專利名稱：一種雙軸諧振式微機(jī)械加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))中的微機(jī)械傳感器領(lǐng)域，它作為微慣性器件廣泛應(yīng)用于汽車電子、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS正處于發(fā)展時(shí)期，它的技術(shù)和市場(chǎng)都尚未成熟，但其孕育的廣闊發(fā)展前景、巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益是世人共知的，微機(jī)械加速度計(jì)是其中最成功的代表之一。微機(jī)械加速度計(jì)的研究始于20世紀(jì)70年代初，并在80年代形成單軸微機(jī)械加速度計(jì)產(chǎn)品，90年代末出現(xiàn)了多軸的微機(jī)械加速度計(jì)，市場(chǎng)上最具有代表性的是美國AD公司ADXL系列微機(jī)械加速度計(jì)。
微機(jī)械加速度計(jì)發(fā)展很快，有壓阻式、電容式、壓電式、力平衡式、熱對(duì)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(jī)械加速度計(jì)輸出的是頻率信號(hào)，這種準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)具有很高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，傳輸中不易出現(xiàn)失真，信號(hào)不需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，直接與數(shù)字處理器相連。諧振式微機(jī)械加速度計(jì)是一種高精度的加速度計(jì)，有良好的發(fā)展前景。目前的微機(jī)械加速度計(jì)產(chǎn)品大多是中低精度的，嚴(yán)重地制約其應(yīng)用范圍，較多地應(yīng)用在精度要求不高的商用領(lǐng)域。微機(jī)械加速度計(jì)產(chǎn)品多是單軸的，而實(shí)際應(yīng)用中常常需要雙軸或三軸加速度計(jì)來測(cè)量加速度矢量，公開的文獻(xiàn)中大多是對(duì)單軸加速度計(jì)的研究，多軸加速度計(jì)的研究報(bào)道較少。目前微機(jī)械加速度計(jì)的研究方向主要集中于高精度、多軸集成和數(shù)字化輸出方面，提高加速度計(jì)性能就是要實(shí)現(xiàn)多軸的高靈敏度、低噪聲、低漂移和大動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高精度的雙軸諧振微機(jī)械加速度計(jì)，以解決現(xiàn)有微機(jī)械加速度計(jì)多為單軸、靈敏度和分辨率不夠高的問題，實(shí)現(xiàn)高精度的二維加速度測(cè)量。
本發(fā)明的技術(shù)方案一種雙軸諧振式微機(jī)械加速度計(jì)，其特點(diǎn)在于包括基片、質(zhì)量塊、8個(gè)懸臂梁、4個(gè)杠桿放大機(jī)構(gòu)、4個(gè)音叉、4組驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極、齒樞，整個(gè)結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱圖形，通過一個(gè)質(zhì)量塊敏感兩個(gè)正交方向的加速度。質(zhì)量塊呈“回”字型，質(zhì)量塊中間是8個(gè)懸臂梁、4個(gè)杠桿放大機(jī)構(gòu)、4個(gè)音叉和4組齒樞、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極。8個(gè)懸臂梁組成的彈性支撐巧妙地實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)正交方向的解耦，使兩個(gè)方向的靈敏度、分辨率都較高。諧振梁采用雙端固定音叉的形式，每個(gè)音叉的兩端通過細(xì)頸結(jié)構(gòu)分別與杠桿機(jī)構(gòu)和錨點(diǎn)固連，這樣有效地減小了音叉和外圍結(jié)構(gòu)的能量耦合。對(duì)稱布置的兩個(gè)音叉的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致性好，有效地實(shí)現(xiàn)諧振頻率的差動(dòng)輸出。音叉中間兩側(cè)對(duì)稱布置齒樞，齒樞兩側(cè)為梳齒結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極，以實(shí)現(xiàn)靜電驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)。
