CN107655453A - 一种全量程多方向硅微谐振式倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全量程多方向硅微谐振式倾角传感器，包括上层硅结构层、下层玻璃基底、键合层，上层硅结构层包括质量块、质量块锚区以及两对二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构，质量块、质量块锚区、锚区支撑结构与两对二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构分别构成重力方向的第一硅微谐振式倾角传感器子结构和水平方向的第二硅微谐振式倾角传感器子结构；第一、第二硅微谐振式倾角传感器子结构分别关于中心轴对称，形成两组差分式结构倾角测量模块。本发明利用二级微杠杆结构放大质量块结构惯性力，大幅度提高倾角检测灵敏度；利用第一、第二硅微谐振式倾角传感器子结构实现重力方向或结构平面法向上全量程范围内的倾角测量。

Description

一种全量程多方向硅微谐振式倾角传感器

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种微机电***中的硅微谐振式倾角传感器，更为具体的说，是涉及一种全量程多方向硅微谐振式倾角传感器。

背景技术

20世纪80年代以来，随着微机电***(MEMS)和微型制造技术的发展，微惯性仪表技术异军突起，推动了新一代基于微惯性仪表的传感器的发展。其中基于硅微机械谐振器的传感器具备体积小、质量轻、数字式输出等优势，广泛应用于民用、军用领域。

目前许多应用领域经常需要测量物体相对于当前平面的倾角值，因此各类倾角传感器及倾角测量***应运而生。目前常见的倾角传感器主要有固体摆式、液体摆式、气体摆式倾角传感器，虽然在结构设计、***测量方法上各有不同，但其工作原理基本一致，都是基于敏感元件在测量平面内的偏移来计算倾角。现有的微机械倾角传感器多是工作于重力垂直方向的倾角测量，并且只能实现微小角度的测量；少部分可实现大量程测量的倾角传感器一般并不具备高精度测量，且灵敏度有所欠缺，这就极大程度上限制了倾角传感器的应用领域。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种全量程多方向硅微谐振式倾角传感器，在实现大量程测量的基础上达到了高精度标准。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种全量程多方向硅微谐振式倾角传感器，包括上层硅结构层和下层玻璃基底，通过键合层把上层硅结构层悬置于下层玻璃基底之上，所述上层硅结构层包括质量块、质量块锚区以及两对二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构，所述质量块通过锚区支撑结构与质量块锚区连接，其中一对二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构分别沿重力方向连接在质量块两侧，并与质量块、质量块锚区、锚区支撑结构构成重力方向的第一硅微谐振式倾角传感器子结构；另一对二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构分别沿水平方向连接在质量块两侧，并与质量块、质量块锚区、锚区支撑结构构成水平方向的第二硅微谐振式倾角传感器子结构；第一、第二硅微谐振式倾角传感器子结构分别关于中心轴对称，形成两组差分式结构倾角测量模块。

进一步的，所述二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构包括二级杠杆放大结构以及通过二级杠杆放大结构和质量块连接的谐振器。

进一步的，所述二级杠杆放大结构包括杠杆锚区、两根第一级杠杆支点梁、两根第一级杠杆臂、两根第一级杠杆输入梁，两根第一级杠杆输出梁、两根第二级杠杆支点梁、两根第二级杠杆臂、两根第二级杠杆输出梁；两第一级杠杆臂分别通过第一级杠杆支点梁连接在杠杆锚区两端，所述第一级杠杆输入梁垂直连接在第一级杠杆臂远离第一级杠杆支点梁的端部一侧；两第二级杠杆臂分别与杠杆锚区两端的第一级杠杆臂通过第一级杠杆输出梁连接，还分别通过一根第二级杠杆支点梁与杠杆锚区连接；第一级杠杆输出梁连接在第一级杠杆臂接近第一级杠杆支点梁的端部另一侧，第一级杠杆输出梁和第二级杠杆支点梁连接在第二级杠杆臂接近杠杆锚区的同一侧两端，两第二级杠杆臂远离杠杆锚区的另一侧分别与第二级杠杆输出梁连接，两第二级杠杆输出梁与谐振器相连。

