CN111812355B - 一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计结构，主要包括质量块、杠杆放大结构、双端固支音叉谐振器(DETF)、低应力框架、支撑梁和外框架，且各结构对称分布。加速度计结构分为两层，其中上层制作了加速度计的机械结构，下层的硅衬底在键合后可为上层结构提供支撑，中间连接有金属电极，用于导出电信号。本发明通过布置对称分布于谐振器上下两侧的固定锚点，降低工作温度变化对谐振器所产生的热应力，从而减少了温度漂移对器件性能的影响问题，由此提高了谐振式加速度计的温度稳定性。

Description

一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计结构

技术领域：

本发明属于微机电***技术领域，涉及一种去应力硅微谐振式加速度计结构，应用了微惯性传感器技术，它作为微惯性器件广泛应用于汽车工业、航空航天、地震监测、消费类电子等领域。

背景技术：

加速度计是惯性***的核心仪表，其技术指标直接影响惯导***整体性能。近30年来，由于对器件低成本和高性能的需要，以IC工艺和微机械加工工艺为基础的微机械加速度计，相比于传统惯性仪表，具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、过载能力强和可批量生产等特点，因而具有广泛的应用前景。同时，经过不断的发展和改进，MEMS谐振式加速度计正在从低精度向高精度领域迈进。其中，硅微加速度计的种类主要有谐振式、电容式、压阻式、压电式、热对流式和隧道电流式等。

硅微谐振式加速度计(MSRA)可直接把加速度转化为频率输出，避免了幅度测量的误差不易受到环境噪声的干扰，且同时具有前述中体积小、功耗低、准数字量输出、成本低、可批量制造、灵敏度高和精度提升大等优点，是一种具有良好应用前景的高精度MEMS惯性仪表。

MEMS谐振式加速度计一般由敏感质量块、杠杆放大结构、谐振梁(DETF)和支撑结构四部分组成。当外界有加速度输入时，敏感质量块会将沿轴向的惯性力传递到杠杆放大结构上，经过微杠杆放大后作用于谐振梁结构，谐振梁受力变形产生拉或压的变化，从而导致谐振梁的谐振频率发生变化，利用谐振梁的力频特性，通过测量谐振梁频率变化量即可获取载体的加速度。

美国Draper实验室对谐振加速度计的研究一直处于国际领先地位，研究开发的硅微谐振式加速度计标度因数月稳定性达到0.73×10-6，零偏月稳定性达2μg。美国加州大学伯克利分校应用SOI-MEMS加工工艺研制的基于两级微杠杆机构的谐振式加速度计，灵敏度达到160Hz/g。此外，意大利米兰理工、法国宇航局、韩国首尔大学等均展开了相关研究。

我国从20世纪80年代末开始研究微机械加速度计，目前北京大学、南京理工大学、东南大学、浙江大学、中科院等都在积极开展微机械加速度计的研发工作。尽管研究人员，已经开发出单轴、双轴甚至三轴的谐振式加速度计，且在提升谐振器标度因数和量程上取得了突破，但国内现有的硅微谐振式加速度计由于在结构设计和工艺参数上的原因，仍难以克服硅-玻璃热膨胀系数不匹配、频率稳定性差和残余应力不能释放等问题，使得加速度计在性能上存在严重的零偏稳定性和温度漂移问题，因而严重制约了谐振式加速度的性能和应用环境，难以制备出符合战术级装备需要的高精度器件。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：打破现有技术的瓶颈，提出一种低应力敏感度的硅微谐振式加速度计结构，以解决现有微机械加速度计灵敏度不高、受工作温度和加工环境影响大、抗冲击能力差等问题，实现加速度计的高精度测量。

本发明的技术解决方案：一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计结构，结构分为两层，上层的机械结构制作在单晶硅片上，下层的玻璃基底上制作电极引线。其中，上层机械结构包括质量块、双端固支音叉谐振器、微杠杆放大机构、支撑梁、低应力框架和外框架，并通过锚点将机械结构固定在基底上。其中，质量块用于传递惯性力，它分别连接微杠杆放大机构和支撑结构，双端固支音叉谐振器通过两侧的梳齿结构进行驱动与检测。当被测加速度输入到器件中时，质量块会在惯性力的作用下产生位移，并将所产生的惯性力通过微杠杆机构进行力放大后作用于谐振器，由此改变谐振器的固有频率，再由检测电极通过信号处理得到被测加速度。

