一種雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計，包括上層硅微機械結(jié)構(gòu)和下層玻璃基座，上層硅微機械結(jié)構(gòu)鍵合在玻璃基座上。其中上層硅微機械結(jié)構(gòu)由四部分完全相同的上層硅微機械子結(jié)構(gòu)組成，其中左側(cè)上下兩部分結(jié)構(gòu)形成一組差分結(jié)構(gòu)，測量Y方向加速度；右側(cè)上下兩部分結(jié)構(gòu)形成另一組差分結(jié)構(gòu)，測量X方向加速度。本發(fā)明提出的雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計，不僅可以有效抑制兩組構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)的兩個諧振器之間的共模誤差，消除兩個諧振器之間的耦合影響，而且可以實現(xiàn)X方向和Y方向之間的解耦。
【專利說明】一種雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雙軸分體式差分硅微諧振式加速度慣性傳感器，屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)和微慣性測量【技術(shù)領域】。

【背景技術(shù)】
[0002]20世紀80年代以來，微機電系統(tǒng)和微型制造技術(shù)的發(fā)展推動了微慣性技術(shù)和微慣性儀表的發(fā)展，導致了新一代加速度計和陀螺儀的產(chǎn)生。微慣性儀表大都通過半導體加工工藝制作，體積小、質(zhì)量輕、功耗低。采用硅作為加工材料，并使用與微電子集成電路制造工藝兼容的加工工藝，可以將硅微慣性器件的敏感表頭與信號處理電路集成在一個芯片上，從而實現(xiàn)批量生產(chǎn)，降低成本。與傳統(tǒng)慣性儀表相比，微慣性器件還有可靠性高，測量范圍大的特點。微慣性器件的這些特點使得它具有更寬廣的應用范圍，不僅可以用在汽車工程、移動通信、大地測量、地質(zhì)勘探、微型衛(wèi)星、運動器材等民用領域，還可以應用在軍事領域上，包括制導炸彈、無人駕駛機智能炸彈等。
[0003]硅微諧振式加速度計是一種典型的微機械慣性器件，其工作原理是:振梁在受到軸向外力作用時諧振頻率發(fā)生變化，通過檢測振梁諧振頻率的變化量來獲取輸入的加速度大小。硅微諧振式加速度計輸出頻率信號，是一種準數(shù)字信號，不易受到環(huán)境噪聲的干擾，且具有很高的穩(wěn)定性，信號不需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，直接進入數(shù)字系統(tǒng)，傳輸過程中不易出現(xiàn)失真。因此，這種傳感器易于實現(xiàn)高精度測量，屬于高性能器件，同時它又具有一般硅微慣性器件的諸多特點，使其成為新一代高精度微機械加速度計的發(fā)展方向之一。
[0004]目前，國內(nèi)外對于單軸硅微諧振式加速度計的研宄已經(jīng)取得了較好的研宄成果，而對雙軸諧振式硅微加速度計的研宄大多還停留在理論層面上，較少單位進行了實際加工并取得測試結(jié)果。但在實際應用中又常常需要使用雙軸或三軸加速度計來測量加速度計矢量，而現(xiàn)有的一些雙軸結(jié)構(gòu)大多存在差分諧振器之間的耦合或X、Y方向的交叉耦合嚴重等冋題。
[0005]雙軸加速度計可以應用于衛(wèi)星導航、導彈制導、炮彈定向等軍工項目和汽車防震保護、自動剎車、醫(yī)療等民用項目。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)測量兩正交方向加速度的雙軸硅微諧振式加速度計。該雙軸硅微諧振式加速度計實現(xiàn)了檢測同一方向加速度的兩個差分諧振器之間的解耦以及兩正交方向之間的解耦。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計，包括上層硅微機械結(jié)構(gòu)和下層玻璃基座，上層硅微機械結(jié)構(gòu)鍵合在下層玻璃基座上；其中下層玻璃基座上濺射有信號引線，而上層硅微機械結(jié)構(gòu)包括四個上層硅微機械子結(jié)構(gòu)，分別為第一、第二、第三、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)，第一、第二、第三、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)按逆時針方向依次排列，并鍵合在下層玻璃基座上；其中，第一、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第一組加速度測量模塊，第二、第三上層硅微機械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第二組加速度測量模塊，且所述第一組加速度測量模塊測量的加速度與第二組加速度測量模塊測量的加速度相互垂直。