此外，在質(zhì)量塊的外圍四周布置有4個(gè)止擋，可有效地實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，防止在較強(qiáng)的沖擊下彈性支撐結(jié)構(gòu)斷裂。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明采用一個(gè)質(zhì)量塊敏感兩個(gè)方向的加速度，8個(gè)懸臂梁組成的彈性支撐巧妙地實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)正交方向的解耦，使兩個(gè)方向的靈敏度、分辨率都較高；質(zhì)量塊采用“回”字型設(shè)計(jì)，這使元件能夠在有限體積下實(shí)現(xiàn)較大的質(zhì)量塊，使加速度高效轉(zhuǎn)化為慣性力；諧振梁采用雙端固定音叉的形式，音叉兩端通過細(xì)頸結(jié)構(gòu)分別與杠桿機(jī)構(gòu)和錨點(diǎn)固連，有效減小音叉和外圍結(jié)構(gòu)的能量耦合；對(duì)稱布置的兩個(gè)音叉的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致性好，有效地實(shí)現(xiàn)諧振頻率的差動(dòng)輸出；梳齒式的靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)較高的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和檢測(cè)靈敏度，同時(shí)具有很好的工藝性。


圖1為本發(fā)明的雙軸諧振微機(jī)械加速度計(jì)的平面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括基片1、質(zhì)量塊2、8個(gè)懸臂梁11、17、21、27、31、37、41、47、4個(gè)杠桿放大機(jī)構(gòu)12、22、32、42、4個(gè)音叉18、28、38、48、4組驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極、齒樞和4個(gè)止擋13、23、33、43，整個(gè)結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱圖形，通過一個(gè)質(zhì)量塊2敏感兩個(gè)正交方向的加速度。質(zhì)量塊2呈“回”字型，質(zhì)量塊2中間是8個(gè)懸臂梁11、17、21、27、31、37、41、47、4個(gè)杠桿放大機(jī)構(gòu)12、22、32、42、4個(gè)音叉18、28、38、48和4組齒樞、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極。8個(gè)懸臂梁11、17、21、27、31、37、41、47組成的彈性支撐巧妙地實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)正交方向的解耦，使兩個(gè)方向的靈敏度、分辨率都較高；杠桿機(jī)構(gòu)12由三級(jí)放大桿件組成，杠桿機(jī)構(gòu)12通過錨點(diǎn)14、15、20、49與基片鍵合連接，杠桿機(jī)構(gòu)12的一端與質(zhì)量塊2連接，另一端與音叉的細(xì)頸結(jié)構(gòu)16連接，杠桿機(jī)構(gòu)22、32、42與杠桿機(jī)構(gòu)12同理。諧振梁采用雙端固定音叉的形式，音叉18兩端通過寬度為4μm的細(xì)頸結(jié)構(gòu)16、19與杠桿機(jī)構(gòu)12和錨點(diǎn)3固連，有效減小音叉18和外圍結(jié)構(gòu)的能量耦合，音叉28、38、48與音叉18同理；y軸對(duì)稱布置的兩個(gè)音叉28、38及x軸對(duì)稱布置的兩個(gè)音叉18、38實(shí)現(xiàn)諧振頻率的差動(dòng)輸出；每個(gè)音叉的中間兩側(cè)有梳齒結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極實(shí)現(xiàn)靜電驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)。
在質(zhì)量塊2的四周有4個(gè)止擋13，23，33，43，可有效地實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，防止在較強(qiáng)的沖擊下彈性支撐結(jié)構(gòu)斷裂。
本發(fā)明工作原理通過敏感質(zhì)量將加速度轉(zhuǎn)化為慣性力來測(cè)量，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(cè)得的諧振頻率推算出被測(cè)加速度。如圖1，當(dāng)有y方向加速度輸入時(shí)，質(zhì)量塊2承受y方向慣性力，懸臂梁21、27、41、47發(fā)生變形，質(zhì)量塊2發(fā)生y方向位移，慣性力經(jīng)懸臂梁11、17、31、37和杠桿機(jī)構(gòu)12、32放大，施加在音叉18、38的軸向，音叉18、38一個(gè)承受拉應(yīng)力、一個(gè)承受壓應(yīng)力，承受拉應(yīng)力作用的音叉諧振頻率增大，承受壓應(yīng)力作用的音叉諧振頻率減小，檢測(cè)兩個(gè)諧振頻率之差作為輸出。利用音叉18、38中間兩側(cè)的梳齒結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靜電驅(qū)動(dòng)和電容拾振，由測(cè)得的諧振頻率解算出被測(cè)加速度。當(dāng)有x方向加速度計(jì)輸入時(shí)，質(zhì)量塊1承受x方向慣性力，懸臂梁11、17、31、37發(fā)生形變，質(zhì)量塊1發(fā)生x方向位移，慣性力經(jīng)懸臂梁21、27、41、47和杠桿機(jī)構(gòu)22、42放大，施加在音叉28、48的軸向，音叉28、48一個(gè)承受拉應(yīng)力、一個(gè)承受壓應(yīng)力，承受拉應(yīng)力作用的音叉諧振頻率增大，承受壓應(yīng)力作用的音叉諧振頻率減小，檢測(cè)兩個(gè)諧振頻率之差作為輸出，利用音叉28、48中間兩側(cè)的梳齒結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靜電驅(qū)動(dòng)和電容拾振，由測(cè)得的諧振頻率解算出被測(cè)加速度。