其中，所述的质量块、微杠杆放大结构、双端固支音叉谐振器、梳齿结构、支撑结构均采用标准体硅工艺制作，所用材料为单晶硅。

其中，所述的基底材料可选用温度特性与硅接近的硼低酸玻璃，基底与音叉谐振器、低应力锚点和外框架之间通过锚点采用键合工艺相连接，且上、下两个低应力锚点位于结构中线上且中心对称分布。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用对称分布于谐振器两侧低应力锚点，可有效去除谐振器在加工过程和环境温度变化所产生的沿X轴方向的热应力。微杠杆放大机构实现了对微小惯性力的放大且减小了因结构刚性连接所带来的惯性力损耗，从而提高了谐振器的工作量程。通过四个对称分布的支撑结构与外框架相连接，将质量块悬浮于基底上，极大的减小了交叉耦合对谐振器测量精度的影响，且增大整体结构的抗冲击能力。

附图说明

图1 低应力敏感度谐振式加速度计的结构示意图

图2 微杠杆放大机构的结构示意图

图3 双端固支音叉谐振器的结构示意图

具体实施方式

结合图1，本发明为一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计结构，其结构分为上层的单晶硅层，以及下层的玻璃基底层。上层机械结构包括质量块(1)、双端固支音叉谐振器(2a、2b)、微杠杆放大机构(3a、3b、3c、3d)、低应力框架(4)、支撑梁(5a、5b、5c、5d)和外框架(6)。本发明整体结构为对称图形，敏感轴为X轴。其中，质量块(1)分别连接微杠杆放大机构(3a、3b、3c、3d)和支撑梁(5a、5b、5c、5d)，通过优化微杠杆放大机构和支撑结构的结构参数，实现了被测加速度计所产生惯性力的有效放大并对两正交敏感方向的解耦合，使加速度计具有更高的灵敏度和和更大的量程。所述的双端固支音叉谐振器(2a、2b)是一对结构参数相同且对称分布的敏感结构，构成一组差动式谐振音叉结构。其中其一端通过杠杆机构(3a、3b、3c、3d)与质量块(1)相连接，另一端与固定有低应力锚点(7a、7b)的硅结构框架(4)连接。外框架通过锚点固定在基底上。所有锚点均与玻璃基底进行键合，使上层硅层的机械结构悬浮于下层玻璃基底之上。所述的支撑结构为U型梁，是轴对称结构。所述的微杠杆放大机构是一级杠杆放大机构，通过低应力锚点(7a、7b)固定在基底上。

结合图2，微杠杆放大机构的支点梁(8a、8b、8c、8d)、输入梁(9a、9b、9c、9d)和输出梁(10a、10b、10c、10d)均采用细梁结构，且支点梁与杠杆的轴向相互垂直，由此使得杠杆放大倍数接近理想值水平。

结合图3，本发明的谐振式加速度计结构，包含一对结构完全相同且位置对称的谐振器，分别是左侧谐振器(2a)和右侧谐振器(2b)，一对谐振器结构中又包含了六个固定驱动电极(11a、11b、11c、11d、11e、11f)和六个固定检测电极(12a、12b、12c、12d、12e、12f)，其中检测电极靠近结构中心，驱动电极远离结构中心，且左侧固定驱动电极(11a、11b、11c)与右侧固定驱动电极(11d、11e、11f)对称，左侧固定检测电极(12a、12b、12c)与右侧固定检测电极(12d、12e、12f)对称。所述的每个固定电极均通过锚点连接在基底上。可采用压膜或滑膜方式驱动与检测电容的变化，从而获得频率改变量。

所述，质量块在被测加速度计输入时产生的惯性力分别经过微杠杆放大机构进行力放大后，作用于谐振器，使得谐振器的固有频率发生变化，通过测量检测电容的变化进而得到被测加速度值。

所述的质量块、微杠杆放大结构、双端固支音叉谐振器、支撑结构均采用标准体硅工艺制作，选用单晶硅作为材料。基底材料可选用温度特性与硅接近的硼硅酸玻璃，基底与各机械结构之间通过锚点采用硅-玻璃键合工艺相连接。

本发明的工作原理：当有外力输入到加速度计时，质量块可将被测加速度转化为惯性力，惯性力再经过微杠杆放大机构的力放大作用后作用于谐振敏感结构，使得谐振敏感结构的固有频率发生改变，通过测量谐振器的固有频率变化量即可得到被测加速度值。如图1，当有X轴方向的加速度分量时，质量块产生沿X轴的惯性力，经过力放大后，谐振器一个受拉力固有频率增加，另一个受压力固有频率减小，使得两谐振器形成一对差动敏感结构。利用驱动梳齿驱动谐振器以固有频率振动，检测梳齿检测谐振器在惯性力输入下的固有频率变化，从而得到沿X轴加速度分量的值。