进一步的，所述谐振器包括第一连接块、两根谐振梁、两组梳齿电极组件、第二连接块、谐振器端部、两个谐振器固定锚区、两根谐振器锚区连接梁，所述第一连接块与两根第二级杠杆输出梁连接，所述两根谐振梁平行连接在第一连接块远离两第二级杠杆输出梁的一侧，所述第二连接块连接在两根谐振梁远离第一连接块的一端，谐振器端部连接在第二连接块远离两根谐振梁的一端，谐振器端部两端分别通过谐振器锚区连接梁与谐振器固定锚区连接，两组梳齿电极组件分别设置在两根谐振梁的中部两侧，两组梳齿电极组件各自形成电容器。

进一步的，所述梳齿电极组件均包括驱动固定梳齿、驱动电极、检测固定梳齿、检测电极、可动梳齿、梳齿架，所述梳齿架与谐振梁外侧连接，可动梳齿附加在梳齿架上，驱动固定梳齿附加在驱动电极上，检测固定梳齿附加在检测电极上，驱动固定梳齿与可动梳齿中外侧梳齿交错设置，检测固定梳齿与可动梳齿中内侧梳齿交错设置，可动梳齿与驱动固定梳齿、检测固定梳齿形成电容器。

进一步的，所述锚区支撑结构包括若干折叠支撑梁，所述折叠支撑梁连接在质量块与质量块锚区之间。

进一步的，所述质量块锚区位于上层硅结构层的中心位置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明提供的基于硅微谐振式的倾角传感器，利用两对重力方向和水平方向放置的第一、第二硅微谐振式倾角传感器子结构，可实现重力方向的360°全量程倾角测量以及结构平面法向的180°大量程倾角测量，具有灵敏度高、准数字输出、动态范围宽等优势。

2.利用二级杠杆放大结构连接质量块结构与双端固定谐振器结构，大幅度提高了倾角传感器灵敏度，可实现高精度测量。

3.在应用时传感器结构平面法向与重力方向垂直，第一硅微谐振式倾角传感器子结构中谐振梁轴向沿重力方向放置，可实现沿重力方向或结构平面法向的倾角测量。

附图说明

图1为本发明提供的全量程多方向硅微谐振式倾角传感器中上层硅结构层结构示意图。

图2为二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构结构示意图。

附图标记说明：

1-质量块，2-质量块锚区，3-折叠支撑梁，4a-二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅰ，4b-二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅱ，4c-二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅲ，4d-二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅳ，5-第一级杠杆支点梁，6-第一级杠杆臂，7-第一级杠杆输入梁，8-第一级杠杆输出梁，9-第二级杠杆支点梁，10-第二级杠杆臂，11-第二级杠杆输出梁，12-第一连接块，13-谐振梁，14-检测电极，15-检测固定梳齿，16-梳齿架，17-可动梳齿，18-驱动固定梳齿，19-驱动电极，20-谐振器固定锚区，21-谐振器锚区连接梁，22-第二连接块，23-谐振器端部，24-杠杆锚区。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种全量程多方向硅微谐振式倾角传感器，包括上层硅结构层和下层玻璃基底，通过键合层把上层硅结构层悬置于下层玻璃基底之上。由于上层硅结构层、下层玻璃基底及键合层之间的连接为常规结构，在图中没有示出。本发明针对上层硅结构层进行了重新设计，如图1、图2所示，上层硅结构层包括质量块1、质量块锚区2、两对二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构，质量块1通过二级微杠杆放大机构与双端固定谐振器末端相连接。

其中，质量块锚区2位于上层硅结构层的中心位置，而质量块1由唯一的质量块中心锚区2支撑，质量块1通过八个折叠支撑梁3与质量块锚区2连接，质量块锚区2四角上各连接有两个折叠支撑梁。两对二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构包括两个沿重力方向布置在质量块两侧的二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构4a、4c，和两个沿水平方向布置在质量块两侧的二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构4b、4d。两个沿重力方向布置的二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构(4a、4c)和质量块1、质量块锚区2、折叠支撑梁3构成重力方向的第一硅微谐振式倾角传感器子结构；而两个沿水平方向布置的二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构(4b、4d)和质量块1、质量块锚区2、折叠支撑梁3构成重力方向的第二硅微谐振式倾角传感器子结构。第一、第二硅微谐振式倾角传感器子结构分别关于中心轴对称，组成两组差分式结构倾角测量模块。