[0008]優(yōu)選的:第二上層硅微機械子結(jié)構(gòu)與第三上層硅微機械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層硅微機械結(jié)構(gòu)中心水平軸完全對稱；而第一上層硅微機械子結(jié)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)180度后與第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層娃微機械結(jié)構(gòu)中心水平軸完全對稱。
[0009]優(yōu)選的:所述上層硅微機械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、質(zhì)量塊錨區(qū)、質(zhì)量塊支撐梁、以及諧振器子結(jié)構(gòu)；所述質(zhì)量塊通過質(zhì)量塊支撐梁與質(zhì)量塊錨區(qū)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)設置于質(zhì)量塊中部。
[0010]優(yōu)選的:就一個上層硅微機械子結(jié)構(gòu)而言，所述質(zhì)量塊為中空的十字形塊狀結(jié)構(gòu)，所述質(zhì)量塊錨區(qū)、質(zhì)量塊支撐梁的個數(shù)分別為4個，所述質(zhì)量塊錨區(qū)分別設置于質(zhì)量塊的四個頂角位置，且通過質(zhì)量塊支撐梁使質(zhì)量塊錨區(qū)與質(zhì)量塊相互連接，且所述質(zhì)量塊支撐梁分為兩組，其中一組質(zhì)量塊支撐梁安裝在質(zhì)量塊的一側(cè)，而另一組安裝在質(zhì)量塊的另一側(cè)，且該兩組質(zhì)量塊支撐梁關(guān)于質(zhì)量塊水平中心軸對稱。
[0011]優(yōu)選的:所述諧振器子結(jié)構(gòu)包括兩個一級杠桿放大機構(gòu)和一個音叉諧振器；
[0012]所述一級杠桿放大機構(gòu)包括輸入梁、杠桿臂、支點梁、輸出梁和杠桿錨區(qū)，其中，支點梁和輸出梁分別設置在杠桿臂的同一端，而杠桿臂的另一端設置輸入梁，且所述輸入梁與輸出梁分別位于杠桿臂的兩側(cè)，同時所述支點梁處于輸入梁與輸出梁之間，所述支點梁與杠桿錨區(qū)相連；兩個一級杠桿放大機構(gòu)分別通過輸入梁與質(zhì)量塊連接，兩個一級杠桿放大機構(gòu)位于同一條直線上且兩個一級杠桿放大機構(gòu)對稱設置，而輸出梁與音叉諧振器的第一連接塊相連；
[0013]所述音叉諧振器包括諧振器錨區(qū)、諧振器錨區(qū)連接梁、諧振器端部、諧振器第一連接塊、諧振器第二連接塊、驅(qū)動固定梳齒、驅(qū)動電極、檢測固定梳齒、檢測電極、可動梳齒、梳齒架以及兩根諧振梁；兩根諧振梁平行排列，且兩根諧振梁的一端連接到第一連接塊的一端，而第一連接塊的另一端連接到兩個一級杠桿放大機構(gòu)的輸出梁上，同時兩個諧振梁的另一端連接到第二連接塊的一端，而第二連接塊的另一端與諧振器端部相接；所述兩根諧振梁的外側(cè)均設置有梳齒架，而可動梳齒分別附加在梳齒架上，檢測固定梳齒分別附加在檢測電極上，驅(qū)動固定梳齒別附加在驅(qū)動電極上，且可動梳齒分別與驅(qū)動固定梳齒、檢測固定梳齒形成電容器。
[0014]優(yōu)選的:所述支撐梁采用折疊梁形式，一端與質(zhì)量塊相接，另一端與質(zhì)量塊錨區(qū)相接；且所述支撐梁的形變方向與諧振梁振動方向相垂直。
[0015]本發(fā)明的原理，硅結(jié)構(gòu)層由完全分離的四部分結(jié)構(gòu)組成，形成兩組差分結(jié)構(gòu)，其中左側(cè)一組結(jié)構(gòu)測量Y方向加速度，即第二上層硅微機械子結(jié)構(gòu)與第三上層硅微機械子結(jié)構(gòu)，且第二上層硅微機械子結(jié)構(gòu)與第三上層硅微機械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層硅微機械結(jié)構(gòu)中心水平軸完全對稱；右側(cè)一組結(jié)構(gòu)測量X方向加速度，即第一上層硅微機械子結(jié)構(gòu)與第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)，且第一上層硅微機械子結(jié)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)180度后與第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層娃微機械結(jié)構(gòu)中心水平軸完全對稱。四部分結(jié)構(gòu)完全分離，兩正交方向加速度的測量互不干擾，實現(xiàn)了兩正交方向上的完全解耦；每組差分結(jié)構(gòu)中的上下質(zhì)量塊完全分離，從而隔斷上下諧振器通過質(zhì)量塊發(fā)生相互作用的通道，消除了上下諧振器之間的耦合；每部分結(jié)構(gòu)都包括質(zhì)量塊、支撐梁、錨區(qū)、一級杠桿放大機構(gòu)、諧振器；每部分結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊通過四根支撐梁與錨區(qū)相連；諧振器位于質(zhì)量塊的中間，一端連接在杠桿機構(gòu)的輸出梁上，另一端與錨區(qū)相接；兩個一級杠桿放大機構(gòu)，其中杠桿機構(gòu)的輸出梁和支點梁位于杠桿臂的內(nèi)側(cè)，輸入梁位于杠桿臂的外側(cè)。
