CN107328954B - 一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片 - Google Patents
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Abstract
一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，由硅基底和石英音叉梁组成，硅基底由***的支撑框架和内部的敏感质量块组成，支撑框架和敏感质量块上分别带有过载止挡结构，并通过柔性支撑梁连接为一个整体，硅基底上的敏感质量块上开有供石英音叉梁安装和运动的安装对准标记和空槽，且均对称分布于非敏感方向轴线两侧，与被测加速度方向垂直；通过两石英音叉梁频率变化的差值确定加速度大小；当芯片受到过载冲击加速度时，敏感质量块上的过载止挡结构与支撑框架上的过载止挡结构发生硬接触，阻止石英音叉梁和柔性支撑梁进一步变形造成的破坏；本发明能减少恶劣环境对传感器的影响和破坏，扩大应用范围，并且具有准数字输出，精度高，体积小等优点。
Description
技术领域
本发明属于微机械电子(MEMS)数字式加速度计技术领域，具体涉及一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片。
背景技术
传统的石英谐振式加速度传感器有其准数字输出，无数模转换误差，精度高，抗干扰能力强等优于其他类型传感器的特点，但由于石英材料的破坏强度较低，抗冲击过载能力差，其使用范围受到恶劣环境限制。特别是在航空航天及武器***领域，引信***中的传感器网络，需要通过检测外界的加速度来判断打击的行程和目标，在发射和打击过程中，引信***往往要与武器***一起承受上万g的过载加速度，在巨大的惯性冲击下，传感器自身结构容易遭到破坏，因此对传感器的过载有很高的要求。而在飞行过程中，传感器的加速度测量范围比较小，往往只有几十到几百g，所以过载时加速度的大小通常是其测量范围的上百倍到上千倍，远远超过了传感器自身的承受能力，因此需要对传感器芯片进行过载保护。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，具有准数字输出，精度高，抗干扰能力强，体积小等特点。
为了实现上述目标，本发明采用的技术方案为：
一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，由硅基底和石英音叉梁组成，其中硅基底由***的支撑框架1和内部的敏感质量块2组成，支撑框架1和敏感质量块2上分别带有对应过载止挡结构7，并通过柔性支撑梁4连接为一个整体，柔性支撑梁4位于芯片的对角线A上，对称分布，敏感质量块2上刻蚀第一空槽3a和第二空槽3b，敏感质量块2上设置有石英音叉梁的第一安装对准标记5a、第二安装对准标记5b，支撑框架1上设置有第三安装对准标记6a、第四安装对准标记6b，第一安装对准标记5a、第二安装对准标记5b沿轴A对称分布，第三安装对准标记6a、第四安装对准标记6b沿轴A对称分布，第一空槽3a和第二空槽3b对称于轴线A；
所述的石英音叉梁安装于敏感质量块2上，石英音叉梁的第一音叉9a、第二音叉9b分别在第一空槽3a、第二空槽3b中振动，第一安装对准标记5a、第三安装对准标记6a与石英音叉梁的第一底座8a、第二底座10a对齐，第二安装对准标记5b、第四安装对准标记6b分别与石英音叉梁的第三底座8b、第四底座10b对齐，保证两根石英音叉梁平行于对角线A方向且恰好位于第一空槽3a、第二空槽3b的中心位置，石英音叉梁敏感方向为B方向，B方向和对角线A垂直。
所述的过载止挡结构7为多级台阶，由支撑框架1上的第一止挡结构7a和敏感质量块2上的第二止挡结构7b组成，第一止挡结构7a和第二止挡结构7b之间设置有供敏感质量块2测量范围内运动的预留缝隙，预留缝隙的大小自顶角位置沿C方向开始逐级递减，大小为15um-24um不等，并根据过载数量级的要求，设置不用的台阶数目和预留缝隙的大小，C方向为支撑框架1棱边方向，以支撑框架1的顶点为起点，向两棱边延伸，与对角线A成45°角。
所述的石英音叉梁由第一音叉9a和第一底座8a、第二底座10a组成，第一音叉9a的每个插齿上四面镀有电极，电极之间相互电连接，用以石英音叉起振，在逆压电效应作用下，通交变电压，石英音叉梁处于预设振动模态，第一底座8a、第二底座10a上设置有与外部电路相连接的焊盘。