由于第一、第二硅微谐振式倾角传感器子结构的结构相同，只是布置方向不同，因此，本发明只对其中的一个子结构进行详细说明，而硅微谐振式倾角传感器子结构中每个二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构均相同，仅仅是放置方向相反，因此，本发明以其中一个为例进行详细阐述。

二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构包括二级杠杆放大结构以及通过二级杠杆放大结构和质量块连接的谐振器。二级杠杆放大结构包括两边对称设置的第一级杠杆组件和第二级杠杆组件，具体的说，整体结构包括杠杆锚区24、两根第一级杠杆支点梁5、两根第一级杠杆臂6、两根第一级杠杆输入梁7，两根第一级杠杆输出梁8、两根第二级杠杆支点梁9、两根第二级杠杆臂10、两根第二级杠杆输出梁11。其中，两根第一级杠杆臂6分别通过一根第一级杠杆支点梁5连接在杠杆锚区24两端，且第一级杠杆臂6与第一级杠杆支点梁5位于同一水平轴。两第一级杠杆臂6分别与一根第一级杠杆输入梁7垂直连接。两第二级杠杆臂10分别与杠杆锚区24两端的第一级杠杆臂6通过一根第一级杠杆输出梁8连接，两第二级杠杆臂10还分别通过一根第二级杠杆支点梁9与杠杆锚区24一侧中部连接。第一级杠杆输入梁7连接在第一级杠杆臂6远离第一级杠杆支点梁5的端部一侧(在图2中为上侧)，而第一级杠杆输出梁8连接在第一级杠杆臂6接近第一级杠杆支点梁5的端部另一侧(在图2中为下侧)。第一级杠杆输出梁8同时也作为第二级杠杆输入梁。以一边第二级杠杆臂10为例说明，第一级杠杆输出梁8和第二级杠杆支点梁9均连接在第二级杠杆臂10接近杠杆锚区24的同一侧(图2中为上侧)且分别连接在第二级杠杆臂10的两端。两第二级杠杆臂10远离杠杆锚区24的另一侧分别与一根第二级杠杆输出梁11垂直连接。两根第二级杠杆输出梁11与固定谐振器中的第一连接块12相连。

双端固定谐振器子结构包括第一连接块12、两根谐振梁13、两组梳齿电极组件、第二连接块22、谐振器端部23、两个谐振器固定锚区20、两根谐振器锚区连接梁21。其中，两根谐振梁13平行连接在第一连接块12远离两第二级杠杆输出梁11的一侧(图2中为下侧)，第二连接块22连接在两根谐振梁13远离第一连接块12的一端(图2中为下端)，谐振器端部23连接在第二连接块22远离两根谐振梁13的一端(图2中为下端)。谐振器端部23两端上侧还分别通过一根谐振器锚区连接梁21与一个谐振器固定锚区20连接，两谐振器固定锚区20分别位于两根谐振梁13的两侧。两组梳齿电极组件分别设置在两根谐振梁13的中部两侧，结构相同，设置方向相反。

每组梳齿电极组件均包括驱动固定梳齿18、驱动电极19、检测固定梳齿15、检测电极14、可动梳齿17、梳齿架16。梳齿架16与其中一根谐振梁13外侧连接，可动梳齿17附加在梳齿架16上，驱动固定梳齿18附加在驱动电极19上，检测固定梳齿15附加在检测电极14上，驱动固定梳齿18与可动梳齿17中外侧梳齿交错设置，检测固定梳齿15与可动梳齿17中内侧梳齿交错设置，可动梳齿17与驱动固定梳齿18、检测固定梳齿15形成电容器。

本发明工作原理如下：

本发明利用硅微谐振式加速度计的基本原理，当加速度作用于质量块1时，在惯性力的作用下差分的两个谐振器一个受到拉力作用，其谐振频率变大，一个受到压力作用，其谐振频率变小，通过检测的两个谐振器谐振频率差即可得到当前加速度。硅微谐振式倾角传感器在重力作用下，当倾角传感器发生不同角度的倾斜，在重力方向会形成分量加速度，通过检测分量加速度的大小，从而得到倾角大小。

