[发明专利]一种双轴分体式差分硅微谐振式加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及一种双轴分体式差分硅微谐振式加速度惯性传感器，属于微机电系统(MEMS)和微惯性测量技术领域。

背景技术

20世纪80年代以来，微机电系统和微型制造技术的发展推动了微惯性技术和微惯性仪表的发展，导致了新一代加速度计和陀螺仪的产生。微惯性仪表大都通过半导体加工工艺制作，体积小、质量轻、功耗低。采用硅作为加工材料,并使用与微电子集成电路制造工艺兼容的加工工艺，可以将硅微惯性器件的敏感表头与信号处理电路集成在一个芯片上，从而实现批量生产，降低成本。与传统惯性仪表相比，微惯性器件还有可靠性高，测量范围大的特点。微惯性器件的这些特点使得它具有更宽广的应用范围，不仅可以用在汽车工程、移动通信、大地测量、地质勘探、微型卫星、运动器材等民用领域，还可以应用在军事领域上，包括制导炸弹、无人驾驶机智能炸弹等。

硅微谐振式加速度计是一种典型的微机械惯性器件，其工作原理是：振梁在受到轴向外力作用时谐振频率发生变化，通过检测振梁谐振频率的变化量来获取输入的加速度大小。硅微谐振式加速度计输出频率信号，是一种准数字信号，不易受到环境噪声的干扰，且具有很高的稳定性，信号不需要经过A/D转换，直接进入数字系统，传输过程中不易出现失真。因此，这种传感器易于实现高精度测量，属于高性能器件，同时它又具有一般硅微惯性器件的诸多特点，使其成为新一代高精度微机械加速度计的发展方向之一。

目前，国内外对于单轴硅微谐振式加速度计的研究已经取得了较好的研究成果，而对双轴谐振式硅微加速度计的研究大多还停留在理论层面上，较少单位进行了实际加工并取得测试结果。但在实际应用中又常常需要使用双轴或三轴加速度计来测量加速度计矢量，而现有的一些双轴结构大多存在差分谐振器之间的耦合或X、Y方向的交叉耦合严重等问题。

双轴加速度计可以应用于卫星导航、导弹制导、炮弹定向等军工项目和汽车防震保护、自动刹车、医疗等民用项目。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够实现测量两正交方向加速度的双轴硅微谐振式加速度计。该双轴硅微谐振式加速度计实现了检测同一方向加速度的两个差分谐振器之间的解耦以及两正交方向之间的解耦。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种双轴分体式差分硅微谐振式加速度计，包括上层硅微机械结构和下层玻璃基座，上层硅微机械结构键合在下层玻璃基座上；其中下层玻璃基座上溅射有信号引线，而上层硅微机械结构包括四个上层硅微机械子结构，分别为第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构，第一、第二、第三、第四上层硅微机械子结构按逆时针方向依次排列，并键合在下层玻璃基座上；其中，第一、第四上层硅微机械子结构形成的差分结构构成第一组加速度测量模块，第二、第三上层硅微机械子结构形成的差分结构构成第二组加速度测量模块，且所述第一组加速度测量模块测量的加速度与第二组加速度测量模块测量的加速度相互垂直。

优选的：第二上层硅微机械子结构与第三上层硅微机械子结构关于上层硅微机械结构中心水平轴完全对称；而第一上层硅微机械子结构顺时针旋转180度后与第四上层硅微机械子结构关于上层硅微机械结构中心水平轴完全对称。

优选的：所述上层硅微机械子结构包括质量块、质量块锚区、质量块支撑梁、以及谐振器子结构；所述质量块通过质量块支撑梁与质量块锚区相连接，所述谐振器子结构设置于质量块中部。

优选的：就一个上层硅微机械子结构而言，所述质量块为中空的十字形块状结构，所述质量块锚区、质量块支撑梁的个数分别为4个，所述质量块锚区分别设置于质量块的四个顶角位置，且通过质量块支撑梁使质量块锚区与质量块相互连接，且所述质量块支撑梁分为两组，其中一组质量块支撑梁安装在质量块的一侧，而另一组安装在质量块的另一侧，且该两组质量块支撑梁关于质量块水平中心轴对称。

优选的：所述谐振器子结构包括两个一级杠杆放大机构和一个音叉谐振器；

所述一级杠杆放大机构包括输入梁、杠杆臂、支点梁、输出梁和杠杆锚区，其中，支点梁和输出梁分别设置在杠杆臂的同一端，而杠杆臂的另一端设置输入梁，且所述输入梁与输出梁分别位于杠杆臂的两侧，同时所述支点梁处于输入梁与输出梁之间，所述支点梁与杠杆锚区相连；两个一级杠杆放大机构分别通过输入梁与质量块连接，两个一级杠杆放大机构位于同一条直线上且两个一级杠杆放大机构对称设置，而输出梁与音叉谐振器的第一连接块相连；