[0016]當有加速度輸入時，質(zhì)量塊把加速度轉(zhuǎn)化成慣性力，被杠桿機構(gòu)放大的慣性力施加在諧振器上，導致差分諧振器中的一個諧振器諧振頻率增加，另一個諧振器諧振頻率減小，通過測量兩個諧振器的諧振頻率差就可以得到輸入加速度大小。兩個諧振器尺寸完全相同，且差分布置，可有效抑制共模誤差。
[0017]本發(fā)明提供的一種雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果:
[0018]1.測量X方向加速度的兩部分結(jié)構(gòu)完全相同，第一上層硅微機械子結(jié)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)180度后與第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層硅微機械結(jié)構(gòu)中心水平軸完全對稱，構(gòu)成差分形式，對溫度等因素引起的響應具有一致性，有利于消除共模誤差。
[0019]2.測量X方向加速度的兩部分結(jié)構(gòu)完全隔離，隔斷了上下諧振器相互作用的通道，從而消除差分諧振器之間的耦合作用。
[0020]3.測量Y方向加速度的兩部分結(jié)構(gòu)完全相同，關(guān)于硅結(jié)構(gòu)層中心水平軸完全對稱，構(gòu)成差分形式，對溫度等因素引起的響應具有一致性，有利于消除共模誤差。
[0021]4.測量Y方向加速度的兩部分結(jié)構(gòu)完全隔離，隔斷了上下諧振器相互作用的通道，從而消除差分諧振器之間的耦合作用。
[0022]5.四部分結(jié)構(gòu)均有獨立的質(zhì)量塊，可以完全消除X、Y兩正交方向之間的耦合作用。
[0023]6.在加速度作用下，差分諧振器頻率分別增大和減小，通過測量兩個諧振器的頻率變化之差，可以得到該方向加速度大小。差分形式可增大諧振器輸出信號，提高靈敏度，更易檢測。
[0024]7.靜電激勵采用梳齒電容結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的平行板電容結(jié)構(gòu)相比，一方面可以獲得較大的振幅；另一方面受到的阻尼為滑膜阻尼，可提高品質(zhì)因數(shù)。
[0025]8.諧振梁不直接與諧振器錨區(qū)相連，有利于釋放加工和環(huán)境溫度所引起的熱應力。
[0026]綜上所述，本發(fā)明提出的雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計，不僅可以有效抑制兩組構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)的兩個諧振器之間的共模誤差，消除兩個諧振器之間的耦合影響，而且可以實現(xiàn)X方向和Y方向之間的解耦。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的一種分體式差分硅微諧振式加速度計的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2為本發(fā)明的子諧振器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]其中，la、lb、lc、ld均為質(zhì)量塊，2a、2b、2c、2d均為諧振器子結(jié)構(gòu)，3al、3a2、3a3、3a4 ;3bl、3b2、3b3、3b4 ;3cl、3c2、3c3、3c4 ;3dl、3d2，3d3、3d4 均為質(zhì)量塊支撐梁，4al、4a2、4a3、4a4 ;4bl、4b2、4b3、4b4 ;4cl、4c2、4c3、4c4 ;4dl、4d2，4d3、4d4 均為質(zhì)量塊錨區(qū)，5a、5b均為一級杠桿放大機構(gòu)，6a、6b均為輸入梁，7a、7b均為杠桿臂，8a、8b均為支點梁，9a、9b均為輸出梁，10a、10b均為杠桿錨區(qū)；12a、12b均為諧振梁，11為諧振梁第一連接塊，19為諧振梁第二連接塊，14al、14a2、14bl、14b2均為驅(qū)動固定梳齒，13al、13a2、13bl、13b2均為驅(qū)動電極，15a、15b均為檢測固定梳齒，16a、16b均為檢測電極，17a、17b均為可動梳齒，18a、18b均為梳齒架，20a、20b均為諧振器錨區(qū)，21a、21b均為諧振器錨區(qū)連接梁，22為諧振器端部。

