基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，上層為真空封裝蓋板，下層為襯底，中層單晶硅上制作有加速度計機械結(jié)構(gòu)；加速度計機械結(jié)構(gòu)包括外框架、質(zhì)量塊、兩個剛度調(diào)整組件、兩個測加速度諧振器、兩個測溫諧振器和四個一級杠桿放大機構(gòu)，測加速度諧振器對稱布置在質(zhì)量塊的上、下兩端，該兩個測加速度諧振器的一端與外框架相連，另一通過剛度調(diào)整組件與左右對稱的一級杠桿放大機構(gòu)的輸出端相連；各一級杠桿放大機構(gòu)的支點端均與外框架相連，輸入端分別與質(zhì)量塊相連；測溫諧振器對稱布置在質(zhì)量塊的左、右兩側(cè)，外框架通過固定基座使機械結(jié)構(gòu)懸空在下層的單晶硅襯底之上。本實用新型提高了溫度補償?shù)木?，且實時性好、靈敏度高。
【專利說明】基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于微機電系統(tǒng)MEMS中的微慣性傳感器【技術領域】，特別是一種基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計。
【背景技術】
[0002]硅微加速度計是典型的MEMS慣性傳感器，其研究始于20世紀70年代初，現(xiàn)有電容式、壓電式、壓阻式、熱對流、隧道電流式和諧振式等多種形式。硅微諧振梁加速度計的獨特特點是其輸出信號是頻率信號，它的準數(shù)字量輸出可直接用于復雜的數(shù)字電路，具有很高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，而且免去了其它類型加速度計在信號傳遞方面的諸多不便，直接與數(shù)字處理器相連。目前美國Draper實驗室對諧振式加速度計的研究處于國際領先地位，研究開發(fā)的微機械加速度計主要應用于戰(zhàn)略導彈，零偏穩(wěn)定性和標度因數(shù)穩(wěn)定性分別達到5yg和3ppm。因此硅微諧振式加速度計具有良好的發(fā)展前景。硅振梁加速度計結(jié)構(gòu)一般由諧振梁和敏感質(zhì)量塊組成，敏感質(zhì)量塊將加速度轉(zhuǎn)換為慣性力，慣性力作用于諧振梁的軸向，使諧振梁的頻率發(fā)生變化，通過測試諧振頻率推算出被測加速度。 [0003]中國專利I (裘安萍，施芹，蘇巖.硅微諧振式加速度計，南京理工大學，申請?zhí)?2008100255749)公開了一種硅振梁加速度計結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)機械結(jié)構(gòu)由質(zhì)量塊、諧振器和杠桿放大機構(gòu)等組成，兩個諧振器位于質(zhì)量塊中間，相鄰對稱布置，質(zhì)量塊由位于其四角的折疊梁支撐，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗沖擊能力。但是由于加工誤差使得兩個諧振器的諧振頻率并不完全相等，作用在兩個諧振器上的熱應力也不相同，則無法通過差分檢測的方式消除熱應力的影響；而且該結(jié)構(gòu)的兩個諧振器直接與固定基座相連，加工殘余應力和熱應力對諧振頻率的影響很大；在全溫范圍內(nèi)的溫度實驗發(fā)現(xiàn)，加速度計頻率的溫度系數(shù)高達160Hz/°C，標度因數(shù)的溫度系數(shù)為0.67%/V ;此外在測試過程中發(fā)現(xiàn)該加速度計存在較大的電耦合，當兩個諧振器的諧振頻率相近時，會產(chǎn)生鄰頻干擾，從而無法識別所作用的加速度信號。
[0004]中國專利2 (裘安萍，施芹，蘇巖.硅微諧振式加速度計，南京理工大學，專利號:201010293127.9)公開了一種硅振梁加速度計的新結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由上下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的加速度計機械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的信號引線，機械結(jié)構(gòu)由質(zhì)量塊、外框架、諧振器、導向機構(gòu)和杠桿放大機構(gòu)等組成，質(zhì)量塊位于結(jié)構(gòu)中間，通過四根軸對稱多折梁與外框架相連，提高了加速度計結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗沖擊能力，并在一定程度上提高了加速度計的靈敏度。