[实用新型]一种基于静电刚度的谐振式微加速度计

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种加速度计，尤其是一种基于静电刚度的谐振式微加速度计。

背景技术

硅微加速度计是典型的MEMS惯性传感器，目前主要有电容式、压电式、压阻式、隧道电流式和谐振式等多种形式。其中硅微谐振式加速度计通过谐振频率变化来敏感外部加速度大小，其输出是准数字量的频率信号具有很高的抗干扰性和稳定性，同时可直接与数字电路相连，接口方便。

目前，硅微谐振式加速度计主要有基于轴向应力和静电负刚度两种。基于轴向应力的谐振式微加速度计一般由谐振梁和敏感质量块组成，加速度经敏感质量块转换为惯性力，惯性力直接或经过杠杆等力放大机构作用在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。为了提高灵敏度，现有的谐振式加速度采用了惯性力放大的微杠杆，但由于微加工工艺的特殊性，微杠杆的力放大效率低，重复性和抗冲击性均比较差，灵敏度随时间变化下降快，加速度计灵敏度对工艺误差的依赖性比较大，一经流片，性能很难去调整，设计的加速度计很难保证达到预期性能。

静电刚度谐振式加速度计原理是加速度经敏感质量块转换为惯性力，惯性力将带来检测质量块和附着梳齿的运动，检测电容在检测电压作用下将对振梁产生静电驱动力，从而产生了等效静电刚度，影响了振梁的总体刚度；通过改变加载的检测电压可以调节加速度计的灵敏度。现有的加速度计用来检测与平面平行方向的加速度。音叉上的质量块完全独立，减少了机械振动的耦合。加速度计采用单边梳齿驱动，平板电容检测的方式，振动中挤压阻尼大，封装品质因数小，微弱信号检测难度大。另外，在信号拾取过程中，发现存在非常大的驱动端直接耦合到检测端的同频干扰信号，干扰信号的存在限制了对音叉振梁是否处在谐振状态的判断，也就影响后续的闭环驱动电路的设计。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于静电刚度的谐振式微加速度计。

本实用新型为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种基于静电刚度的谐振式微加速度计，包括单晶硅层和玻璃基座层，加速度计机械结构刻蚀在单晶硅层上，所述加速度计机械结构包括：两个质量块系统、两个驱动梳齿对、音叉谐振子；其中：所述音叉谐振子水平设置在单晶硅层上，两个驱动梳齿对分别对称布置在音叉谐振子的两侧，所述两个质量块系统分别通过齿槽与两个驱动梳齿对连接；音叉谐振子与任一质量块系统构成一个检测电容，音叉谐振子与任一驱动梳齿对构成一个驱动电容。

进一步的，所述一种基于静电刚度的谐振式微加速度计中，质量块系统包括由折叠梁支撑的质量块、倾斜梳齿，所述倾斜梳齿均匀附着在质量块上，所述质量块上有均匀分布的阻尼孔。

进一步的，所述一种基于静电刚度的谐振式微加速度计中，驱动梳齿对、倾斜梳齿都是均匀分布的梳齿，梳齿与梳齿间有对应的U形槽。

进一步的，所述一种基于静电刚度的谐振式微加速度计中，音叉谐振子包括两个平行设置的音叉梁，音叉梁的两端通过固定端子连在一起。

本实用新型采用上述技术方案，具有以下有益效果：利用检测端加载不同的直流电压来调节微加速度计的灵敏度，减小了灵敏度对工艺制造误差依赖性；采用以滑动阻尼为主的振动结构设计，阻尼小，封装品质因数大，检测信号容易拾取；检测极板信号引线和驱动梳齿极板信号引线分开布置，大大减小驱动端到检测端的同频干扰；驱动电极采用梳齿电容对，减少了静电驱动力的非线性。

附图说明

图1为本实用新型的单晶硅层上的微机械结构示意图。

图2为本实用新型的玻璃层上的信号引线示意图。

图3为本实用新型的单晶硅背面键合层锚点示意图。

图中标号说明：A11、A12、A13、A14、A21、A22、A23、A24均为折叠梁，B1、B2均为质量块、C1、C2均为倾斜梳齿，D11、D12、D21、D22均为驱动梳齿，E为音叉谐振子，E1、E2均为音叉梁，F1、F2为音叉梁E1、E2对应检测电容的信号引线，H为谐振器的信号引线，G10为连接D11和D12的信号引线，G20为连接D21和D22的信号引线，G11、G21为外接信号引线，I11、I12、I21、I22、J1、J2、K11、K12、K21、K22均为锚点。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明：