【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0031]一種雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計，如圖1所示，包括上層硅微機械結(jié)構(gòu)和下層玻璃基座，上層硅微機械結(jié)構(gòu)鍵合在下層玻璃基座上；其中下層玻璃基座上濺射有信號引線，而上層硅微機械結(jié)構(gòu)包括四個上層硅微機械子結(jié)構(gòu)，分別為第一、第二、第三、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)，第一、第二、第三、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)按逆時針方向依次排列在下層玻璃基座上；其中，第一、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第一組加速度測量模塊，第二、第三上層硅微機械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第二組加速度測量模塊，且所述第一組加速度測量模塊測量的加速度與第二組加速度測量模塊測量的加速度相互垂直。
[0032]第二上層硅微機械子結(jié)構(gòu)與第三上層硅微機械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層硅微機械結(jié)構(gòu)中心水平軸完全對稱；而第一上層硅微機械子結(jié)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)180度后與第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層娃微機械結(jié)構(gòu)中心水平軸完全對稱
[0033]所述上層硅微機械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊(la、lb、lc、ld)、質(zhì)量塊錨區(qū)(4al、4a2、4a3、4a4 ;4bl、4b2、4b3、4b4 ;4cl、4c2、4c3、4c4 ;4dl、4d2，4d3、4d4)、質(zhì)量塊支撐梁(3al、3a2、3a3、3a4 ;3bl、3b2、3b3、3b4 ;3cl、3c2、3c3、3c4 ;3dl、3d2，3d3、3d4)、以及諧振器子結(jié)構(gòu)(2a、2b、2c、2d);所述質(zhì)量塊(IaUbUcUd)通過質(zhì)量塊支撐梁(3al、3a2、3a3、3a4 ;3bl、3b2、3b3、3b4 ;3cl、3c2、3c3、3c4 ;3dl、3d2，3d3、3d4)與質(zhì)量塊錨區(qū)(4al、4a2、4a3、4a4 ;4bl、4b2、4b3、4b4 ;4cl、4c2、4c3、4c4 ;4dl、4d2，4d3、4d4)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)(2a、2b、2c、2d)設置于質(zhì)量塊(IaUbUcUd)中部。
[0034]如圖1所示，第一上層硅微機械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊la、質(zhì)量塊錨區(qū)(4al、4a2、4a3、4a4)、質(zhì)量塊支撐梁(3al、3a2、3a3、3a4)、以及諧振器子結(jié)構(gòu)2a ;所述質(zhì)量塊Ia通過質(zhì)量塊支撐梁(3al、3a2、3a3、3a4)與質(zhì)量塊錨區(qū)(4al、4a2、4a3、4a4)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)2a設置于質(zhì)量塊Ia中部；
[0035]如圖1所示，第二上層硅微機械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊lb、質(zhì)量塊錨區(qū)(4bl、4b2、4b3、4b4)、質(zhì)量塊支撐梁(3bl、3b2、3b3、3b4)、以及諧振器子結(jié)構(gòu)2b ;所述質(zhì)量塊Ib通過質(zhì)量塊支撐梁(3bl、3b2、3b3、3b4)與質(zhì)量塊錨區(qū)(4bl、4b2、4b3、4b4)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)2b設置于質(zhì)量塊Ib)中部；
[0036]如圖1所示，第三上層硅微機械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊lc、質(zhì)量塊錨區(qū)(4cl、4c2、4c3、4c4)、質(zhì)量塊支撐梁(3cl、3c2、3c3、3c4)、以及諧振器子結(jié)構(gòu)2c ;所述質(zhì)量塊Ic通過質(zhì)量塊支撐梁(3cl、3c2、3c3、3c4)與質(zhì)量塊錨區(qū)(4cl、4c2、4c3、4c4)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)2c設置于質(zhì)量塊Ic中部。