兩個完全相同的諧振器在質(zhì)量塊上下對稱布置，大大減小電耦合，且兩根諧振梁的中間相連，降低了高階模態(tài)的干擾。諧振器、杠桿、導向機構(gòu)和質(zhì)量塊都通過外框架與固定基座相連，減小了加工殘余應力和工作環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的熱應力對結(jié)構(gòu)振動頻率的影響。在全溫范圍內(nèi)的溫度實驗發(fā)現(xiàn)，該加速度計頻率的溫度系數(shù)從原來結(jié)構(gòu)的160Hz/°C降至24~25Hz/°C，降低了 84.4% ;由于加工誤差以及殘余應力分布不均勻，兩個諧振器的溫度系數(shù)差為3~5Hz/°C，性能試驗表明該加速度計的零偏穩(wěn)定性優(yōu)于50 μ g，標度因數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)于lOOppm。由此可見，減小溫度誤差是提高諧振式加速度計精度的關鍵。減小溫度誤差的方法有結(jié)構(gòu)合理設計、優(yōu)化工藝和溫度補償，其中溫度補償精度受到測溫精度的影響。目前，測溫方法通常采用加速度計內(nèi)部的鉬電阻或外部的溫度測量，這兩種方法受溫度梯度和溫度延時的影響，且測溫精度不高，從而溫度補償精度不高，無法滿足高精度諧振式加速度計的要求。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的在于提供一種實時性好、溫度系數(shù)低的基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，該硅振梁加速度計靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗沖擊能力強且易于實現(xiàn)高精度測量。
[0006]實現(xiàn)本實用新型目的的技術解決方案為:一種基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，由上、中、下三層單晶硅構(gòu)成，上層單晶硅為布置有信號輸入和輸出線的加速度計真空封裝蓋板，下層單晶硅為加速度計的襯底，中層單晶硅上制作有加速度計機械結(jié)構(gòu)，并且加速度計機械結(jié)構(gòu)通過固定基座與下層單晶硅相連；所述加速度計機械結(jié)構(gòu)包括外框架以及位于外框架內(nèi)的質(zhì)量塊、兩個剛度調(diào)整組件、兩個測加速度諧振器、兩個測溫諧振器和四個一級杠桿放大機構(gòu)，其中質(zhì)量塊位于整體結(jié)構(gòu)的中間，第一、二測加速度諧振器對稱布置在質(zhì)量塊的上、下兩端，該第一測加速度諧振器的上端與外框架相連，第一測加速度諧振器的下端通過第一剛度調(diào)整組件與左右對稱的第一、二一級杠桿放大機構(gòu)的輸出端相連，第二測加速度諧振器的下端與外框架相連，第二測加速度諧振器的上端通過第二剛度調(diào)整組件與左右對稱的第三、四一級杠桿放大機構(gòu)的輸出端相連；各個一級杠桿放大機構(gòu)的支點端均與外框架相連，各個一級杠桿放大機構(gòu)的輸入端分別通過一根對應直梁與質(zhì)量塊相連，質(zhì)量塊通過四根多折梁與外框架相連；第一、二測溫諧振器對稱布置在質(zhì)量塊的左、右兩側(cè)，該兩個測溫諧振器所在直線與敏感軸向I垂直，各個測溫諧振器的兩端均與外框架相連；外框架通過十二根與質(zhì)量塊的中心對稱的固定基座使加速度計的機械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的單晶硅襯底部分之上。
