[实用新型]双轴谐振式硅微加速度计

说明书

技术领域

本实用新型属于微机电系统MEMS中的微惯性传感器技术，特别是一种双轴谐振式硅微加速度计。

背景技术

谐振式硅微加速度计是典型的MEMS惯性传感器，其研究始于20世纪70年代初，现有电容式、压电式、压阻式、热对流、隧道电流式和谐振式等多种形式。谐振式硅微加速度计的独特特点是其输出信号是频率信号，它的准数字量输出可直接用于复杂的数字电路，具有很高的抗干扰能力和稳定性，而且免去了其它类型加速度计在信号传递方面的诸多不便，直接与数字处理器相连。目前美国Draper实验室对谐振式加速度计的研究处于国际领先地位，研究开发的微机械加速度计主要应用于战略导弹，零偏稳定性和标度因数稳定性分别达到5μg和3ppm。因此谐振式硅微加速度计具有良好的发展前景。谐振式硅微加速度计结构一般由谐振梁和敏感质量块组成，敏感质量块将加速度转换为惯性力，惯性力作用于谐振梁的轴向，使谐振梁的频率发生变化，通过测试谐振频率推算出被测加速度。

2006年，北京航空航天大学樊尚春等针对以往的谐振式加速度计提出一种新的双轴谐振式加速度计(樊尚春，仁杰.一种双轴谐振式微机械加速度计，北京航空航天大学，CN 1844932A)。该结构由质量块、支撑梁、音叉和力学放大系统组成，质量块呈“回”字型，四个音叉位于质量块的中间，呈中心对称布置，克服了质量块利用率不高的缺点，同时材料不均匀性和环境温度对四个音叉的影响一致，可通过差分检测消除环境温度对器件性能的影响，但实际上加工误差使得四个对称的谐振器的谐振频率并不完全相等，作用在四个谐振器上的热应力也不相同，则无法通过差分检测的方式消除热应力的影响。该结构的四个谐振器直接与固定基座相连，加工残余应力和热应力对谐振频率的影响很大，从而使得速度计的频率温度系数较大。“回”字型的质量块受到加工误差影响，易形成质量偏心，造成x轴和y轴交叉轴灵敏度过大。并且该结构的四个音叉相邻布置，电耦合较大，当谐振器的谐振频率相近时，会产生邻频干扰，降低加速度计的灵敏度。且该结构的四个谐振器无隔离结构，x、y轴交叉灵敏度大。

2010年，南京理工大学裘安萍等公开了一种硅微谐振式加速度计(裘安萍，施芹，苏岩.硅微谐振式加速度计，南京理工大学，申请号：201010293127.9)，该结构由硅和 玻璃两层构成，机械结构制作在单晶硅片上，玻璃作为衬底。机械结构由质量块、谐振器、杠杆放大机构和外框架等组成，两个谐振器位于质量块上下两侧，质量块由四根折叠梁支撑，只用于检测一个轴的加速度。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种低温度系数、耦合系数小、灵敏度高、抗冲击能力强、交叉轴灵敏度小、易于实现高精度双轴加速度测量的双轴谐振式硅微加速度计结构。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种双轴谐振式硅微加速度计，由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，其中加速度计机械结构由质量块、外框架、四个谐振器、八个一级杠杆放大机构、四个刚性杆和四个导向机构组成，其中，八个一级杠杆放大机构结构相同，其支点端和输出端都采用了细长梁，输入端采用了轴对称的多折梁结构。质量块位于结构的中间，第一、三谐振器对称布置在质量块的上下两侧，该两个谐振器的一端与外框架相连，第一谐振器的另一端与第一导向机构连接，第三谐振器的另一端与第三导向机构连接，第一导向机构与第一刚性杆连接，第三导向机构与第三刚性杆连接；第一刚性杆的左右两端与第一、二一级杠杆放大机构的输出端相连，第三刚性杆的左右两端与第五、六一级杠杆放大机构的输出端相连，该第一、二、五、六一级杠杆放大机构的支点端与外框架相连，且输入端与质量块相连；第二、四谐振器对称布置在质量块的左右两侧，该两个谐振器的一端与外框架相连，第二谐振器的另一端与第二导向机构连接，第四谐振器的另一端与第四导向机构连接，第二导向机构与第一刚性杆连接，第四导向机构与第四刚性杆连接；第二刚性杆的左右两端与第三、四一级杠杆放大机构的输出端相连，第四刚性杆的左右两端与第七、八一级杠杆放大机构的输出端相连，该四个一级杠杆放大机构的支点端与外框架相连，且输入端与质量块相连；外框架通过固定基座使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。

各一级杠杆放大机构的输出端依次通过第一刚性杆和第一导向机构与第一谐振器相连，第一导向机构的两端与外框架相连。