如图1所示，一种全量程多方向硅微谐振式倾角传感器在应用时，传感器结构平面法向与重力方向垂直，第一硅微谐振式倾角传感器子结构中谐振梁轴向沿重力方向放置，可实现重力方向内或结构平面法向内的倾角测量；当倾角传感器沿重力方向发生倾斜时，所述硅微谐振式倾角传感器可检测(0°，360°)的倾角，当倾角传感器沿结构平面法向发生倾斜时，所述硅微谐振式倾角传感器可检测绕水平方向轴旋转(0°，180°)的倾角，可实现全量程多方向倾角测量。

当所述的全量程多方向硅微谐振式倾角传感器在重力方向发生倾斜时，全量程多方向倾角传感器可实现360°全量程倾角测量，具体的测量方法如下：

当倾斜角在(0°，90°)内，沿重力方向放置的第一硅微谐振式倾角传感器子结构敏感倾角大小，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅰ4a中的谐振器受到压力作用，其谐振频率小于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐增大；二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅲ4c中的谐振器受到拉力作用，其谐振频率大于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐减小。两个谐振器子结构的频差与当前倾角呈一定比例关系。同时沿水平方向放置的第二硅微谐振式倾角传感器子结构可判定角度的倾斜方向，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅳ4d的谐振器受到压力作用，其谐振频率小于基频，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅱ4b的谐振器受到拉力作用，其谐振频率大于基频。

当倾斜角在(90°，180°)内，沿重力方向放置的第一硅微谐振式倾角传感器子结构敏感倾角大小，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅰ4a中的谐振器受到拉力作用，其谐振频率大于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐增大；二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅲ4c中的谐振器受到压力作用，其谐振频率小于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐减小。两个谐振器子结构的频差与当前倾角呈一定比例关系。同时沿水平方向放置的第二硅微谐振式倾角传感器子结构可判定角度的倾斜方向，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅳ4d的谐振器受到压力作用，其谐振频率小于基频，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅱ4b的谐振器受到拉力作用，其谐振频率大于基频。

当倾斜角在(180°，270°)内，沿重力方向放置的第一硅微谐振式倾角传感器子结构敏感倾角大小，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅰ4a中的谐振器受到拉力作用，其谐振频率大于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐减小；二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅲ4c中的谐振器受到压力作用，其谐振频率小于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐增大。两个谐振器子结构的频差与当前倾角呈一定比例关系。同时沿水平方向放置的第二硅微谐振式倾角传感器子结构可判定角度的倾斜方向，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅳ4d的谐振器受到拉力作用，其谐振频率大于基频，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅱ4b的谐振器受到压力作用，其谐振频率小于基频。

当倾斜角在(270°，360°)内，沿重力方向放置的第一硅微谐振式倾角传感器子结构敏感倾角大小，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅰ4a中的谐振器受到压力作用，其谐振频率小于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐减小；二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅲ4c中的谐振器受到拉力作用，其谐振频率大于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐增大。两个谐振器子结构的频差与当前倾角呈一定比例关系。同时沿水平方向放置的第二硅微谐振式倾角传感器子结构可判定角度的倾斜方向，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅳ4d的谐振器受到压拉作用，其谐振频率大于基频，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅱ4b的谐振器受到压力作用，其谐振频率小于基频。

当所述的全量程多方向硅微谐振式倾角传感器沿结构平面法向倾斜时，硅微谐振式倾角传感器可检测绕水平方向轴旋转(0°，180°)的倾角，具体的测量方法如下：

沿重力方向放置的第一硅微谐振式倾角传感器在(0°，180°)区域内敏感倾角大小。当倾角在(0°，90°)区域内，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅰ4a的谐振器受到压力作用，其谐振频率小于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐增大；二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅲ4c的谐振器受到拉力作用，其谐振频率大于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐减小。两个谐振器子结构的频差与当前倾角呈一定比例关系。同时二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅳ4d的谐振器和二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅱ4b的谐振器在轴向未受到外力作用，其谐振频率等于基频。

当倾角在(90°，180°)区域内，二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅰ4a的谐振器受到拉力作用，其谐振频率大于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐增大；二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅲ4c的谐振器受到压力作用，其谐振频率小于基频，且随着角度的增大谐振频率逐渐减小。两个谐振器子结构的频差与当前倾角呈一定比例关系。同时二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅳ4d的谐振器和二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构Ⅱ4b的谐振器在轴向未受到外力作用，其谐振频率等于基频。

