[发明专利]一种谐振式MEMS全量程倾角传感器

说明书

技术领域

本发明涉及倾角传感器技术领域，特别涉及一种谐振式MEMS全量程倾角传感器。

背景技术

微机电系统(MicroElectronMechanicalSystem，简称MEMS)技术是在微电子技术(半导体制造技术)上发展起来的。作为MEMS技术的一部分，基于硅微机械谐振器的振荡器具有频率稳定、噪声低、易于集成的性能，因而常被用于各类传感器。

近年来，随着航空航天、汽车、家用电子等行业中对于微型高精度倾角传感器需求的持续增长，倾角传感器及倾角测量系统的种类也日益增多。这些倾角传感器虽然具有不同的结构和特性，但其工作原理都基本相同，即传感器中的敏感质量元件“摆”在重力场中总是试图稳定保持在铅垂方向，通过测量“摆”的偏移来计算倾角。根据敏感质量元件的不同，可以将倾角传感器分为“固体摆”式、“液体摆”式和“气体摆”式，参见例子：US20130160547；US20140082953；US20100001360；US6516527；US005237753A。这些传感器在处于重力垂直方向时最为灵敏，而在平行于重力方向时最不灵敏，因而现有的倾角传感器大部分不能实现全量程的高精度测量；少部分可以实现全量程测量的倾角传感器又不能保证较高的精度，因此限制了其应用范围和实用性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种谐振式MEMS全量程倾角传感器，实现平面内倾角的全量程、高精度测量。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种MEMS谐振式全量程倾角传感器，包括单晶硅基底1，单晶硅基底1上生长一层二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2上设有单晶硅结构层3；

单晶硅结构层3的中心设有悬浮的多边形的质量块10，质量块10通过至少三对微放大梁11分别与双端固定谐振音叉12的末端相连接，微放大梁11、双端固定谐振音叉12呈放射状均匀分布，双端固定谐振音叉12的两侧设置有驱动端13和检测端14，双端固定谐振音叉12与驱动端13、检测端14静电耦合，双端固定谐振音叉12的顶端与电极15相接，双端固定谐振音叉12与质量块10相应的边垂直，微放大梁11与质量块10相应的边平行，三者处于同一个平面内，在应用时，该平面法向与重力方向垂直。

所述的微放大梁11两侧的输入梁11-1附着于质量块10，微放大梁11中部的支点11-2固定于驱动端13的第一固定端13-1或检测端14的第二固定端14-1上，第一固定端13-1和第二固定端14-1上分别沉积有第一金属电极层13-2和第二金属电极层14-2，微放大梁11的输出梁11-3附着于双端固定谐振音叉12的谐振梁12-1的末端，谐振梁12-1的首端固定于顶部固定端15-1上，谐振梁12-1的两侧连接有第二电容平板12-2，两个第二电容平板12-2的外侧分别设有第一电容平板13-3和第三电容平板14-3，第二电容平板12-2和第一电容平板13-3、第三电容平板14-3静电耦合，第一电容平板13-3和第三电容平板14-3分别固定在第一固定端13-1和第二固定端14-1上，顶部固定端15-1上沉积有第三金属电极层15-2。

所述的双端固定谐振音叉12被置于具有自动增益控制的振荡电路，振荡电路包括放大器16-1、带通滤波器16-2和比较器16-3，第三金属电极层15-2上通入电压，为双端固定谐振音叉12提供直流电压偏置，由双端固定谐振音叉12谐振产生的交流信号经过放大器16-1、带通滤波器16-2和比较器16-3处理之后，一方面反馈至驱动端13，保证闭环测试电路的连续稳定振荡，另一方面输出给频率测量装置16-4测量频率。

所述的质量块10的边长范围为1000um-2000um。

所述双端固定式音叉谐振器12的谐振梁12-1长度范围为200um-500um，宽度范围为2um-5um。

所述的电容平板长度范围为100um-250um，宽度范围为2um-5um。

所述微放大梁11的支点11-2到输入梁11-1的距离与其到输出梁11-3的距离比值范围为10-100倍。

在所述单晶硅基底1和二氧化硅绝缘层2上加工出刻蚀孔，保证质量块10、微放大梁11和双端固定谐振式音叉12的悬空，其未刻蚀的部分保证了第一固定端13-1、第二固定端14-1和顶部固定端15-1的固定。

所述的单晶硅结构层3由单个半导体晶片完整的制造，通过表面微加工技术或刻蚀工艺制造。

本发明的有益效果为：