一種諧振式微加速度計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的一種諧振式微加速度計(jì)，包括基底層和結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)層包括音叉諧振單元、連接塊、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極、慣性單元和耦合電容。音叉諧振單元包括音叉振梁和振梁電極，音叉振梁懸空，一端通過錨點(diǎn)與基底固定連接，另一端為自由端，振梁電極與音叉振梁固定連接。慣性單元懸空并與連接塊之間通過耦合電容耦合，耦合電容用于將慣性塊所受的慣性力耦合到連接塊上。有益效果在于對(duì)振梁上的殘余應(yīng)力進(jìn)行了釋放，避免了翹曲與扭曲變形；并且在振梁工作過程中，始終受到靜電力作用下的軸向拉力，不存在拉、壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化，避免了殘余應(yīng)力的影響；同時(shí)輸入慣性力通過耦合電容加載到音叉振梁上，傳遞過程中無其它機(jī)械結(jié)構(gòu)變形，保證了能量傳遞精度。
【專利說明】一種諧振式微加速度計(jì)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微機(jī)械(MEMS)傳感器的【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及MEMS微加速度檢測(cè)器件，特別涉及一種諧振式微加速度計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]微加速度計(jì)是MEMS器件中應(yīng)用最為廣泛的傳感器之一，在導(dǎo)航、醫(yī)療、電子、監(jiān)測(cè)、汽車等軍民用領(lǐng)域具有巨大前景，是目前科研院所、高校與企業(yè)的重點(diǎn)研發(fā)產(chǎn)品，尤其是高精度的加速度計(jì)研制成為搶占MEMS制高點(diǎn)的首選對(duì)象。諧振式微加速度計(jì)作為首選對(duì)象中的一員，具有許多其類型加速度計(jì)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。此種類型的微加速度計(jì)通過震動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率來反應(yīng)外界加速度，器件的輸出信號(hào)為頻率。由于其具有數(shù)字信號(hào)特征，易于與數(shù)字電路結(jié)合，因此更容易實(shí)現(xiàn)微慣性器件的高穩(wěn)定性與高精度性能。
[0003]如上所述的通過頻率來敏感器件加速度的方式可分為軸向應(yīng)力式、截面慣性矩式和靜電剛度式三種類型。該三種類型的加速度敏感方式在發(fā)明人的《諧振式微加速度計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀》(周吳，何曉平，蘇偉，李柏林.四川省電子學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文匯編，四川綿陽，2007.6.28)文獻(xiàn)中具有詳細(xì)論述；此外，還有南理工大學(xué)裘安萍等、南京信息工程大學(xué)劉恒等以及東南大學(xué)楊波等對(duì)現(xiàn)有諧振式加速度計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)或研制了新穎的檢測(cè)結(jié)構(gòu)；這些研究成果對(duì)微加速度計(jì)的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。然而殘余應(yīng)力與加工誤差仍是阻礙當(dāng)前諧振式微加速度計(jì)發(fā)展的主要因素，因?yàn)殡p端固定的諧振梁與雙鉸鏈微扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)都涉及到應(yīng)力敏感機(jī)制，當(dāng)正負(fù)慣性力交替時(shí)，器件輸出受殘余應(yīng)力影響較大，因此此種類型的傳感器件對(duì)工藝要求極高，不利于精度的大幅度提高。