本发明提供的全量程多方向硅微谐振式倾角传感器利用二级杠杆放大结构连接质量块结构与双端固定谐振器结构，大幅度提高倾角传感器灵敏度，可实现高精度测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方案，本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种全量程多方向硅微谐振式倾角传感器，包括上层硅结构层和下层玻璃基底，通过键合层把上层硅结构层悬置于下层玻璃基底之上，其特征在于：所述上层硅结构层包括质量块、质量块锚区以及两对二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构，所述质量块通过锚区支撑结构与质量块锚区连接，其中一对二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构分别沿重力方向连接在质量块两侧，并与质量块、质量块锚区、锚区支撑结构构成重力方向的第一硅微谐振式倾角传感器子结构；另一对二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构分别沿水平方向连接在质量块两侧，并与质量块、质量块锚区、锚区支撑结构构成水平方向的第二硅微谐振式倾角传感器子结构；第一、第二硅微谐振式倾角传感器子结构分别关于中心轴对称，形成两组差分式结构倾角测量模块。

2.根据权利要求1所述的全量程多方向硅微谐振式倾角传感器，其特征在于：所述二级微杠杆连接双端固定谐振器子结构包括二级杠杆放大结构以及通过二级杠杆放大结构和质量块连接的谐振器。

3.根据权利要求2所述的全量程多方向硅微谐振式倾角传感器，其特征在于：所述二级杠杆放大结构包括杠杆锚区、两根第一级杠杆支点梁、两根第一级杠杆臂、两根第一级杠杆输入梁，两根第一级杠杆输出梁、两根第二级杠杆支点梁、两根第二级杠杆臂、两根第二级杠杆输出梁；两第一级杠杆臂分别通过第一级杠杆支点梁连接在杠杆锚区两端，所述第一级杠杆输入梁垂直连接在第一级杠杆臂远离第一级杠杆支点梁的端部一侧；两第二级杠杆臂分别与杠杆锚区两端的第一级杠杆臂通过第一级杠杆输出梁连接，还分别通过一根第二级杠杆支点梁与杠杆锚区连接；第一级杠杆输出梁连接在第一级杠杆臂接近第一级杠杆支点梁的端部另一侧，第一级杠杆输出梁和第二级杠杆支点梁连接在第二级杠杆臂接近杠杆锚区的同一侧两端，两第二级杠杆臂远离杠杆锚区的另一侧分别与第二级杠杆输出梁连接，两第二级杠杆输出梁与谐振器相连。

4.根据权利要求3所述的全量程多方向硅微谐振式倾角传感器，其特征在于：所述谐振器包括第一连接块、两根谐振梁、两组梳齿电极组件、第二连接块、谐振器端部、两个谐振器固定锚区、两根谐振器锚区连接梁，所述第一连接块与两根第二级杠杆输出梁连接，所述两根谐振梁平行连接在第一连接块远离两第二级杠杆输出梁的一侧，所述第二连接块连接在两根谐振梁远离第一连接块的一端，谐振器端部连接在第二连接块远离两根谐振梁的一端，谐振器端部两端分别通过谐振器锚区连接梁与谐振器固定锚区连接，两组梳齿电极组件分别设置在两根谐振梁的中部两侧，两组梳齿电极组件各自形成电容器。

5.根据权利要求4所述的全量程多方向硅微谐振式倾角传感器，其特征在于：所述梳齿电极组件均包括驱动固定梳齿、驱动电极、检测固定梳齿、检测电极、可动梳齿、梳齿架，所述梳齿架与谐振梁外侧连接，可动梳齿附加在梳齿架上，驱动固定梳齿附加在驱动电极上，检测固定梳齿附加在检测电极上，驱动固定梳齿与可动梳齿中外侧梳齿交错设置，检测固定梳齿与可动梳齿中内侧梳齿交错设置，可动梳齿与驱动固定梳齿、检测固定梳齿形成电容器。

6.根据权利要求1所述的全量程多方向硅微谐振式倾角传感器，其特征在于：所述锚区支撑结构包括若干折叠支撑梁，所述折叠支撑梁连接在质量块与质量块锚区之间。

7.根据权利要求1所述的全量程多方向硅微谐振式倾角传感器，其特征在于：所述质量块锚区位于上层硅结构层的中心位置。