[实用新型]四梁结构石英谐振传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及谐振传感器，具体涉及四梁结构石英谐振传感器。

背景技术

目前，高精度、高分辨率的数字化加速度测量方法已经得到越来越广泛的发展，在中高精度的高速数字导航系统、重力测量学、巡航导弹、自主水下导航等方面有广泛的应用前景。此类加速度计输出的是频率信号，没有数模转换带来的精度损失，能够与高精度数字测量系统相结合。目前常用的采用微机电系统加工的传感器主要分为压阻式和电容式。压阻式传感器通过具有压阻效应的电阻和具有一定结构的梁一质量块来感应加速度，电容式加速度传感器则是通过改变电容极板的面积或者距离来感应加速度。以上两种常用的加速度传感器输出的均是模拟信号，后处理电路复杂，灵敏度低，存在模数转换误差，而且不能直接与高精度的数字系统相结合。目前也有少量的谐振式硅微加速度传感器，虽然此类传感器输出的是数字信号，但是存在谐振频率低、灵敏度差等问题，同时结构复杂、加工难度大，成本高。总之，现有的加速度计普遍存在模拟输出，灵敏度低，加工复杂等问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提高谐振传感器的灵敏度，目的在于提供四梁结构石英谐振传感器。

本实用新型的通过下述技术方案实现：四梁结构石英谐振传感器，包括玻璃衬底、位于玻璃衬底上表面的硅基支撑，硅基支撑开有一个矩形孔洞，在该矩形孔洞中央设置有压块，压块通过四个悬臂梁分别与矩形孔洞的四个面连接使得压块悬空设置，压块下方设置有金属电极，压块的上端面的面积小于下端面面积，压块的下端面面向金属电极，压块的上端面设置有第二硅凸台，压块的上端面平行于硅基支撑的上端面，硅基支撑的上端面设置有第一硅凸台，第一硅凸台和第二硅凸台上均设置有石英块，两个石英块之间设置有2根平行的谐振梁。

本实用新型将传统的压块的结构进行变换，使得压块的上端面的面积小于下端面的面积，使得压块的下端面的面积增大，保证压块能充分与金属电极接触，提高灵敏度。本实用新型的两个石英块存在逆压电效应，当电极两面有电荷交替变化时，两个石英块之间的谐振梁就会出现振动，其振动频率受石英块、谐振梁结构形状的影响。当加速度作用于芯片时，悬臂梁支撑的压块在惯性力作用下移动微小的位移。由于石英块被固定，一个石英块与质量块连接，所以两个石英块与谐振梁组成的结构发生弯曲变形，这种弯曲变形导致其谐振频率发生改变，改变的大小与加速度成正比，从而通过检测谐振梁的谐振频率就能够得到加速度的大小。第一硅凸台和第二硅凸台能够防止硅基支撑对振动的干扰；因此本发明采用石英块和2个谐振梁作为敏感材料，基底支撑为硅，故而具有频率输出，体积小，敏感度高以及品质因数高等优点。石英块和2个谐振梁组成谐振结构。

优选的，所述金属电极与压块下端面之间有3微米的运动间隙，本实用新型减小运动间隙，进一步可以提高灵敏度。压块与玻璃衬底之间有3微米的运动间隙，当有加速度作用于芯片时，根据牛顿第二定律，压块在惯性力的作用下要产生一定的位移，从而谐振结构产生弯曲变形导致其频率的改变。

优选的，两根谐振梁之间有10微米的运动间隙。该运动间隙设置子啊10微米，进一步可以提高灵敏度。

优选的，第一硅凸台和第二硅凸台的上端面高出硅基支撑的上端面40至50微米。这样能更好的防止硅面对谐振结构谐振的阻碍，使谐振结构的振动频率更客观的反应加速度的大小。

优选的，压块的横切面的形状呈等腰梯形，该等腰梯形的下底边长于上底边，下底边面向金属电极。设置金属电极，可以防止静电键合时加速度压块与玻璃衬底之间的静电吸附。

优选的，所述谐振梁表面四周设置有电极。通电之后能够按照预定模态振动。两根谐振梁的振动方向相反。

优选的，所述悬臂梁和压块的中轴线重合。

优选的，所述金属电极的厚度为100微米。

优选的，所述悬臂梁采用厚度1mm至5mm的长条型件。

本发明的工作原理是：加速度作用于传感器芯片时，压块作为传感器加速度的敏感质量块。根据牛顿第二定律，当加速度作用于压块时，由于惯性力的作用，压块会产生一定的位移，进而使谐振结构发生形变，该形变导致石英梁的谐振频率发生变化，这一变化通过频率检测电路转化为频率信号输出，从而实现传感器芯片的加速度一频率信号转换，完成对加速度的数字化测量。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：具有体积小，重量小，高灵敏度，数字信号输出和分辨率高的优点。

附图说明