[0007]本實用新型與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為:(1)兩個測溫諧振器位于質(zhì)量塊左右兩側(cè)，測溫諧振器提供了加速度計內(nèi)部的實時溫度；兩個測溫點反映了加速度計結(jié)構(gòu)的溫度梯度，有利于建立較高精度的溫度模型，從而提高了溫度補償?shù)木龋?2) —級杠桿放大機構(gòu)的輸出端通過剛度調(diào)整組件與測加速度諧振器連接，剛度調(diào)整組件抑制了加速度計的側(cè)向靈敏度，同時剛度調(diào)整組件具有的質(zhì)量特性，提高了加速度計靈敏度；(3) —級杠桿放大機構(gòu)的輸入端采用細梁結(jié)構(gòu)，降低了加工誤差導致的杠桿力傳遞誤差的放大；剛度調(diào)整組件的I方向剛度大，減少了杠桿輸出效率的損耗；(4)使用多個分立的固定基座與外框架相連，有效的減少了干擾模態(tài)，并提高了加速度計結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗沖擊能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本實用新型基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖2是本實用新型的諧振器、剛度調(diào)整組件和一級杠桿放大機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。【具體實施方式】[0010]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
[0011]本實用新型基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，采用SOI工藝制備，用于測量平行于基座水平的測量儀器，結(jié)合圖1，該基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，由上、中、下三層單晶硅構(gòu)成，上層單晶硅為布置有信號輸入和輸出線的加速度計真空封裝蓋板，下層單晶硅為加速度計的襯底，中層單晶硅上制作有加速度計機械結(jié)構(gòu)，并且加速度計機械結(jié)構(gòu)通過固定基座與下層單晶硅相連；所述加速度計機械結(jié)構(gòu)包括外框架2以及位于外框架2內(nèi)的質(zhì)量塊1，兩個剛度調(diào)整組件3a、3b，兩個測加速度諧振器4a、4b,兩個測溫諧振器4c、4d和四個一級杠桿放大機構(gòu)5a、5b、5c、5d,其中質(zhì)量塊I位于整體結(jié)構(gòu)的中間，第一、二測加速度諧振器4a、4b對稱布置在質(zhì)量塊I的上、下兩端，該第一測加速度諧振器4a的上端與外框架2相連，第一測加速度諧振器4a的下端通過第一剛度調(diào)整組件3a與左右對稱的第一、二一級杠桿放大機構(gòu)5a、5b的輸出端相連,第二測加速度諧振器4b的下端與外框架2相連，第二測加速度諧振器4b的上端通過第二剛度調(diào)整組件3b與左右對稱的第三、四一級杠桿放大機構(gòu)5c、5d的輸出端相連，該兩個測加速度諧振器4a、4b的一端均通過外框架2與固定基座6a~6n相連,減小了殘余應力以及熱應力對諧振器諧振頻率的影響，大大減小頻率的溫度系數(shù)；各個一級杠桿放大機構(gòu)的支點端均與外框架2相連，各個一級杠桿放大機構(gòu)的輸入端分別通過一根對應直梁與質(zhì)量塊I相連，質(zhì)量塊I通過四根用作支撐梁的多折梁7a、7b、7c、7d與外框架2相連，增加了加速度計的穩(wěn)定性，并提高其抗沖擊能力，且軸對稱的多折梁7a、7b、7c、7d不僅有效地釋放殘余應力，而且降低了交叉軸靈敏度；第一、二測溫諧振器4c、4d對稱布置在質(zhì)量塊I的左、右兩側(cè)，該兩個測溫諧振器4c、4d所在直線與敏感軸向I垂直，各個測溫諧振器的兩端均與外框架2相連，兩個測溫諧振器4c、4d提供了加速度計內(nèi)部的實時溫度，兩個測溫點反映了加速度計結(jié)構(gòu)的溫度梯度，有利于建立較高精度的溫度模型，從而提高了溫度補償?shù)木龋煌饪蚣?通過十二根與質(zhì)量塊I的中心對稱的固定基座6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、6j、6k、6m、6n使加速度計的機械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的單晶娃襯底部分之上，多個分立的固定基座6a~6r!與外框架相連，可以有效的減少干擾模態(tài)，并提高加速度計結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗沖擊能力。
[0012]所述兩個測加速度`諧振器4a、4b，兩個測溫諧振器4c、4d，四個一級杠桿放大機構(gòu)5a、5b、5c、5d和四根多折梁7a、7b、7c、7d均通過外框架2與對應位置的固定基座相連，大大減小了加工殘余應力以及環(huán)境變化產(chǎn)生的熱應力對加速度計性能的影響；所述四根多折梁7a、7b、7c、7d是軸對稱結(jié)構(gòu)，在x方向具有很大的剛度，而在y方向剛度較小。