綜上所述，本發(fā)明提出了一種新穎結(jié)構(gòu)形式的雙軸諧振式微機(jī)械加速度計(jì)，它體積小、重量輕，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的二維加速度測(cè)量，開拓了這類加速度計(jì)在高精度領(lǐng)域的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種雙軸諧振式微機(jī)械加速度計(jì)，其特征在于包括基片、質(zhì)量塊、8個(gè)懸臂梁、4個(gè)杠桿放大機(jī)構(gòu)、4個(gè)音叉和4組齒樞、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極，整個(gè)結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱圖形，通過一個(gè)質(zhì)量塊敏感兩個(gè)正交方向的加速度；質(zhì)量塊呈“回”字型，質(zhì)量塊中間是8個(gè)懸臂梁、4個(gè)杠桿放大機(jī)構(gòu)、4個(gè)音叉和4組齒樞、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極，諧振梁采用雙端固定音叉的形式，每個(gè)音叉的兩端通過細(xì)頸結(jié)構(gòu)分別與杠桿放大機(jī)構(gòu)和錨點(diǎn)固連，音叉對(duì)稱布置，音叉兩側(cè)對(duì)稱布置有齒樞、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙軸諧振式微機(jī)械加速度計(jì)，其特征在于所述的杠桿機(jī)構(gòu)由三級(jí)放大桿件組成，杠桿機(jī)構(gòu)通過4個(gè)錨點(diǎn)與基片鍵合連接，杠桿機(jī)構(gòu)的一端與質(zhì)量塊連接，另一端與音叉的細(xì)頸結(jié)構(gòu)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙軸諧振式微機(jī)械加速度計(jì)，其特征在于所述的質(zhì)量塊外圍對(duì)稱設(shè)計(jì)有止擋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙軸諧振式微機(jī)械加速度計(jì)，其特征在于所述兩個(gè)對(duì)稱的音叉結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。
全文摘要
雙軸諧振式微機(jī)械加速度計(jì)包括基片、質(zhì)量塊、懸臂梁、杠桿放大機(jī)構(gòu)、音叉、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極、齒樞和止擋。結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱圖形，通過一個(gè)質(zhì)量塊敏感兩個(gè)正交方向的加速度，質(zhì)量塊呈“回”字型，質(zhì)量塊中間是懸臂梁、杠桿放大機(jī)構(gòu)、音叉、齒樞和驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極，質(zhì)量塊外圍是止擋。發(fā)明中的“回”字型的質(zhì)量塊設(shè)計(jì)能夠使元件有限體積下實(shí)現(xiàn)較大的質(zhì)量塊；8根懸臂梁組成的彈性支撐實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)正交方向的解耦，使兩個(gè)方向的靈敏度、分辨率都較高；諧振梁采用雙端固定音叉的形式，其兩端通過細(xì)頸結(jié)構(gòu)與外圍固連；以對(duì)稱布置的兩個(gè)音叉實(shí)現(xiàn)諧振頻率的差動(dòng)輸出。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)形式使微機(jī)械加速度計(jì)在兩個(gè)正交方向均有較高的靈敏度、分辨率，易于實(shí)現(xiàn)高精度的二維加速度測(cè)量。
文檔編號(hào)G01P15/097GK1844932SQ20061001195
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月23日
發(fā)明者樊尚春, 任杰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)