專利名稱：一種諧振式微機械加速度計的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種諧振式微機械加速度計，屬于微機電系統MEMS中的微機械傳感器領域，它作為微慣性器件廣泛應用于汽車電子、航空航天、武器裝備等領域。
背景技術：
MEMS正處于發展時期，它的技術和市場都尚未成熟，但其孕育的廣闊發展前景和巨大的社會、經濟效益是世人共知的，微機械加速度計是其中最成功的代表。微機械加速度計的研究始于20世紀70年代初，現有壓阻式、電容式、壓電式、力平衡式、熱對流式、諧振式和隧道電流式等多種形式。與諸多形式相比，諧振式微機械加速度計輸出的是頻率信號，這種準數字信號具有很高的抗干擾能力和穩定性，傳輸中不易出現失真，信號不需要經過A/D轉換，直接與數字處理器相連。諧振式微機械加速度計是一種高精度的加速度計，有良好的發展前景。諧振式微機械加速度計在國外已有小批量的產品出現，還在繼續發展中，在國內還處于實驗室樣機階段，距產業化還有一定的距離。現有的諧振式微機械加速度計由諧振梁和敏感質量塊組成，加速度經敏感質量塊轉化為慣性力，慣性力作用在諧振梁的軸向，使諧振梁的諧振頻率發生變化，通過測量諧振頻率推算出被測加速度。目前的諧振式微機械加速度計產品多為中精度的，靈敏度、分辨率還不能達到慣性級的要求，嚴重地制約其應用范圍，提高加速度計性能就是要實現高靈敏度、低噪聲、低漂移和大的動態范圍。微機械加速度計性能主要受加工工藝、信號檢測電路、結構等因素的影響，本發明提出一種新穎結構的諧振式微機械加速度計，其易于實現高精度的加速度測量。
發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種高靈敏度的諧振式微機械加速度計，以解決現有微機械加速度計靈敏度、分辨率不夠高的問題。
本發明的技術方案一種高靈敏度的諧振式微機械加速度計，其特征在于包括基片、質量塊、懸臂梁、兩個對稱的杠桿放大機構、兩個對稱的音叉、驅動電極、檢測電極、齒樞；質量塊處于結構的四周，呈“回”字型，質量塊的中間為懸臂梁，懸臂梁的兩端與質量塊固連，懸臂梁的中間通過錨點與基片固連；以軸對稱布置有兩個諧振梁，每個諧振梁采用雙端固定音叉的形式，音叉的兩端均通過細頸結構分別與錨點和杠桿機構連接，在每個音叉的中間兩側有齒樞，齒樞兩側的梳齒構成驅動電極和檢測電極。
此外，質量塊外圍對稱設計有兩個止擋，可有效地實現過載保護，防止在較強的沖擊下彈性支撐結構斷裂。
本發明與現有技術相比的優點在于本發明的質量塊采用“回”字型設計，這使元件能夠在有限體積下實現較大的質量塊，使加速度高效轉化為慣性力；諧振梁采用雙端固定音叉的形式，并且音叉兩端通過細頸結構與錨點和杠桿機構固連，有效地減小音叉和外圍結構的能量耦合；對稱布置的兩個音叉的結構參數一致性好，有效地實現諧振頻率的差動輸出；梳齒偏置式的靜電驅動、電容檢測結構可實現較高的驅動強度和檢測靈敏度，同時具有很好的工藝性。
總之，本發明的結構形式提高了加速度計的靈敏度、分辨率，易于實現高精度的測量。
圖1為本發明的平面結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明包括基片1、質量塊2、懸臂梁21、兩個對稱的杠桿放大機構13、23、兩個對稱的音叉17、27、驅動電極、檢測電極、齒樞18、28，整個結構為軸對稱圖形。質量塊2呈“回”字型，質量塊2中間是懸臂梁21、兩個杠桿放大機構13、23、兩個音叉17、27和齒樞18、28、驅動電極、檢測電極。質量塊2外圍是兩個止擋12、22。“回”字型的質量塊2設計使在元件能夠有限體積下實現較大的質量塊，使加速度高效轉化為慣性力。