[0004]目前對(duì)諧振式微加速度計(jì)的研究大多數(shù)基于軸向力敏感機(jī)制，原因在于諧振器所使用的音叉梁具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于驅(qū)動(dòng)以及模態(tài)易于控制等優(yōu)點(diǎn)，且在采用廣泛應(yīng)用的靜電驅(qū)動(dòng)與電容檢測(cè)時(shí)，電極的設(shè)計(jì)與加工具有較高的靈活性，驅(qū)動(dòng)力與檢測(cè)電容可以通過調(diào)整電極對(duì)數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)慣性力通過軸向應(yīng)力的形式加載到振動(dòng)梁上時(shí)，頻率的變化量與輸入應(yīng)力具有良好的線性關(guān)系，其靈敏度可通過減小梁截面尺寸與增加力放大杠桿進(jìn)行改進(jìn)。但是，上述兩種改進(jìn)方法也具有一定的不足之處:當(dāng)梁的截面尺寸減小后，梁的固有頻率將降低，量程下降，且細(xì)梁的工藝誤差依賴性大，振型不易控制；當(dāng)利用杠桿進(jìn)行力放大時(shí)，杠桿的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)具有相當(dāng)大的難度，大大提高了制造成本，同時(shí)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的軸向力敏感機(jī)制的諧振式微加速度計(jì)對(duì)工藝依賴性大、振型不易控制且制造成本高等一系列問題，提出了一種諧振式微加速度計(jì)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種諧振式微加速度計(jì)，包括基底層和結(jié)構(gòu)層，其特征在于，結(jié)構(gòu)層包括音叉諧振單元、連接塊、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極、慣性單元和耦合電容，所述音叉諧振單元包括音叉振梁和振梁電極，音叉振梁懸空，一端通過錨點(diǎn)與基底固定連接，另一端為自由端，振梁電極與音叉振梁固定連接；連接塊包括連接塊電極，所述連接塊懸空并與音叉振梁的自由端固定連接；驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極與振梁電極耦合連接，二者根據(jù)音叉振梁震動(dòng)中的位置分別與振梁電極耦合；慣性單元懸空并與連接塊之間通過耦合電容耦合，耦合電容用于將慣性塊所受的慣性力耦合到連接塊上。
[0007]進(jìn)一步的，連接塊通過兩個(gè)支撐梁支撐懸空，支撐梁通過錨點(diǎn)錨固到基底上。
[0008]進(jìn)一步的，所述耦合電容為平行板電容器。
[0009]進(jìn)一步的，為了使慣性單元與連接塊之間力的傳遞更均勻，所述耦合電容為多組梳齒狀平行板電容器，并優(yōu)選為四組。
[0010]進(jìn)一步的，所述慣性單元包括慣性塊和折疊梁，所述慣性塊由多個(gè)折疊梁支撐懸空，折疊梁由錨點(diǎn)固定連接到基底上。
[0011]進(jìn)一步的，所述折疊梁為多折疊梁，優(yōu)選為三折疊梁。
[0012]進(jìn)一步的，為了保證電極的可靠性，所述驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極和振梁電極的電極板為梳齒狀電極板。
[0013]進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)電極和振梁電極分別與靜電電源相連接。
[0014]本發(fā)明的有益效果:1、本發(fā)明采用的音叉振梁一端固定，一端由彈性的支撐梁支撐，對(duì)振梁上的殘余應(yīng)力進(jìn)行了釋放，避免了翹曲與扭曲變形；2、在振梁工作過程中，始終受到靜電力作用下的軸向拉力，不存在拉、壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化，避免了殘余應(yīng)力的影響；3、輸入慣性力通過耦合電容加載到音叉振梁上，傳遞過程中無其它機(jī)械結(jié)構(gòu)變形，減少了能量損失，提高了力轉(zhuǎn)換效率，保證了能量傳遞精度；4、本振梁的振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)換電容器的力傳遞倍數(shù)受到慣性塊與音叉振梁間的電壓影響，因此可以通過調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)頻率、靈敏度及量程的調(diào)節(jié)，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性；5、所述加速度計(jì)的殘余應(yīng)力與工藝誤差依賴性小，靈敏度可調(diào)節(jié)，且制造難度低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的諧振式微加速度計(jì)剖視圖；