[0013]結(jié)合圖2，本實用新型的測加速度諧振器、剛度調(diào)整組件和一級杠桿放大機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)如下:
[0014](I)兩個測加速度諧振器4a、4b和兩個測溫諧振器4c、4d的結(jié)構(gòu)相同，每個測加速度諧振器由兩根諧振梁17a、17b,兩個固定驅(qū)動電極14a、14b,四個固定檢測電極15a、15b、15c、15d以及活動梳齒16組成，其中兩根諧振梁17a、17b的中間部分相連，減小了干擾模態(tài)，采用雙邊驅(qū)動，在兩根諧振梁17a、17b的兩側(cè)布置活動梳齒16，在活動梳齒16的外側(cè)布置固定驅(qū)動電極14a、14b，活動梳齒16的內(nèi)側(cè)布置四個固定檢測電極15a、15b、15c、15d，活動梳齒16與固定驅(qū)動電極14a、14b上的固定梳齒對插形成驅(qū)動電容，在固定驅(qū)動電極14a、14b上施加帶直流偏置的反相交流電壓，活動梳齒16與固定檢測電極15a、15b、15c、15d上的固定梳齒對插形成檢測電容。[0015](2)兩個剛度調(diào)整組件3a、3b結(jié)構(gòu)相同，每個剛度調(diào)整組件均由懸臂梁8和剛性構(gòu)件9組成，剛度調(diào)整組件3a、3b具有的質(zhì)量特性提高了加速度計靈敏度，且其y方向剛度很大，可以有效地將杠桿輸出的慣性力傳遞給諧振梁；
[0016](3)四個一級杠桿放大機構(gòu)5a、5b、5c、5d的結(jié)構(gòu)相同，每個一級杠桿放大機構(gòu)由杠桿13、支點端11、輸入端10和輸出端12組成，其中支點端11、輸入端10和輸出端12均采用細梁結(jié)構(gòu)，可以降低加工誤差導致的杠桿力傳遞誤差的放大，且經(jīng)過合理設計可以使得力放大倍數(shù)接近杠桿放大機構(gòu)的理想值；所述一級杠桿放大機構(gòu)5a、5b、5c、5d的輸出端12均通過剛度調(diào)整組件與測加速度諧振器相連，剛度調(diào)整組件3a、3b的懸臂梁8兩端均與外框架2相連，在X方向具有很大的剛度，而在y方向剛度較小，較好地隔離了 X方向運動對諧振器的影響。
[0017]本實用新型基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計用于測量y方向的輸入加速度，當有沿I方向的加速度a輸入時，在質(zhì)量塊mi上產(chǎn)生慣性力F1=Hiia,該慣性力分別作用于四個一級杠桿放大機構(gòu)上，在剛性構(gòu)件m2上產(chǎn)生慣性力F2=m2a，在杠桿及小質(zhì)量塊的作用下，作用于諧振器每根諧振梁上的作用力為:
[0018]
【權利要求】
1.一種基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，其特征在于:由上、中、下三層單晶硅構(gòu)成，上層單晶硅為布置有信號輸入和輸出線的加速度計真空封裝蓋板，下層單晶硅為加速度計的襯底，中層單晶硅上制作有加速度計機械結(jié)構(gòu)，并且加速度計機械結(jié)構(gòu)通過固定基座與下層單晶硅相連；所述加速度計機械結(jié)構(gòu)包括外框架(2)以及位于外框架(2)內(nèi)的質(zhì)量塊(I)、兩個剛度調(diào)整組件(3a、3b)、兩個測加速度諧振器(4a、4b)、兩個測溫諧振器(4c、4d)和四個一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b、5c、5d),其中質(zhì)量塊(I)位于整體結(jié)構(gòu)的中間，第一、二測加速度諧振器(4a、4b)對稱布置在質(zhì)量塊(I)的上、下兩端，該第一測加速度諧振器(4a)的上端與外框架(2)相連，第一測加速度諧振器(4a)的下端通過第一剛度調(diào)整組件(3a)與左右對稱的第一、二一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b)的輸出端相連，第二測加速度諧振器(4b)的下端與外框架(2)相連，第二測加速度諧振器(4b)的上端通過第二剛度調(diào)整組件(3b)與左右對稱的第三、四一級杠桿放大機構(gòu)(5c、5d)的輸出端相連；各個一級杠