叉一个受拉，一个受压，构成差动形式。受力会导致石英音叉的内应力变化，应力的变化致使谐振频率发生改变，改变的大小与加速度成正比，将第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9的谐振频率相减，得到差动频率变化值，通过检测差动的频率变化值就能够得到加速度的大小。差动的结构形式能够减小非敏感方向的输入信号对输出结果的影响，提高加速度计的抗干扰能力。本发明采用双端石英音叉作为敏感材料，基底支撑为硅，具有体积小，重量小，数字信号输出、分辨率高和抗干扰性能优良等优点。

附图说明

图1为本发明的硅基结构示意图。

图2为本发明的传感器结构示意图。

图3为图2的A-A截面示意图。

图4为第一双端石英音叉3的振动模态。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构与工作原理详细说明。

参见图1和图2，一种扭转差动式石英谐振加速度传感器芯片，包括外围的硅基支撑框架1,硅基支撑框架1与其内部的质量块2通过支撑转轴5连接，在质量块2上靠近中轴线部位，开有一对完全贯通的第一空槽4和第二空槽8，第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9安装在第一空槽4和第二空槽8内，第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9的一端通过有机胶固定在硅基支撑框架1上的第一安装槽6内，第一双端石英音叉3、第二双端石英音叉9的另一端固定在质量块2上的第二安装槽7内，第一双端石英音叉3、第二双端石英音叉9关于支撑转轴5对称安装，第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9的谐振梁表面四周设置有电极，通电之后能够按照预定模态振动，传感器芯片通过质量块2感应到加速度的输入，然后通过第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9的差动变化频率，由频率检测电路把加速度转换为电信号，完成对加速度的感应与测量。

所述的第一空槽4和第二空槽8关于支撑转轴5对称，宽度为500微米以上。

所述的质量块2与硅基支撑框架1之间有200微米的运动间隙，当有加速度作用于芯片时，根据牛顿第二定律，质量块2在惯性力的作用下要产生一定的扭转，第一双端石英音叉3与第二双端石英音叉9发生微弱的变形，这种变形导致这对石英音叉一个受拉，一个受压，构成差动形式。

所述的支撑转轴5长度为200-300微米左右，宽度为200微米左右。

参见图3，第一安装槽6和第二安装槽7的深度比硅基支撑框架1和质量块2的平面深250-300微米，靠近中轴线，这样可以保证第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9处于硅片厚度的中间位置，使第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9的振动频率更客观的反应加速度的大小。

所述的支撑转轴5和质量块2以及硅基支撑框架1的中轴线重合。

所述的第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9处于硅基支撑框架1的对角线的一侧，平行并列安装，第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9的振动模态相同。

参见图4，所述的第一双端石英音叉3或第二双端石英音叉9的两根谐振梁10的振动模态相反，在固定端能够将内力相互抵消，不会对质量块2产生额外影响。

所述的硅基支撑框架1、质量块2、支撑转轴5、第一安装槽6、第二安装槽7、第一空槽4和第二空槽8通过体硅工艺加工得到。本发明的工作原理是：加速度作用于传感器芯片时，质量块2作为传感器加速度的敏感质量块，根据牛顿第二定律，当加速度作用于内部质量块2时，由于惯性力的作用，内部质量块2在支撑转轴5支撑下会产生一定的扭转，进而使第一双端石英音叉3和第二双端石英音叉9发生形变，该形变导致石英梁的谐振频率发生变化，这一变化通过频率检测电路转化为频率信号输出，从而实现传感器芯片的加速度-频率信号转换，完成对加速度的数字化测量。