一種基于二級(jí)微杠桿的雙質(zhì)量塊高靈敏度硅微諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于二級(jí)微杠桿的雙質(zhì)量塊高靈敏度 硅微諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，它作為微慣性器件廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空航天、地震監(jiān)測(cè)等 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)械加速度計(jì)是微機(jī)電系統(tǒng)中最為成功的器件之一，在民用與軍事領(lǐng)域有廣泛 的應(yīng)用前景，孕育著巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。微機(jī)械加速度計(jì)研究的相關(guān)報(bào)道最早出 現(xiàn)于20世紀(jì)70年代初，80年代單軸微機(jī)械加速度計(jì)產(chǎn)品面市，90年代末出現(xiàn)了多軸微機(jī)械 加速度計(jì)，美國(guó)AD公司的ADXL系列微機(jī)械加速度計(jì)是最具代表性的產(chǎn)品之一。
[0003] 加速度計(jì)根據(jù)所采用的敏感機(jī)理分為壓阻式、壓電式、電容式、力平衡式、熱對(duì)流 式、隧道電流式和諧振式等多種形式。其中諧振式加速度計(jì)通過(guò)測(cè)量諧振敏感元件固有振 動(dòng)頻率的變化敏感被測(cè)加速度，其輸出為頻率信號(hào)，這種準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾能 力，且加速度計(jì)輸出無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換即可與數(shù)字處理器相連。采用微機(jī)械加工工藝制作的硅微 諧振式加速度計(jì)除繼承上述諧振式測(cè)量原理的優(yōu)良特性外，還兼具硅微傳感器體積小、重 量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，成為加速度計(jì)的重要發(fā)展方向。
[0004] 在實(shí)際應(yīng)用中，由于微機(jī)械加速度計(jì)尺寸限制，常常需要使用力學(xué)放大機(jī)構(gòu)對(duì)慣 性力進(jìn)行力學(xué)放大，與單級(jí)杠桿相比，二級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)可在減小力學(xué)放大機(jī)構(gòu)尺寸的情 況下進(jìn)一步提高加速度計(jì)的力學(xué)放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)高靈敏度測(cè)量。目前，使用單級(jí)杠桿作為力 學(xué)放大機(jī)構(gòu)的加速度計(jì)比較普遍，而具有二級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)的硅微諧振式加速度計(jì)的研究 比較少。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)諧振式硅微加速度計(jì)的研究起步較晚，目前一些研究機(jī)構(gòu)已開(kāi)展 了基于微杠桿的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真或?qū)嶒?yàn)工作，但也多偏重于單級(jí)杠桿的加速度計(jì) 結(jié)構(gòu)。2005年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Susan設(shè)計(jì)了一款具有二級(jí)杠桿放大的諧振式微 加速度計(jì)，二級(jí)杠桿的放大倍數(shù)達(dá)到140，標(biāo)度因數(shù)為158Hz/g。國(guó)內(nèi)2007年，重慶大學(xué)的何 高法等人采用硅微工藝的ICP深硅刻蝕工藝制作了具有二級(jí)杠桿的諧振式加速度計(jì)，樣機(jī) 測(cè)試結(jié)果表明，其標(biāo)度因數(shù)為55.03Hz/g，分辨力約為182yg。
[0005] 為此，基于現(xiàn)有硅微加工工藝水平，為提高諧振式加速度計(jì)的靈敏度，本發(fā)明設(shè)計(jì) 了一款具有二級(jí)杠桿放大的硅微諧振式加速度計(jì)，建立了該二級(jí)杠桿力學(xué)模型，并對(duì)具有 二級(jí)杠桿的加速度計(jì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了 ANSYS有限元仿真，獲取了微杠桿敏感結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)力 學(xué)放大與靈敏度性能的影響規(guī)律，評(píng)估了溫度對(duì)加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)的影響，同時(shí)采用了雙 質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了零點(diǎn)附近低載荷時(shí)諧振音叉雙梁耦合振動(dòng)引起的鎖定現(xiàn)象，為高靈敏度 硅微諧振式加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與制作提供了模型依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提出一種基于二級(jí)微杠桿的雙質(zhì)量塊高靈敏度硅微 諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有微機(jī)械加速度計(jì)靈敏度不高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境振動(dòng)與溫度 影響大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的加速度測(cè)量。