[发明专利]三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计及其加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电和惯性传感器领域，具体涉及一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计及其加工方法。

背景技术

微机械加速度计是一种重要的微惯性导航传感器，随着微电子机械系统(MEMS)的不断发展，利用MEMS制造而成的硅微加速度计具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点。在惯性导航领域，硅微机械加速度计研究现在已受到越来越多的科研院所和高校的重视。

电容式微加速度计的尺寸较小，灵敏度和分辨率高，稳定性和温度线性度好。硅微谐振式加速度计是一种高精度的微加速度计，将被测加速度信号转化为谐振频率的变化，直接输出数字信号，具有很高的灵敏度和分辨率，并且还具有动态范围宽、抗干扰能力强、稳定性好等优点。电容式和谐振式的微加速度计因为其固有的特点和优势，已成为研究的主要方向。

2005年，韩国汉城国立大学的Hyeon Cheol Kim等人设计出了一种三轴加速度计，该加速度计是将两个同平面的X、Y轴谐振加速度计和垂直平面的Z轴谐振加速度计集成在同一硅片上。因而体积较大，加工工艺复杂，安装误差大。

2008年,奥克兰大学报道了单质量块的单片集成的的电容检测式三轴加速度计。2010年，台湾国立清华大学报道了一种采用阵列结构的单质量块三轴MEMS加速度计。2011年德克萨斯大学报道了一种采用表面为机械加工技术在聚酰亚胺柔性衬底上制作的三轴电容式MEMS加速度计。该加速度计的质量块采用紫外光刻工艺和镍电镀技术加工而成。上述的三个三轴加速度计没有实现各检测方向的完全解耦，因此很难达到较高的性能。

目前，微加速度计研究主要还是针对单轴微加速度计并且也已经比较成熟，但三轴微加速度计的研究较少。已有的三轴微机械加速度计大部分是将多个单轴或双轴加速度计集成在一个芯片上，它们的敏感轴相互垂直，从而实现测量三个方向的加速度。这种加速度计，结构简单，加工简单，技术成熟，但总体尺寸较大，交叉轴干扰都比较严重，也存在较大的安装误差和线路干扰，影响硅微加速度计的发展和使用。随着科技的不断发展和市场的进一步需求，为了更全面的了解物体的运动信息，需要同时测量三个方向的加速度信息，三轴加速度的研发已成为必然趋势。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计及其加工方法。

技术方案：本发明的一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，包括玻璃基底以及键合锚点悬浮设置于玻璃基底表面中心位置的主结构；所述主结构包括敏感质量块框、安装于敏感质量块框中心位置的两个扭摆式质量块、电容梳齿组和四个谐振器；所述两个扭摆式质量块纵向排列放置，且每个扭摆式质量块均由两个质量摆横向连接构成，且每个扭摆式质量块的左右两侧分别设置有电容梳齿组；所述四个谐振器分别通过杠杆机构安装于敏感质量块框四个顶角的外侧；所述玻璃基底上设有与主结构电极相连的信号引线。其中，谐振器可以测量X轴和Y轴方向上的加速度，电容梳齿组可测量Z轴方向上的加速度。

电容梳齿组包括连接于扭摆式质量块的活动电容梳齿、以及通过支撑锚点键合于玻璃基底的固定电容梳齿，所述固定电容梳齿和活动电容梳齿的高度不同且共同构成变面积式电容检测，固定电容梳齿下方的玻璃基底上设有信号引线。同一扭摆式质量块两侧的活动电容梳齿关于Y轴对称，不同扭摆式质量块两侧的活动电容梳齿关于X轴对称；两个扭摆式质量块上对角线上的电容梳齿组的电容相互差分，能够提高检测精度；且同一扭摆式质量块的两个质量摆之间通过扭杆连接，所述扭杆通过锚点固定于玻璃基底，两个质量摆与扭杆之间的力矩不等。谐振器包括支撑梁、安装于支撑梁两端部的台肩、以及梳齿架，所述支撑梁由两个横向设置的谐振梁组成，上谐振梁的上端和下谐振梁的下端对称设置有横向放置的活动梳齿，活动梳齿的两端分别设有通过支撑锚点键合于玻璃基底上的外固定梳齿和侧固定梳齿。杠杆机构包括杠杆以及通过固定锚点设置于玻璃基底上的U型梁；所述X轴方向上的杠杆纵向放置，且该方向上的杠杆的一端通过梁杆连接于敏感质量块框的外侧，另一端连接于纵向放置的U型梁，进而X轴方向上的杠杆可在X方向上移动；所述Y轴方向的杠杆横向放置，且该方向上的杠杆的一端通过梁杆连接于敏感质量块框的外侧，另一端连接于横向放置的U型梁，进而Y轴方向上的杠杆可在Y方向上移动。

其中，由于梁杆很窄，沿其宽度和高度方向的刚度小，在与U型梁的共同作用下，能够实现三个正交方向的自解耦，提高加速度的灵敏度和分辨率。

其中，两个谐振梁之间的间距较小，且外固定梳齿为驱动端，而内固定梳齿为检测端。