桿放大機構(gòu)的支點端均與外框架(2)相連，各個一級杠桿放大機構(gòu)的輸入端分別通過一根對應直梁與質(zhì)量塊(I)相連，質(zhì)量塊(I)通過四根多折梁(7a、7b、7c、7d)與外框架(2)相連；第一、二測溫諧振器(4c、4d)對稱布置在質(zhì)量塊(I)的左、右兩側(cè)，該兩個測溫諧振器(4c、4d)所在直線與敏感軸向I垂直，各個測溫諧振器的兩端均與外框架(2)相連；外框架(2)通過十二個與質(zhì)量塊(I)的中心對稱的固定基座(6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、6j、6k、6m、6n)使加速度計的機械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的單晶硅襯底部分之上。
2.根據(jù)權利要求1所述基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，其特征在于:所述兩個剛度調(diào)整組件(3a、3b)結(jié)構(gòu)相同，每個剛度調(diào)整組件均由懸臂梁(8)和剛性構(gòu)件(9)組成。
3.根據(jù)權利要求1所述基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，其特征在于:所述兩個測加速度諧振器(4a、4b)、兩個測溫諧振器(4c、4d)、四個一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b、5c、5d)和四根多折梁(7a、7b、7c、7d)均通過外框架(2)與對應位置的固定基座相連。`
4.根據(jù)權利要求1所述基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，其特征在于:所述四個一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b、5c、5d)的結(jié)構(gòu)相同，每個一級杠桿放大機構(gòu)由杠桿(13)、支點端(11)、輸入端(10)和輸出端(12)組成，其中支點端(11)、輸入端(10)和輸出端(12)均采用細梁結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權利要求1所述基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，其特征在于:所述兩個測加速度諧振器(4a、4b)的結(jié)構(gòu)相同，每個測加速度諧振器(4a、4b)由兩根諧振梁(17a、17b)、兩個固定驅(qū)動電極(14a、14b)、四個固定檢測電極(15a、15b、15c、15d)以及活動梳齒(16)組成，其中兩根諧振梁(17a、17b)的中間部分相連，采用雙邊驅(qū)動，即在兩根諧振梁(17a、17b)的兩側(cè)布置活動梳齒(16)，在活動梳齒(16)的外側(cè)布置固定驅(qū)動電極(14a、14b)，活動梳齒(16)的內(nèi)側(cè)布置四個固定檢測電極(15a、15b、15c、15d)，活動梳齒(16 )與固定驅(qū)動電極(14a、14b )上的固定梳齒對插形成驅(qū)動電容、活動梳齒(16 )與固定檢測電極(15a、15b、15c、15d)上的固定梳齒對插形成檢測電容。
6.根據(jù)權利要求1所述基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，其特征在于:所述四根多折梁(7a、7b、7c、7d)是軸對稱結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權利要求4所述基于片式集成高精度測溫結(jié)構(gòu)的硅振梁加速度計，其特征在于:所述一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b、5c、5d)的輸出端(12)均通過剛度調(diào)整組件與測加速度諧振器相連，剛度調(diào)整組 件(3a、3b)的懸臂梁(8)兩端均與外框架(2)相連。
【文檔編號】G01P15/08GK203455364SQ201320548882
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權日:2013年9月4日
【發(fā)明者】夏國明, 裘安萍, 施芹, 張晶, 蘇巖, 丁衡高 申請人:南京理工大學