杠桿機構13由三級放大桿件組成，杠桿機構13上的錨點11、14、15、20通過鍵合與基片連接，杠桿機構13一端與質量塊2連接，另一端與細頸結構16連接，杠桿機構23與杠桿機構13同理。諧振梁采用雙端固定音叉17、27的形式，音叉17的兩端通過寬度為4μm的細頸結構16、19與杠桿機構13和錨點24固連，音叉27與音叉17同理，這種諧振梁的結構有效減小音叉17、27與外圍結構的能量耦合。對稱布置的兩個音叉17、27的結構參數一致性好，可以有效地實現諧振頻率的差動輸出。懸臂梁21中間通過錨點24與基片1連接，懸臂梁21的兩端與質量塊2固連。音叉17、27兩側的梳齒式驅動電極、檢測電極實現靜電驅動和電容檢測。在質量塊外圍對稱布置的止擋12、22可有效地實現過載保護，防止在較強的沖擊下彈性支撐結構斷裂。
本發明工作過程本發明通過敏感質量將加速度轉化為慣性力，慣性力作用于諧振梁軸向，引起諧振梁的諧振頻率變化，由測得的諧振頻率推算出被測加速度。如圖1，當有垂直方向加速度輸入時，質量塊2產生的慣性力使懸臂梁21發生垂直方向變形，慣性力經杠桿機構13和23放大，施加在音叉17、27的軸向，使音叉17、27一個承受拉應力、一個承受壓應力，受拉應力的音叉的諧振頻率增大，受壓應力作用的音叉的諧振頻率減小，檢測兩個諧振頻率之差作為輸出，利用音叉17、27中間兩側的梳齒結構電極實現差動的靜電驅動和電容拾振，由測得的諧振頻率解算出被測加速度。
綜上所述，本發明提出了一種新穎結構形式的諧振式微機械加速度計，它體積小、重量輕，可實現高靈敏度、高分辨率的加速度測量，開拓了這類加速度計在高精度領域的應用。
權利要求
1.一種諧振式微機械加速度計，其特征在于包括基片、質量塊、懸臂梁、兩個對稱的杠桿放大機構、兩個對稱的音叉、驅動電極、檢測電極，質量塊處于結構的四周，呈“回”字型，質量塊的中間為懸臂梁，懸臂梁的兩端與質量塊固連，懸臂梁的中間通過錨點與基片固連；以軸對稱布置有兩個諧振梁，每個諧振梁采用雙端固定音叉的形式，音叉的兩端通過細頸結構分別與錨點和杠桿機構固連，在每個音叉的兩側有齒樞，齒樞兩側的梳齒構成驅動電極和檢測電極。
2.根據權利要求1所述的一種諧振式微機械加速度計，其特征在于所述的杠桿機構由三級放大桿件組成，杠桿機構通過四個錨點與基片鍵合連接，杠桿機構的一端與質量塊連接，另一端與音叉的細頸結構連接。
3.根據權利要求1所述的一種諧振式微機械加速度計，其特征在于所述的質量塊外圍對稱設計有止擋。
4.根據權利要求1所述的一種諧振式微機械加速度計，其特征在于所述兩個對稱的音叉結構參數相同。
全文摘要
一種諧振式微機械加速度計，包括基片、質量塊、懸臂梁、杠桿放大機構、音叉、驅動電極、檢測電極、齒樞和止擋。結構為軸對稱圖形，質量塊呈“回”字型，質量塊中間是杠桿放大機構、音叉、齒樞、懸臂梁和驅動電極、檢測電極，質量塊外圍是止擋。發明中的“回”字型質量塊設計能夠使元件在有限體積下實現較大的質量塊；諧振梁采用雙端固定音叉的形式，并且兩端通過細頸結構與外圍連接，有效減小諧振梁和外圍結構的能量耦合；以對稱布置的兩個音叉實現諧振頻率的差動輸出。本發明的結構形式提高了加速度計的靈敏度、分辨率，易于實現高精度的測量。
文檔編號G01P15/097GK1844931SQ20061001195
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月23日 優先權日2006年5月23日
發明者樊尚春, 任杰 申請人:北京航空航天大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