其中，可通过下式计算得到谐振器未受外力时的谐振频率

综上所述，本发明提出一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计，它具有灵敏度高、量程大、结构简单、温度稳定性好等特点，可适用于航空航天、地震监测等领域。

Claims (5)

1.一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计，由上、下两层结构组成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计的机械结构，下层为制作在玻璃基底上的金属电极，其特征在于：上层机械结构包括质量块(1)、双端固支音叉谐振器(2a、2b)、微杠杆放大机构(3a、3b、3c、3d)、低应力框架(4)、支撑结构(5a、5b、5c、5d)和外框架(6)，质量块(1)内部包括微杠杆放大机构(3a、3b、3c、3d)、低应力框架(4)和低应力锚点(7a、7b)，质量块(1)外部则包括支撑结构(5a、5b、5c、5d)和外框架(6)；

其中，所述双端固支音叉谐振器(2a、2b)是一对结构参数相同且在X方向上对称分布的敏感结构；

其中，所述每个固支音叉谐振器的一端通过微杠杆放大机构(3a、3b、3c、3d)与质量块(1)相连接，另一端与固定有低应力锚点(7a、7b)的低应力框架(4)连接；所述微杠杆放大机构(3a、3b、3c、3d)是一级杠杆放大机构，通过低应力锚点(7a、7b)固定在基底上；

其中，所述低应力框架(4)呈“中”字型结构且位于所述质量块(1)内部，所述低应力锚点(7a、7b)对称分布于低应力框架(4)上，且位于所述双端固支音叉谐振器(2a、2b)两侧，以去除所述双端固支音叉谐振器(2a、2b)在加工过程和环境温度变化所产生的敏感轴X轴方向的热应力。

2.根据权利要求1所述的一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计，其特征在于，质量块(1)是占用芯片面积最多的结构，质量块(1)直接与支撑结构(5a、5b、5c、5d)和微杠杆放大机构的输入梁(9a、9b、9c、9d)相连接，支撑结构(5a、5b、5c、5d)则位于质量块(1)的外部和有固定锚点的外框架(6)的内部并与两者相连接，外框架(6)起到支撑质量块(1)的作用，支撑结构(5a、5b、5c、5d)则对来自外部的惯性力起到缓冲作用，此外，在质量块(1)内部，分别位于结构左上、左下、右上和右下的四个中心对称的微杠杆放大机构(3a、3b、3c、3d)与外部的质量块(1)通过输入梁(9a、9b、9c、9d)相连，并通过输出梁(10a、10b、10c、10d)与双端固支音叉谐振器(2a、2b)相连接，用于传递和放大来自敏感轴X轴方向的惯性力。

3.根据权利要求1所述的一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计，其特征在于，低应力框架(4)同样位于质量块(1)内部，低应力框架(4)呈“中”字型位于加速度计的结构中心且具有中心对称的几何性质，此外，为确保低应力框架(4)的结构稳定，低应力框架(4)的各条边均需要具有较大的宽度，以保证低应力框架(4)整体具有较大的刚度而不会在外力作用下轻易发生结构变形，低应力框架(4)的左右两侧为微杠杆放大机构(3a、3b、3c、3d)且通过该微杠杆放大机构(3a、3b、3c、3d)的支点梁(8a、8b、8c、8d)与低应力框架(4)连接以固定微杠杆放大机构(3a、3b、3c、3d)的四个支点梁(8a、8b、8c、8d)。

4.根据权利要求1所述的一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计，其特征在于，上、下两个位于结构中线上且中心对称分布的低应力锚点(7a、7b)同样也位于质量块(1)内部，低应力锚点(7a、7b)与“中”字型的低应力框架(4)的上、下两个端点分别相连接，用以固定低应力框架(4)，使得整体机械结构通过锚点固定在玻璃基底上，并使上层的机械机构部分悬空在下层的玻璃基底上方，此外，由于低应力锚点(7a、7b)对称分布于低应力框架(4)上且低应力框架(4)的刚度较大，当两个低应力锚点(7a、7b)因温度变化存在热膨胀时，低应力框架(4)只受到Y轴方向热应力作用而敏感轴X轴方向的热应力较小，使得传递到谐振器上的热应力影响最小化。

5.根据权利要求1所述的一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计，其特征在于，双端固支音叉谐振器(2a、2b)位于低应力框架(4)的内部且与之相连接成为一个整体，一对双端固支音叉谐振器(2a、2b)对称分布在低应力框架(4)内部的左右两侧，并通过梳齿电容的压膜或滑膜方式对其频率进行驱动与检测。

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