[0016]圖2為本諧振式微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)層示意圖；
[0017]圖3為圖2所示的結(jié)構(gòu)層中音叉諧振單元及連接塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為圖2所示的結(jié)構(gòu)層中慣性單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖5為f禹合電各f禹合關(guān)系不意圖；
[0020]圖6、圖7分別為左右折疊梁結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中標(biāo)號(hào)說明:基底層1，錨點(diǎn)2，結(jié)構(gòu)層3，音叉諧振器31，音叉振梁311，錨點(diǎn)312，振梁電極313，連接塊32，連接塊電極321，支撐梁322，錨點(diǎn)323，驅(qū)動(dòng)電極33，檢測(cè)電極34，慣性單元35，慣性塊351，折疊梁352，錨點(diǎn)353，電極4，耦合電容5，電容極板51，電容極板52。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合本發(fā)明的諧振式微加速度計(jì)的實(shí)施例及其附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
[0023]如圖1、圖2及圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種諧振式微加速度計(jì)，包括基底層I和結(jié)構(gòu)層3，基底層可以采用玻璃基底，結(jié)構(gòu)層設(shè)置功能單元，結(jié)構(gòu)層和基底層通過錨點(diǎn)2相連接，在基底層上還設(shè)置有電極4。為了實(shí)現(xiàn)加速度傳感功能，在結(jié)構(gòu)層3上設(shè)置有音叉諧振單元31、連接塊32、驅(qū)動(dòng)電極33、檢測(cè)電極34、慣性單元35和耦合電容5。音叉諧振單元31具體包括音叉振梁311和振梁電極313，音叉振梁懸空，一端通過錨點(diǎn)312與基底I固定連接，另一端為自由端，振梁電極與音叉振梁固定連接。音叉諧振單元的作用在于通過一定的驅(qū)動(dòng)力以一定頻率諧振，當(dāng)裝置處于加速度非零的環(huán)境中時(shí)諧振器以頻率響應(yīng)所受慣性力的大小進(jìn)而反應(yīng)加速度大小。其工作原理如下:音叉振梁由兩根平行的矩形截面梁組成，振梁的中部有沿垂直于軸線方向向外伸展的梳齒狀電極，稱作振梁電極。同時(shí)還存在一組與振梁電極耦合的驅(qū)動(dòng)電極。當(dāng)振梁電極和驅(qū)動(dòng)電極同時(shí)連接靜電電源時(shí)，驅(qū)動(dòng)電極與振梁電極由于靜電力而產(chǎn)生相互，驅(qū)使與振梁電極固定連接的音叉振梁軸向震動(dòng)。為了使音叉振梁的振動(dòng)穩(wěn)定持續(xù)，上述連接塊32的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如連接塊電極321，所述連接塊電極321懸空并與音叉振梁的自由端固定連接；上述檢測(cè)電極34與振梁電極耦合連接，其中檢測(cè)電極34根據(jù)音叉振梁的震動(dòng)頻率輸出相應(yīng)的頻率信號(hào)，其原理在于在音叉振梁的振動(dòng)路徑上某一位置與振梁電極耦合；慣性單元35懸空并與連接塊電極321之間通過耦合電容5耦合，耦合電容用于將慣性塊所受的慣性力耦合到連接塊電極上。
[0024]具體的，上述連接塊通過兩個(gè)支撐梁支撐而懸空，支撐梁通過錨點(diǎn)錨固到基底層上。所述耦合電容為平行板電容器。如圖3、圖4及圖5所示，其電容極板51和52分別固定連接到連接塊321和慣性塊351上。所述耦合電容的電極板在工作過程中具有靜電并通過靜電力耦合。上述慣性單元為本裝置的加速度(慣性力)敏感單元，通過設(shè)置，當(dāng)裝置處于慣性力非零的環(huán)境中時(shí)，慣性單元的慣性塊由于慣性力會(huì)發(fā)生位移。所述的慣性塊的位移會(huì)通過耦合電容之間的靜電力作用到音叉諧振單元上，進(jìn)而影響到音叉諧振單元的頻率。為了使慣性單元與連接塊之間力的傳遞更均勻，所述耦合電容為多組梳齒狀平行板電容器，并優(yōu)選為四組。
