专利名称：一种谐振式微机械加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种谐振式微机械加速度计，属于微机电系统MEMS中的微机械传感器领域，它作为微惯性器件广泛应用于汽车电子、航空航天、武器装备等领域。
背景技术：
MEMS正处于发展时期，它的技术和市场都尚未成熟，但其孕育的广阔发展前景和巨大的社会、经济效益是世人共知的，微机械加速度计是其中最成功的代表。微机械加速度计的研究始于20世纪70年代初，现有压阻式、电容式、压电式、力平衡式、热对流式、谐振式和隧道电流式等多种形式。与诸多形式相比，谐振式微机械加速度计输出的是频率信号，这种准数字信号具有很高的抗干扰能力和稳定性，传输中不易出现失真，信号不需要经过A/D转换，直接与数字处理器相连。谐振式微机械加速度计是一种高精度的加速度计，有良好的发展前景。谐振式微机械加速度计在国外已有小批量的产品出现，还在继续发展中，在国内还处于实验室样机阶段，距产业化还有一定的距离。现有的谐振式微机械加速度计由谐振梁和敏感质量块组成，加速度经敏感质量块转化为惯性力，惯性力作用在谐振梁的轴向，使谐振梁的谐振频率发生变化，通过测量谐振频率推算出被测加速度。目前的谐振式微机械加速度计产品多为中精度的，灵敏度、分辨率还不能达到惯性级的要求，严重地制约其应用范围，提高加速度计性能就是要实现高灵敏度、低噪声、低漂移和大的动态范围。微机械加速度计性能主要受加工工艺、信号检测电路、结构等因素的影响，本发明提出一种新颖结构的谐振式微机械加速度计，其易于实现高精度的加速度测量。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度的谐振式微机械加速度计，以解决现有微机械加速度计灵敏度、分辨率不够高的问题。
本发明的技术方案一种高灵敏度的谐振式微机械加速度计，其特征在于包括基片、质量块、悬臂梁、两个对称的杠杆放大机构、两个对称的音叉、驱动电极、检测电极、齿枢；质量块处于结构的四周，呈“回”字型，质量块的中间为悬臂梁，悬臂梁的两端与质量块固连，悬臂梁的中间通过锚点与基片固连；以轴对称布置有两个谐振梁，每个谐振梁采用双端固定音叉的形式，音叉的两端均通过细颈结构分别与锚点和杠杆机构连接，在每个音叉的中间两侧有齿枢，齿枢两侧的梳齿构成驱动电极和检测电极。
此外，质量块外围对称设计有两个止挡，可有效地实现过载保护，防止在较强的冲击下弹性支撑结构断裂。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明的质量块采用“回”字型设计，这使元件能够在有限体积下实现较大的质量块，使加速度高效转化为惯性力；谐振梁采用双端固定音叉的形式，并且音叉两端通过细颈结构与锚点和杠杆机构固连，有效地减小音叉和外围结构的能量耦合；对称布置的两个音叉的结构参数一致性好，有效地实现谐振频率的差动输出；梳齿偏置式的静电驱动、电容检测结构可实现较高的驱动强度和检测灵敏度，同时具有很好的工艺性。
总之，本发明的结构形式提高了加速度计的灵敏度、分辨率，易于实现高精度的测量。