[0037]如圖1所示，第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊IcU質(zhì)量塊錨區(qū)(4dl、4d2，4d3、4d4)、質(zhì)量塊支撐梁(3dl、3d2，3d3、3d4)、以及諧振器子結(jié)構(gòu)2d ;所述質(zhì)量塊Id通過質(zhì)量塊支撐梁(3dl、3d2，3d3、3d4)與質(zhì)量塊錨區(qū)(4dl、4d2，4d3、4d4)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)2d設置于質(zhì)量塊Id中部。
[0038]由上述可知，本發(fā)明的第一、第二、第三、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)均相同，只是其布置方向不一樣。如圖1所示，以上層硅微結(jié)構(gòu)層所在平面平行建立坐標系平面，上層硅微結(jié)構(gòu)層的中心水平軸為X軸，豎直軸為Y軸，
[0039]由于第一、第二、第三、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)均相同，因此，只需要對其中的一個結(jié)構(gòu)進行說明即可，選擇第二上層硅微機械子結(jié)構(gòu)進行說明，所述質(zhì)量塊Ib為中空的十字形塊狀結(jié)構(gòu)，該中空的十字形塊狀結(jié)構(gòu)的四個缺角均為頂角位置，上層硅微機械子結(jié)構(gòu)的包括4個質(zhì)量塊錨區(qū)(4bl、4b2、4b3、4b4)、4個質(zhì)量塊支撐梁(3bl、3b2、3b3、3b4)，4個質(zhì)量塊錨區(qū)(4bl、4b2、4b3、4b4)分別設置于質(zhì)量塊Ib的四個頂角位置，且通過質(zhì)量塊支撐梁(3bl、3b2、3b3、3b4)將質(zhì)量塊錨區(qū)(4bl、4b2、4b3、4b4)與質(zhì)量塊Ib相互連接，且每一個上層硅微機械子結(jié)構(gòu)的所述質(zhì)量塊支撐梁(3bl、3b2、3b3、3b4)分為兩組，其中一組質(zhì)量塊支撐梁(3bl、3b4)安裝在質(zhì)量塊Ia的一側(cè)，而另一組質(zhì)量塊支撐梁(3b2、3b3)安裝在質(zhì)量塊Ib的另一側(cè)，且該兩組質(zhì)量塊支撐梁關(guān)于質(zhì)量塊水平中心軸對稱。
[0040]如圖1所示，所述諧振器子結(jié)構(gòu)(2a、2b、2c、2d)均包括兩個一級杠桿放大機構(gòu)和一個音叉諧振器；
[0041]如圖2所示，為諧振器子結(jié)構(gòu)的示意圖，由于第一、第二、第三、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)均相同，因此只需說明任意一個第一、第二、第三、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)的諧振器子結(jié)構(gòu)即可，為便于說明，對第二上層硅微機械子結(jié)構(gòu)的諧振器子結(jié)構(gòu)2b進行說明，如圖2所示，所述諧振器子結(jié)構(gòu)2b包括兩個一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b)和音叉諧振器，所述一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b)包括輸入梁(6a、6b)、杠桿臂(7a、7b)、支點梁(8a、8b)、輸出梁(9a,9b)和杠桿錨區(qū)(10a、10b)，其中，支點梁(8a,8b)和輸出梁(9a,9b)分別設置在杠桿臂(7a、7b)的同一端，而杠桿臂(7a、7b)的另一端設置輸入梁(6a、6b)，且所述輸入梁(6a、6b)與輸出梁(9a、9b)分別位于杠桿臂(7a、7b)的兩側(cè)，同時所述支點梁(8a、8b)處于輸入梁(6a,6b)與輸出梁(9a,9b)之間，所述支點梁(8a,8b)與杠桿錨區(qū)(1aUOb)相連；兩個一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b)分別通過輸入梁(6a、6b)與質(zhì)量塊Ia連接，兩個一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b)位于同一條直線上且兩個一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b)對稱設置，而輸出梁(9a、9b)與音叉諧振器的第一連接塊11相連；