同時(shí)，使用設(shè)計(jì)的雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)消除由于結(jié)構(gòu) 對(duì)稱產(chǎn)生的諧振音叉的振動(dòng)耦合現(xiàn)象。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為:一種基于二級(jí)微杠桿的雙質(zhì)量塊高 靈敏度硅微諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其利用單晶硅的體硅工藝而制成，所述加速度計(jì)結(jié)構(gòu)包 括第一質(zhì)量塊、第二質(zhì)量塊、第一音叉諧振器、第二音叉諧振器、第一二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)、 第二二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)、第三二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)、第四二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)、第一質(zhì)量 塊支撐梁、第二質(zhì)量塊支撐梁、第三質(zhì)量塊支撐梁、第四質(zhì)量塊支撐梁、第一錨點(diǎn)、第二錨 點(diǎn)、第三錨點(diǎn)、第四錨點(diǎn)、第五錨點(diǎn)、第六錨點(diǎn)、第七錨點(diǎn)、第八錨點(diǎn)、第九錨點(diǎn)和第二錨點(diǎn)； 所述的第一質(zhì)量塊分別連接第一二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)、第二二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)，所述的 第二質(zhì)量塊分別連接第三二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)、第四二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)，所述的第一質(zhì) 量塊分別與第一質(zhì)量塊支撐梁、第二質(zhì)量塊支撐梁相連，所述的第二質(zhì)量塊分別與第三質(zhì) 量塊支撐梁、第四質(zhì)量塊支撐梁相連，且第一質(zhì)量塊支撐梁、第二質(zhì)量塊支撐梁、第三質(zhì)量 塊支撐梁、第四質(zhì)量塊支撐梁通過(guò)第三錨點(diǎn)、第四錨點(diǎn)、第五錨點(diǎn)、第六錨點(diǎn)、第九錨點(diǎn)和第 二錨點(diǎn)固定在基底上，使第一質(zhì)量塊、第二質(zhì)量塊懸浮于基底之上，并可消除由于對(duì)稱的音 叉諧振器易產(chǎn)生的振動(dòng)耦合效應(yīng);所述二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)梁通過(guò)第二錨點(diǎn)、第八 錨點(diǎn)固定在基底上;所述的第一音叉諧振器、第二音叉諧振器呈對(duì)稱關(guān)系，構(gòu)成一組差動(dòng)式 諧振音叉結(jié)構(gòu)，且第一音叉諧振器的一端、第二音叉諧振器的一端分別通過(guò)第一錨點(diǎn)、第七 錨點(diǎn)固定在基底上，第一音叉諧振器的另一端通過(guò)第一二級(jí)微杠桿機(jī)構(gòu)和第二二級(jí)微杠桿 放大機(jī)構(gòu)與第一質(zhì)量塊相連，第二音叉諧振器的另一端通過(guò)第三二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)、第 四二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)與第二質(zhì)量塊相連，且第一、第二每個(gè)音叉諧振器的兩個(gè)諧振梁制 備有梳狀排列的活動(dòng)梳齒，這樣，第一質(zhì)量塊、第二質(zhì)量塊在被測(cè)加速度作用下產(chǎn)生的慣性 力分別經(jīng)過(guò)第一、第二二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)和第三、第四二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行力放大 后作用于第一、第二音叉諧振器，并改變第一、第二音叉諧振器的固有振動(dòng)頻率;之后，通過(guò) 測(cè)量梳齒電容檢測(cè)器電容量的變化得到第一、第二音叉諧振器的固有振動(dòng)頻率，進(jìn)而解算 出被測(cè)加速度值。
[0008] 其中，所述的第一、第二質(zhì)量塊、第一、第二、第三、第四二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)、第 一、第二音叉諧振器均采用標(biāo)準(zhǔn)體硅工藝制作，所用材料為單晶硅。
[0009] 其中，所述的第一、第二、第三、第四二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)使用二級(jí)杠桿，在輸入端 處使用折疊結(jié)構(gòu)，減小了慣性力因結(jié)構(gòu)剛性連接所帶來(lái)的損耗，實(shí)現(xiàn)了慣性力的較大倍數(shù) 放大，從而提高了微加速度計(jì)靈敏度。