所述的柔性支撑梁4与支撑框架1和敏感质量块2相交位置设置有倒角。
所述的支撑框架1、敏感质量块2和过载止挡结构7为一体化加工。
所述的第一安装对准标记5a、第二安装对准标记5b、第三安装对准标记6a、第四安装对准标记6b刻蚀深度为200um。
所述的第一空槽3a和第二空槽3b宽度为500um，深度为200um，两空槽之间的距离为1000um。
本发明的有益效果为：
测量加速度时，惯性力作用于敏感质量块2上，两根石英音叉梁分别受到拉应力和压应力的作用，进而使得石英音叉梁谐振频率发生变化，通过测量频率变化，可获得加速度信息，测量过程无需数模转换，输出为准数字的加速度信号；支撑框架1、敏感质量块2和过载止挡结构7为一体化加工，无需安装，没有安装误差；在受到瞬时高过载加速度时，进行硬接触自我保护，避免了传感器的破坏，并能迅速恢复正常测量阶段，扩大了其使用范围；不同数量过载台阶能分散过载应力，有效提高了过载能力，通过设置不同数量的台阶和不同台阶之间的距离，进行不同数量级的过载保护。
附图说明
图1为本发明硅基底结构示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为图2的B-B截面示意图。
图4为过载止挡结构放大示意图。
图5为石英音叉梁结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
参照图1和图2，一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，由硅基底和石英音叉梁组成，其中硅基底由***的支撑框架1和内部的敏感质量块2组成，支撑框架1和敏感质量块2上分别带有对应过载止挡结构7，并通过柔性支撑梁4连接为一个整体，柔性支撑梁4位于芯片的对角线A上，对称分布，用于敏感质量块2的固定和在加速度作用下的支撑和转动，柔性支撑梁4与支撑框架1和敏感质量块2相交位置设置有倒角，减少应力集中带来的破坏；敏感质量块2上刻蚀第一空槽3a和第二空槽3b，敏感质量块2上设置有石英音叉梁的第一安装对准标记5a、第二安装对准标记5b，支撑框架1上设置有第三安装对准标记6a、第四安装对准标记6b，第一安装对准标记5a、第二安装对准标记5b沿轴A对称分布，第三安装对准标记6a、第四安装对准标记6b沿轴A对称分布，刻蚀深度为200um左右；第一空槽3a和第二空槽3b对称于轴线A，用来为石英音叉梁提供足够的运动空间，宽度为500um，深度为200um左右，两空槽之间的距离为1000um；
参照图2和图3，所述的石英音叉梁安装于硅基底上，石英音叉梁的第一音叉9a、第二音叉9b分别在第一空槽3a、第二空槽3b中振动，第一安装对准标记5a、第三安装对准标记6a与石英音叉梁的第一底座8a、第二底座10a对齐，第二安装对准标记5b、第四安装对准标记6b分别与石英音叉梁的第三底座8b、第四底座10b对齐，保证两根石英音叉梁平行于对角线A方向且恰好位于第一空槽3a、第二空槽3b的中心位置，石英音叉梁敏感方向为B方向，B方向和对角线A垂直。
参照图4，所述的过载止挡结构7为多级台阶，由支撑框架1上的第一止挡结构7a和敏感质量块2上的第二止挡结构7b组成，第一止挡结构7a和第二止挡结构7b之间设置有供敏感质量块2正常测量范围内运动的预留缝隙，预留缝隙的大小自顶角位置沿C方向开始逐级递减，大小为15um-24um不等，并根据过载数量级的要求，设置不用的台阶数目和预留缝隙的大小，C方向为支撑框架1棱边方向，以支撑框架1的顶点为起点，向两棱边延伸，与对角线A成45°角。
参照图5，所述的石英音叉梁由第一音叉9a和第一底座8a、第二底座10a组成，第一音叉9a的每个插齿上四面镀有电极，电极之间相互电连接，用以石英音叉起振，在逆压电效应作用下，通交变电压，石英音叉梁处于预设振动模态，第一底座8a、第二底座10a上设置有与外部电路相连接的焊盘。
第二音叉9b、第三底座8b、第四底座10b的结构跟上述第一音叉9a、第一底座8a、第二底座10a的结构相同。
本发明的工作原理是：