[0042]所述音叉諧振器包括諧振器錨區(qū)(20a、20b)、諧振器錨區(qū)連接梁(21a、21b)、諧振器端部22、諧振器第一連接塊11、諧振器第二連接塊19、驅(qū)動固定梳齒(14al、14a2、14bl、14b2)、驅(qū)動電極(13al、13a2、13bl、13b2)、檢測固定梳齒(15a、15b)、檢測電極(16a、16b)、可動梳齒(17a、17b)、梳齒架(18a、18b)以及兩個諧振梁(12a、12b);兩根諧振梁(12a、12b)平行排列，且兩個諧振梁(12a、12b)的一端通過第一連接塊11的一端連接在一起，而第一連接塊11的另一端連接到兩個一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b)的輸出梁(9a、9b)上，同時兩個諧振梁(12a、12b)的另一端通過第二連接塊19的一端連接在一起，而第二連接塊19的另一端與諧振器端部22相接；所述兩根諧振梁(12a、12b)相對的外側(cè)均設置有梳齒架(18a、18b)，而可動梳齒(17a、17b)分別附加在梳齒架(18a、18b)上，檢測固定梳齒(15a、15b)分別附加在檢測電極(16a、16b)上，驅(qū)動固定梳齒(14alU4a2U4blU4b2)別附加在驅(qū)動電極(13al、13a2、13bl、13b2)上，且可動梳齒(17a、17b)分別與驅(qū)動固定梳齒(14al、14a2、14bl、14b2)、檢測固定梳齒(15a、15b)形成電容器。
[0043]所述質(zhì)量塊支撐梁(3bl、3b2、3b3、3b4)采用折疊梁形式，一端與質(zhì)量塊Ib相接，另一端與質(zhì)量塊錨區(qū)(4bl、4b2、4b3、4b4)相接；且所述質(zhì)量塊支撐梁(3bl、3b2、3b3、3b4)的形變方向與諧振梁(12a、12b)振動方向相垂直。
[0044]為了更好的說明本發(fā)明，現(xiàn)給出本發(fā)明的一個具體實例。
[0045]結(jié)合圖1，本發(fā)明基于分體式差分硅微諧振式加速度計，包括上層硅微機械結(jié)構(gòu)和下層玻璃基座，上層硅微機械結(jié)構(gòu)鍵合在下層玻璃基座上。其中上層硅微機械結(jié)構(gòu)由四部分完全相同結(jié)構(gòu)組成，且四部分結(jié)構(gòu)完全分離，兩兩組成差分結(jié)構(gòu)。左側(cè)上下兩部分關(guān)于硅結(jié)構(gòu)層中心水平軸完全對稱，形成差分結(jié)構(gòu)，測量Y方向輸入加速度；右側(cè)上下兩部分關(guān)于硅結(jié)構(gòu)層的第一上層硅微機械子結(jié)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)180度后與第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層硅微機械結(jié)構(gòu)中心水平軸完全對稱，形成差分結(jié)構(gòu)，測量X方向輸入加速度。每部分結(jié)構(gòu)由質(zhì)量塊、一級杠桿放大機構(gòu)、音叉諧振器、靜電梳齒驅(qū)動器和梳齒電容檢測器、支撐梁、錨區(qū)組成，下層玻璃基座上濺射有信號引線。硅結(jié)構(gòu)包括四個質(zhì)量塊(la、lb、lc、ld)，四個諧振器子結(jié)構(gòu)(2a、2b、2c、2d)，質(zhì)量塊支撐梁(3al、3a2、3a3、3a4 ;3bl、3b2、3b3、3b4 ；3cl、3c2、3c3、3c4 ;3dl、3d2，3d3、3d4)，質(zhì)量塊錨區(qū)(4al、4a2、4a3、4a4 ;4bl、4b2、4b3、4b4 ；4cl、4c2、4c3、4c4 ;4dl、4d2，4d3、4d4);四個質(zhì)量塊(IaUbUcUd)完全相同，其中質(zhì)量塊lb、lc 通過支撐梁(3bl、3b2、3b3、3b4 ;3cl、3c2、3c3、3c4)分別與質(zhì)量塊錨區(qū)(4bl、4b2、4b3、4b4 ;4cl、4c2、4c3、4c4)相連接，質(zhì)量塊 la、ld 通過支撐梁(3al、3a2、3a3、3a4 ;3dl、3d2，3d3、3d4)分別與質(zhì)量塊錨區(qū)(4al、4a2、4a3、4a4 ;4dl、4d2，4d3、4d4)相連接。支撐梁采用折疊梁形式，一端與質(zhì)量塊相接，另一端與錨區(qū)相接。橫向放置的折疊梁形式的支撐梁可以限制質(zhì)量塊在X方向運動，但不影響其在加速度敏感方向Y方向的運動，減小了 X、Y方向的交叉耦合。豎向放置的折疊梁形式的支撐梁可以限制質(zhì)量塊在Y方向運動，但不影響其在加速度敏感方向X方向的運動，也能減小了 X、Y方向的交叉耦合。四個完全相同部分中，四個質(zhì)量塊(la、lb、lc、ld)完全分離，隔斷了諧振器之間能量傳遞的通道，消除了兩正交方向上的耦合以及測量同一方向加速度的兩差分結(jié)構(gòu)之間的耦合。
[0046]結(jié)合圖1，硅結(jié)構(gòu)層由四部分結(jié)構(gòu)組成，就四分之一結(jié)構(gòu)而言，質(zhì)量塊Ia通過支撐梁(3al、3a2、3a3、3a4)分別與質(zhì)量塊錨區(qū)(4al、4a2、4a3、4a4)相連接；諧振器2a分別與諧振器銷區(qū)(20a、20b)相接；一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b)分別通過支點梁(8a、8b)與杠桿銷區(qū)(10a、10b)相接；從而使機械結(jié)構(gòu)層懸置于玻璃基底的上方。
[0047]結(jié)合圖1，四個諧振器子結(jié)構(gòu)(2a、2b、2c、2d)分別位于質(zhì)量塊(la、lb、lc、Id)中。四個諧振器子結(jié)構(gòu)(2a、2b、2c、2d)結(jié)構(gòu)形式完全相同，僅按不同方向放置，其中2b、2c豎直放置，2a,2d水平放置，均包含兩個一級杠桿放大機構(gòu)和一個音叉諧振器。