[0010] 其中，所述第一、第二質(zhì)量塊的雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)將兩個(gè)音叉諧振器完全隔離，避免了 零點(diǎn)附近低載荷時(shí)兩個(gè)對(duì)稱音叉諧振器由于結(jié)構(gòu)相同產(chǎn)生的振動(dòng)耦合，實(shí)現(xiàn)了音叉振動(dòng)耦 合的消除。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明采用兩個(gè)分離的質(zhì)量塊分別作為兩個(gè) 差動(dòng)音叉的慣性力感應(yīng)結(jié)構(gòu)，從而消除了兩對(duì)稱音叉的振動(dòng)耦合;二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)對(duì) 慣性力進(jìn)行放大，提高了加速度計(jì)的靈敏度和分辨率，且在輸入端使用折疊梁結(jié)構(gòu)，減小了 慣性力因結(jié)構(gòu)剛性連接所帶來(lái)的損耗;諧振音叉一端的固定端設(shè)置于音叉梁中間，提高了 結(jié)構(gòu)空間的利用率;諧振敏感結(jié)構(gòu)采用雙端固支音叉諧振器，音叉兩端通過(guò)細(xì)頸結(jié)構(gòu)分別 與微杠桿力放大機(jī)構(gòu)的輸出端和錨點(diǎn)固連，可有效減小音叉與外界的能量耦合，提高機(jī)械 品質(zhì)因數(shù);兩個(gè)諧振器對(duì)稱布置，構(gòu)成差動(dòng)式測(cè)量，不僅提高了加速度計(jì)靈敏度，而且有效 消除了環(huán)境溫度等因素引起的共模干擾，且不同溫度條件下加速度計(jì)標(biāo)定因數(shù)擬合成線 性，從而可方便地實(shí)現(xiàn)溫度線性補(bǔ)償。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明的加速度計(jì)一側(cè)結(jié)構(gòu)的局部放大圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明的二級(jí)杠桿結(jié)構(gòu)受力示意圖；
[0015] 圖4為本發(fā)明的加速度計(jì)在不同溫度條件下標(biāo)度因數(shù)仿真；
[0016] 圖5為加速度計(jì)零位誤差仿真示意圖，其中圖5(a)為單質(zhì)量塊條件下加速度計(jì)零 位誤差仿真示意圖，圖5(b)為雙質(zhì)量塊條件下加速度計(jì)零位誤差仿真示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明一種基于二級(jí)微杠桿的雙質(zhì)量塊高靈敏度硅微諧振式加速度 計(jì)結(jié)構(gòu)，其利用單晶硅的體硅工藝而制成，所述加速度計(jì)結(jié)構(gòu)包括第一質(zhì)量塊1、第二質(zhì)量 塊13、第一音叉諧振器2、第二音叉諧振器14、第一二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)4、第二二級(jí)微杠桿 放大機(jī)構(gòu)5、第三二級(jí)微杜桿放大機(jī)構(gòu)16、第四二級(jí)微杜桿放大機(jī)構(gòu)17、第一質(zhì)量塊支撐梁 6、第二質(zhì)量塊支撐梁7、第三質(zhì)量塊支撐梁18、第四質(zhì)量塊支撐梁19、第一錨點(diǎn)3、第二錨點(diǎn) 8、第三錨點(diǎn)9、第四錨點(diǎn)10、第五錨點(diǎn)11、第六錨點(diǎn)12、第七錨點(diǎn)15、第八錨點(diǎn)20、第九錨點(diǎn)21 和第二錨點(diǎn)22;所述的第一質(zhì)量塊1分別連接第一二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)4、第二二級(jí)微杠桿 放大機(jī)構(gòu)5,所述的第二質(zhì)量塊13分別連接第三二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)16、第四二級(jí)微杠桿放 大機(jī)構(gòu)17,所述的第一質(zhì)量塊1分別與第一質(zhì)量塊支撐梁6、第二質(zhì)量塊支撐梁7相連，所述 的第二質(zhì)量塊13分別與第三質(zhì)量塊支撐梁18、第四質(zhì)量塊支撐梁19相連，且第一質(zhì)量塊支 撐梁6、第二質(zhì)量塊支撐梁7、第三質(zhì)量塊支撐梁18、第四質(zhì)量塊支撐梁19通過(guò)第三錨點(diǎn)9、第 四錨點(diǎn)10、第五錨點(diǎn)11、第六錨點(diǎn)12、第九錨點(diǎn)21和第二錨點(diǎn)22固定在基底上，使第一質(zhì)量 塊1、第二質(zhì)量塊13懸浮于基底之上，并可消除由于對(duì)稱的音叉諧振器易產(chǎn)生的振動(dòng)耦合效 應(yīng);所述二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)梁通過(guò)第二錨點(diǎn)8、第八錨點(diǎn)20固定在基底上;所述的 第一音叉諧振器2、第二音叉諧振器14呈對(duì)稱關(guān)系，構(gòu)成一組差動(dòng)式諧振音叉結(jié)構(gòu)，且第一 音叉諧振器2的一端、第二音叉諧振器14的一端分別通過(guò)第一錨點(diǎn)3、第七錨點(diǎn)15固定在基 底上，第一音叉諧振器2的另一端通過(guò)第一二級(jí)微杠桿機(jī)構(gòu)4和第二二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)5 與第一質(zhì)量塊1相連，第二音叉諧振器14的另一端通過(guò)第三二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)16、第四二 級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)17與第二質(zhì)量塊13相連，且第一、第二每個(gè)音叉諧振器的兩個(gè)諧振梁制 備有梳狀排列的活動(dòng)梳齒，這樣，第一質(zhì)量塊1、第二質(zhì)量塊13在被測(cè)加速度作用下產(chǎn)生的 慣性力分別經(jīng)過(guò)第一、第二二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)4、5和第三、第四二級(jí)微杠桿放大機(jī)構(gòu)16、 17進(jìn)行力放大后作用于第一、第二音叉諧振器2、14,并改變第一、第二音叉諧振器2、14的固 有振動(dòng)頻率;之后，通過(guò)測(cè)量梳齒電容檢測(cè)器電容量的變化得到第一、第二音叉諧振器的固 有振動(dòng)頻率，進(jìn)而解算出被測(cè)加速度值。