参照图2，石英音叉梁的逆压电效应被施加的交变电压激励后，按照其预定的固有模态振型振动，在B方向受到加速度的影响后，敏感质量块2由于惯性力，带动石英音叉梁发生形变，且其中一根石英音叉梁受到拉应力频率升高，另一根石英音叉梁受到压应力频率降低，两者的频率差与加速度成比例关系，通过测量频率差，进而获得所测加速度的大小。当受到外界突变的过载加速度作用时，柔性支撑梁4和石英音叉梁的形变增大，此时敏感质量块2上的第二止挡结构7b会与支撑框架1上的第一止挡结构7a发生硬接触，进而阻止敏感质量块2的进一步位移，避免石英音叉梁和柔性支撑梁4变形超过材料的极限强度引起破坏，传感器进入自我保护状态。当加速度恢复到正常测量范围时，敏感质量块2回到原来位置，石英音叉梁恢复其原有振动模态，传感器正常工作。
Claims (6)
1.一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，由硅基底和石英音叉梁组成，其特征在于：其中硅基底由***的支撑框架(1)和内部的敏感质量块(2)组成，支撑框架(1)和敏感质量块(2)上分别带有对应过载止挡结构(7)，并通过柔性支撑梁(4)连接为一个整体，柔性支撑梁(4)位于芯片的对角线A上，对称分布，敏感质量块(2)上刻蚀第一空槽(3a)和第二空槽(3b)，敏感质量块(2)上设置有石英音叉梁的第一安装对准标记(5a)、第二安装对准标记(5b)，支撑框架(1)上设置有第三安装对准标记(6a)、第四安装对准标记(6b)，第一安装对准标记(5a)、第二安装对准标记(5b)沿轴A对称分布，第三安装对准标记(6a)、第四安装对准标记(6b)沿轴A对称分布，第一空槽(3a)和第二空槽(3b)对称于轴线A；
所述的石英音叉梁安装于敏感质量块(2)上，石英音叉梁的第一音叉(9a)、第二音叉(9b)分别在第一空槽(3a)、第二空槽(3b)中振动，第一安装对准标记(5a)、第三安装对准标记(6a)与石英音叉梁的第一底座(8a)、第二底座(10a)对齐，第二安装对准标记(5b)、第四安装对准标记(6b)分别与石英音叉梁的第三底座(8b)、第四底座(10b)对齐，保证两根石英音叉梁平行于对角线A方向且恰好位于第一空槽(3a)、第二空槽(3b)的中心位置，石英音叉梁敏感方向为B方向，B方向和对角线A垂直；
所述的过载止挡结构(7)为多级台阶，由支撑框架(1)上的第一止挡结构(7a)和敏感质量块(2)上的第二止挡结构(7b)组成，第一止挡结构(7a)和第二止挡结构(7b)之间设置有供敏感质量块(2)测量范围内运动的预留缝隙，预留缝隙的大小自顶角位置沿C方向开始逐级递减，大小为15um-24um不等，并根据过载数量级的要求，设置相应的台阶数目和预留缝隙的大小，C方向为支撑框架(1)棱边方向，以支撑框架(1)的顶点为起点，向两棱边延伸，与对角线A成45°角。
2.根据权利要求1所述的一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，其特征在于：所述的石英音叉梁由第一音叉(9a)和第一底座(8a)、第二底座(10a)组成，第一音叉(9a)的每个插齿上四面镀有电极，电极之间相互电连接，用以石英音叉起振，在逆压电效应作用下，通交变电压，石英音叉梁处于预设振动模态，第一底座(8a)、第二底座(10a)上设置有与外部电路相连接的焊盘。
3.根据权利要求1所述的一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，其特征在于：所述的柔性支撑梁(4)与支撑框架(1)和敏感质量块(2)相交位置设置有倒角。
4.根据权利要求1所述的一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，其特征在于：所述的支撑框架(1)、敏感质量块(2)和过载止挡结构(7)为一体化加工。
5.根据权利要求1所述的一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，其特征在于：所述的第一安装对准标记(5a)、第二安装对准标记(5b)、第三安装对准标记(6a)、第四安装对准标记(6b)刻蚀深度为200um。
6.根据权利要求1所述的一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，其特征在于：所述的第一空槽(3a)和第二空槽(3b)宽度为500um，深度为200um，两空槽之间的距离为1000um。
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