[0025]慣性單元可以通過多種方式懸空以敏感慣性力，但是作為一種成熟簡(jiǎn)單的工藝方式，本實(shí)施例提供的慣性單元的優(yōu)選懸空結(jié)構(gòu)為:慣性單元35包括慣性塊351和折疊梁352，所述慣性塊由多個(gè)折疊梁支撐懸空，折疊梁由錨點(diǎn)固定連接到基底上。其中，所述折疊梁為多折疊梁，優(yōu)選為三折疊梁，即三級(jí)懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖6和圖7所示。進(jìn)一步的，為了保證電極的可靠性，所述驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極和振梁電極的電極板為梳齒狀電極板。驅(qū)動(dòng)電極、振梁電極以及耦合電容的優(yōu)選驅(qū)動(dòng)方式均為靜電力驅(qū)動(dòng)，通過與靜電電源相連接實(shí)現(xiàn)。
[0026]驅(qū)動(dòng)電極、振梁電極以及檢測(cè)電極的具體布局如圖2所示，振梁電極兩側(cè)分別布局了三組梳齒電極組成驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極，通過錨點(diǎn)與基底固定相接，其中兩組驅(qū)動(dòng)電極。具體的，所述驅(qū)動(dòng)電極、振梁電極和檢測(cè)電極的排布方式還可以為空間的上下結(jié)構(gòu)。并且上下結(jié)構(gòu)的電極排布方式更有利于電極排布和縮小器件體積。
[0027]本發(fā)明的裝置工作原理如下:通過電極分別給音叉振梁與慣性單元上加上Vb與Vm的直流電壓，使耦合電容的兩個(gè)極板之間產(chǎn)生靜電力并使音叉振梁受到軸向拉力，此時(shí)音叉振梁具有振動(dòng)頻率A。當(dāng)敏感方向有加速度輸入時(shí)，慣性單元產(chǎn)生位移，耦合電容的間隙發(fā)生變化，靜電力產(chǎn)生變化，音叉梁上的軸向力也發(fā)生變化，頻率大小變?yōu)閒\，頻率變化量直接反映出輸入加速度的大小。具體的，在有加速度輸入時(shí)，慣性塊351受到慣性力，折疊梁352發(fā)生變形，耦合電容極板51與52之間的間隙大小改變，在耦合電容上加載電壓情況下，兩極板間的靜電力在間隙變化情況下發(fā)生變化，并加載到音叉振梁的軸線方向，振梁的諧振頻率發(fā)生變化，通過檢測(cè)諧振頻率的變化便實(shí)現(xiàn)加速度的檢測(cè)。
[0028]本實(shí)施例的諧振式微加速度計(jì)的工作過程如下:
[0029]1、在驅(qū)動(dòng)電極上加載驅(qū)動(dòng)電壓Vd，音叉振梁在靜電力作用下發(fā)生振動(dòng)，檢測(cè)電極上即產(chǎn)生變化的電荷，通過檢測(cè)電荷的變化可檢測(cè)到梁的振動(dòng)頻率；同時(shí)，分別給耦合電容的極板加上Vb與Vm的直流電壓，兩個(gè)極板之間產(chǎn)生靜電力匕，導(dǎo)致慣性塊在音叉振梁軸向產(chǎn)生微小移動(dòng)，音叉振梁受到軸向拉力匕，固有頻率增加，再結(jié)合電路控制使音叉振梁工作在反相位的諧振模態(tài)下，此時(shí)音叉梁的頻率大小為2、當(dāng)敏感方向輸入加速度(產(chǎn)生慣性力)時(shí)，慣性塊上形成慣性力Fa，在^與Fa共同作用下，折疊梁將產(chǎn)生形變，慣性塊在敏感方向上發(fā)生位移，從而改變了耦合電容電極51與52之間的間隙大小，從而導(dǎo)致了兩電極間靜電力的變化，此時(shí)靜電力變?yōu)镕m。由于連接塊上音叉軸向受拉剛度遠(yuǎn)大于支撐梁的橫向剛度，幾乎所有靜電力都加載到音叉振梁上，音叉振梁受到軸向拉力Fm作用，諧振頻率變?yōu)閒0a。慣性力通過耦合電容傳遞到音叉振梁的軸向上，電容器起到了杠桿的作用，對(duì)慣性力進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小后加載到諧振梁，力的放大倍數(shù)可以通過電容器極板間的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)，諧振梁的振動(dòng)頻率也可以通過此加載電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。3、當(dāng)慣性力經(jīng)過變換后加到音叉振梁上后，檢測(cè)電路通過信號(hào)控制，輸出新的頻率值，通過后續(xù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)度便得出輸入加速度與頻率輸出間的關(guān)系，從而完成諧振式微加速度計(jì)的加速度測(cè)量功能。需要說明的是，雖然在上述裝置的工作過程描述中涉及到控制電路的參與，但是該控制電路并非本發(fā)明的必要特征，只是為了適應(yīng)輸出量的可識(shí)別性進(jìn)行的信號(hào)變換。