图1为本发明的平面结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括基片1、质量块2、悬臂梁21、两个对称的杠杆放大机构13、23、两个对称的音叉17、27、驱动电极、检测电极、齿枢18、28，整个结构为轴对称图形。质量块2呈“回”字型，质量块2中间是悬臂梁21、两个杠杆放大机构13、23、两个音叉17、27和齿枢18、28、驱动电极、检测电极。质量块2外围是两个止挡12、22。“回”字型的质量块2设计使在元件能够有限体积下实现较大的质量块，使加速度高效转化为惯性力。杠杆机构13由三级放大杆件组成，杠杆机构13上的锚点11、14、15、20通过键合与基片连接，杠杆机构13一端与质量块2连接，另一端与细颈结构16连接，杠杆机构23与杠杆机构13同理。谐振梁采用双端固定音叉17、27的形式，音叉17的两端通过宽度为4μm的细颈结构16、19与杠杆机构13和锚点24固连，音叉27与音叉17同理，这种谐振梁的结构有效减小音叉17、27与外围结构的能量耦合。对称布置的两个音叉17、27的结构参数一致性好，可以有效地实现谐振频率的差动输出。悬臂梁21中间通过锚点24与基片1连接，悬臂梁21的两端与质量块2固连。音叉17、27两侧的梳齿式驱动电极、检测电极实现静电驱动和电容检测。在质量块外围对称布置的止挡12、22可有效地实现过载保护，防止在较强的冲击下弹性支撑结构断裂。
本发明工作过程本发明通过敏感质量将加速度转化为惯性力，惯性力作用于谐振梁轴向，引起谐振梁的谐振频率变化，由测得的谐振频率推算出被测加速度。如图1，当有垂直方向加速度输入时，质量块2产生的惯性力使悬臂梁21发生垂直方向变形，惯性力经杠杆机构13和23放大，施加在音叉17、27的轴向，使音叉17、27一个承受拉应力、一个承受压应力，受拉应力的音叉的谐振频率增大，受压应力作用的音叉的谐振频率减小，检测两个谐振频率之差作为输出，利用音叉17、27中间两侧的梳齿结构电极实现差动的静电驱动和电容拾振，由测得的谐振频率解算出被测加速度。
综上所述，本发明提出了一种新颖结构形式的谐振式微机械加速度计，它体积小、重量轻，可实现高灵敏度、高分辨率的加速度测量，开拓了这类加速度计在高精度领域的应用。
权利要求
1.一种谐振式微机械加速度计，其特征在于包括基片、质量块、悬臂梁、两个对称的杠杆放大机构、两个对称的音叉、驱动电极、检测电极，质量块处于结构的四周，呈“回”字型，质量块的中间为悬臂梁，悬臂梁的两端与质量块固连，悬臂梁的中间通过锚点与基片固连；以轴对称布置有两个谐振梁，每个谐振梁采用双端固定音叉的形式，音叉的两端通过细颈结构分别与锚点和杠杆机构固连，在每个音叉的两侧有齿枢，齿枢两侧的梳齿构成驱动电极和检测电极。
2.根据权利要求1所述的一种谐振式微机械加速度计，其特征在于所述的杠杆机构由三级放大杆件组成，杠杆机构通过四个锚点与基片键合连接，杠杆机构的一端与质量块连接，另一端与音叉的细颈结构连接。
3.根据权利要求1所述的一种谐振式微机械加速度计，其特征在于所述的质量块外围对称设计有止挡。
4.根据权利要求1所述的一种谐振式微机械加速度计，其特征在于所述两个对称的音叉结构参数相同。
全文摘要
一种谐振式微机械加速度计，包括基片、质量块、悬臂梁、杠杆放大机构、音叉、驱动电极、检测电极、齿枢和止挡。结构为轴对称图形，质量块呈“回”字型，质量块中间是杠杆放大机构、音叉、齿枢、悬臂梁和驱动电极、检测电极，质量块外围是止挡。发明中的“回”字型质量块设计能够使元件在有限体积下实现较大的质量块；谐振梁采用双端固定音叉的形式，并且两端通过细颈结构与外围连接，有效减小谐振梁和外围结构的能量耦合；以对称布置的两个音叉实现谐振频率的差动输出。本发明的结构形式提高了加速度计的灵敏度、分辨率，易于实现高精度的测量。
文档编号G01P15/097GK1844931SQ20061001195
公开日2006年10月11日 申请日期2006年5月23日 优先权日2006年5月23日
发明者樊尚春, 任杰 申请人:北京航空航天大学