[0048]四個諧振器結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)完全相同。結(jié)合圖2，諧振器子結(jié)構(gòu)2b包含有一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b)；一級杠桿放大機構(gòu)5a和一級杠桿放大機構(gòu)5b關(guān)于娃結(jié)構(gòu)層垂直軸對稱放置，一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b)的輸入梁與上質(zhì)量塊Ia連接，輸出梁與音叉諧振器連接塊11相連。一級杠桿放大機構(gòu)(5a、5b)包括輸入梁(6a、6b)，杠桿臂(7a、7b)，支點梁(8a、8b)，輸出梁(9a、9b)，和杠桿錨區(qū)(10a、10b)，其中，輸入梁(6a,6b)位于杠桿臂(7a,7b)的外側(cè)，支點梁(8a、8b)、輸出梁(9a,9b)位于杠桿臂(7a,7b)的內(nèi)側(cè)，支點梁(8a,8b)在水平方向上處于輸入梁(6a、6b)、輸出梁(9a,9b)之間，支點梁(8a,8b)與杠桿錨區(qū)(1aUOb)相連，這樣的結(jié)構(gòu)形式更加滿足加工條件的要求；輸入梁(6a、6b)上端與質(zhì)量塊Ia相連接，下端連接杠桿臂(7a、7b)，支點梁(8a、8b)與杠桿錨區(qū)(10a、10b)相接，起支撐作用。輸出梁(9a、9b)上端與杠桿臂7a、7b相連，下端與音叉諧振器連接塊11相連。
[0049]結(jié)合圖2，音叉諧振器結(jié)構(gòu)包括諧振器錨區(qū)(20a、20b)，諧振器錨區(qū)連接梁(21a、21b)，諧振器端部22，第一連接塊11、第二連接塊19，驅(qū)動固定梳齒(14al、14a2、14bl、14b2)，驅(qū)動電極(13al、13a2、13bl、13b2)，檢測固定梳齒(15a、15b)，檢測電極(16a、16b)，可動梳齒(17a、17b)，梳齒架(18a、18b)，諧振梁(12a、12b)。
[0050]諧振梁(12a、12b)平行排列，兩端通過第一連接塊11，第二連接塊19連接，第一連接塊11另一端連接到對應的一級杠桿放大機構(gòu)，第二連接塊19另一端與諧振器端部13相接；諧振梁(12a、12b)上分別連有梳齒架(18a、18b);可動梳齒(17a、17b)分別附加在梳齒架(18a、18b)上，檢測固定梳齒(15a、15b)分別附加在檢測電極(16a、16b)上，驅(qū)動固定梳齒(14al、14a2、14bl、14b2)別附加在驅(qū)動電極(13al、13a2、13bl、13b2)上。梳齒架與諧振梁相連，其上附加的可動梳齒與固定梳齒形成多組電容器。當在驅(qū)動電極上施加交直流疊加的信號時，可動梳齒受到靜電力作用，會帶動諧振梁以固有頻率振動。當有外加加速度時，通過質(zhì)量塊敏感加速度產(chǎn)生慣性力，并經(jīng)杠桿機構(gòu)放大，作用于諧振梁的軸向，諧振梁振動頻率發(fā)生變化，可動梳齒和檢測固定梳齒形成的電容器電容變化頻率發(fā)生相應的變化，將此信號轉(zhuǎn)化為電壓的變化，通過檢測電壓的變化即可得到加速度的變化。
[0051]本發(fā)明工作原理:通過右側(cè)上下質(zhì)量塊(la、ld)把X方向加速度載荷轉(zhuǎn)換成慣性力，慣性力作用到一級杠桿放大機構(gòu)的輸入梁上，經(jīng)過放大后作用到音叉諧振器上，兩個諧振器一個受到拉力，另一個受到壓力，諧振頻率分別增大和減小，根據(jù)頻差獲得X方向加速度載荷的大?。煌ㄟ^左側(cè)上下質(zhì)量塊(lb、lc)把Y方向加速度載荷轉(zhuǎn)換成慣性力，慣性力作用到一級杠桿放大機構(gòu)的輸入梁上，經(jīng)過放大后作用到音叉諧振器上，兩個諧振器一個受到拉力，另一個受到壓力，諧振頻率分別增大和減小，根據(jù)頻差獲得Y方向加速度載荷的大小。
[0052]由上述可知，該加速度計由四部分完全分離的子結(jié)構(gòu)組成，互不影響，兩兩形成差分結(jié)構(gòu)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)完全解耦。左側(cè)上下兩部分形成差分結(jié)構(gòu)，測量Y方向輸入加速度；右側(cè)上下兩部分形成差分結(jié)構(gòu)，測量X方向輸入加速度。整體結(jié)構(gòu)通過質(zhì)量塊錨區(qū)、杠桿錨區(qū)和諧振器錨區(qū)懸置于玻璃基底的上部。