[0030]本實(shí)施例的諧振式微加速度計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):1、音叉梁的彈性支撐對(duì)諧振梁上的殘余應(yīng)力進(jìn)行了釋放，避免了翹曲與扭曲變形。2、諧振梁靜電力作用下的始終受拉，無拉、壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化，降低了殘余應(yīng)力的影響。3、輸入慣性力通過轉(zhuǎn)換電容器加載到諧振梁上，減少了能量損失，提高了力轉(zhuǎn)換效率。4、本發(fā)明中的諧振梁的振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)換電容器的力傳遞倍數(shù)受到連接塊與音叉梁間的電壓影響，因此可以通過調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)頻率、靈敏度及量程的調(diào)節(jié)，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性。
[0031]以上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改、替換和改變。因此本發(fā)明不應(yīng)由上述事例來限定，而應(yīng)以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種諧振式微加速度計(jì)，包括基底層和結(jié)構(gòu)層，其特征在于，結(jié)構(gòu)層包括音叉諧振單元、連接塊、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極、慣性單元和耦合電容，所述音叉諧振單元包括音叉振梁和振梁電極，音叉振梁懸空，一端通過錨點(diǎn)與基底固定連接，另一端為自由端，振梁電極與音叉振梁固定連接；連接塊包括連接塊電極，所述連接塊懸空并與音叉振梁的自由端固定連接；驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極與振梁電極耦合連接，二者根據(jù)音叉振梁震動(dòng)中的位置分別與振梁電極耦合；慣性單元懸空并與連接塊之間通過耦合電容耦合，耦合電容用于將慣性塊所受的慣性力耦合到連接塊上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振式微加速度計(jì)，其特征在于，連接塊通過兩個(gè)支撐梁支撐懸空，支撐梁通過錨點(diǎn)錨固到基底上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種諧振式微加速度計(jì)，其特征在于，所述耦合電容為平行板電容器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種諧振式微加速度計(jì)，其特征在于，所述耦合電容為多組梳齒狀平行板電容器，并優(yōu)選為四組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振式微加速度計(jì)，其特征在于，所述慣性單元包括慣性塊和折疊梁，所述慣性塊由多個(gè)折疊梁支撐懸空，折疊梁由錨點(diǎn)固定連接到基底上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種諧振式微加速度計(jì)，其特征在于，所述折疊梁為多折疊梁，優(yōu)選為三折疊梁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種諧振式微加速度計(jì)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極和振梁電極的電極板為梳齒狀電極板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種諧振式微加速度計(jì)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電極和振梁電極分別與靜電電源相連接。
【文檔編號(hào)】G01P15/097GK103529242SQ201310488197
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】周吳, 陳余, 丁子喬, 于慧君, 彭倍 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)