[0053]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出:對于本【技術(shù)領域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計，其特征在于:包括上層硅微機械結(jié)構(gòu)和下層玻璃基座，上層硅微機械結(jié)構(gòu)鍵合在下層玻璃基座上；其中下層玻璃基座上濺射有信號引線，而上層硅微機械結(jié)構(gòu)包括四個上層硅微機械子結(jié)構(gòu)，分別為第一、第二、第三、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)，第一、第二、第三、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)按逆時針方向依次排列，并鍵合在下層玻璃基座上；其中，第一、第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第一組加速度測量模塊，第二、第三上層硅微機械子結(jié)構(gòu)形成的差分結(jié)構(gòu)構(gòu)成第二組加速度測量模塊，且所述第一組加速度測量模塊測量的加速度與第二組加速度測量模塊測量的加速度相互垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計，其特征在于:第二上層硅微機械子結(jié)構(gòu)與第三上層硅微機械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層硅微機械結(jié)構(gòu)中心水平軸完全對稱；而第一上層硅微機械子結(jié)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)180度后與第四上層硅微機械子結(jié)構(gòu)關(guān)于上層娃微機械結(jié)構(gòu)中心水平軸完全對稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計，其特征在于:所述上層硅微機械子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、質(zhì)量塊錨區(qū)、質(zhì)量塊支撐梁、以及諧振器子結(jié)構(gòu)；所述質(zhì)量塊通過質(zhì)量塊支撐梁與質(zhì)量塊錨區(qū)相連接，所述諧振器子結(jié)構(gòu)設置于質(zhì)量塊中部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計上層硅微機械子結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述質(zhì)量塊為中空的十字形塊狀結(jié)構(gòu)，所述質(zhì)量塊錨區(qū)、質(zhì)量塊支撐梁的個數(shù)分別為4個，所述質(zhì)量塊錨區(qū)分別設置于質(zhì)量塊的四個頂角位置，且通過質(zhì)量塊支撐梁使質(zhì)量塊錨區(qū)與質(zhì)量塊相互連接，且所述質(zhì)量塊支撐梁分為兩組，其中一組質(zhì)量塊支撐梁安裝在質(zhì)量塊的一側(cè)，而另一組安裝在質(zhì)量塊的另一側(cè)，且該兩組質(zhì)量塊支撐梁關(guān)于質(zhì)量塊水平中心軸對稱。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計，其特征在于:所述諧振器子結(jié)構(gòu)包括兩個一級杠桿放大機構(gòu)和一個音叉諧振器； 所述一級杠桿放大機構(gòu)包括輸入梁、杠桿臂、支點梁、輸出梁和杠桿錨區(qū)，其中，支點梁和輸出梁分別設置在杠桿臂的同一端，而杠桿臂的另一端設置輸入梁，且所述輸入梁與輸出梁分別位于杠桿臂的兩側(cè)，同時所述支點梁處于輸入梁與輸出梁之間，所述支點梁與杠桿錨區(qū)相連；兩個一級杠桿放大機構(gòu)分別通過輸入梁與質(zhì)量塊連接，兩個一級杠桿放大機構(gòu)位于同一條直線上且兩個一級杠桿放大機構(gòu)對稱設置，而輸出梁與音叉諧振器的第一連接塊相連； 所述音叉諧振器包括諧振器錨區(qū)、諧振器錨區(qū)連接梁、諧振器端部、諧振器第一連接塊、諧振器第二連接塊、驅(qū)動固定梳齒、驅(qū)動電極、檢測固定梳齒、檢測電極、可動梳齒、梳齒架以及兩根諧振梁；兩根諧振梁平行排列，且兩根諧振梁的一端連接到第一連接塊的一端，而第一連接塊的另一端連接到兩個一級杠桿放大機構(gòu)的輸出梁上，同時兩根諧振梁的另一端連接到第二連接塊的一端，而第二連接塊的另一端與諧振器端部相接；所述兩個諧振梁的外側(cè)均設置有梳齒架，而可動梳齒分別附加在梳齒架上，檢測固定梳齒分別附加在檢測電極上，驅(qū)動固定梳齒別附加在驅(qū)動電極上，且可動梳齒分別與驅(qū)動固定梳齒、檢測固定梳齒形成電容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙軸分體式差分硅微諧振式加速度計，其特征在于:所述支撐梁采用折疊梁形式，一端與質(zhì)量塊相接，另一端與質(zhì)量塊錨區(qū)相接；且所述支撐梁的形變方向與諧振梁振動方向相垂直。
【文檔編號】G01C19/5621GK104501792SQ201410789858
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】黃麗斌, 高陽, 郭海鵬, 李晴云, 李宏生 申請人:東南大學