[发明专利]一种阵列式扭摆加速度计

说明书

一种阵列式扭摆加速度计，包含由4个或6个或8个敏感质量单元组成的阵列式敏感结构，其中，每两个相邻的敏感质量单元排布方向相反；每两个相间的敏感质量单元排布方向相同，且通过连接横梁形成刚性连接，连接横梁两端布置有应力释放结构。每个敏感质量单元中的敏感质量块采用三锚点四扭转梁结构，包含四条扭转梁和三个锚点，其中位于敏感质量块内部的锚点通过两条弹性扭转梁连接到敏感质量块，位于敏感质量块两侧的两块锚点分别通过一条弹性扭转梁连接到敏感质量块。敏感结构外侧布置有等电位锚点，在加速度计的阵列式敏感结构与电极间形成电学连接。

技术领域

本发明涉及一种阵列式扭摆加速度计，具体为一种多质量块的阵列式扭摆加速度计，属于MEMS惯性器件领域。

背景技术

MEMS加速度计是一种基于MEMS工艺技术制造的惯性传感器，用于载体倾斜角、所受惯性力、冲击和振动等惯性参数的测量。MEMS加速度计具有体积小、成本低、可靠性高、适合批量生产等优点，在航空航天、国防军事、消费电子、智能医疗、地震监测等多种领域得到广泛应用。

随着近年来无人机、无人驾驶汽车、无人舰船等载具的研究走向热潮，各类微导航、微惯性系统对小体积、高性能、高度集成化的惯性器件有着迫切需求，面外轴向检测(Z轴)加速度计能够实现在载体平面水平安装的同时提供微系统所必需的平面外加速度信息，节约面外安装空间，极大地便利了系统的集成。因而成为了MEMS加速度计研究的一个热点。

扭摆式加速度计作为一种面外轴向检测加速度计，为了实现更高的性能，通常利用大型质量块来增加不平衡质量以及检测电容的面积，以提高加速度计的灵敏度；大型质量块还能够降低加速度计的机械热噪声，提升加速度计的测量精度。但是传统的扭摆式加速度计采用单质量块结构，这种结构只能实现单路差分电容检测，对共模干扰以及工作温度变化引起输出变化的抑制能力较差，在工作温度发生变化时，由于材料热应力的变化，将会对仪表的温度特性造成影响。此外，采用大型质量块的扭摆式加速度计，其结构层面积大部分属于可动的质量块，质量块内部用于支撑的锚点相对较少，在硅-玻璃键合的工艺过程中，键合施加高电压产生的静电力容易造成硅片与玻璃片吸合问题；且大型质量块对扭转梁在非敏感方向的刚度要求较高，使得传统扭摆式加速度计在提升灵敏度的同时必须在交叉轴灵敏度性能上作出牺牲。因此，需要针对传统扭摆式加速度计提出相应的结构改进方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种阵列式扭摆加速度计，包含4个或6个或8个敏感质量单元，其中，每两个相邻的敏感质量单元排布方向相反，每两个相间的敏感质量单元排布方向相同，且通过连接横梁形成刚性连接，连接横梁两端布置有应力释放结构。每个敏感质量单元中的敏感质量块采用三锚点四扭转梁结构，包含四条扭转梁和三个锚点，其中位于敏感质量块内部的锚点通过两条弹性扭转梁连接到敏感质量块，位于敏感质量块两侧的两块锚点分别通过一条弹性扭转梁连接到敏感质量块。阵列式敏感结构外侧布置有等电位锚点，分别连接到加速度计的各电极与敏感质量块。本发明的低交叉轴灵敏度的阵列式MEMS加速度计，其优点是通过阵列式敏感质量块差分机制实现高灵敏度，通过三锚点四扭转梁结构结合横梁形成的类框架结构实现低交叉轴灵敏度，并利用连接梁两端的应力释放结构降低温度变化对加速度计输出的影响，通过外置等电位锚点解决硅-玻璃阳极键合时出现的硅片吸合问题，采用多路差分运动的机制进行加速度检测，且具有结构简单、检测电容大、灵敏度高、模态分离比大、交叉轴灵敏度小等优点的阵列式扭摆加速度计的设计方案。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种阵列式扭摆加速度计，包括阵列式敏感结构、外置等电位锚点、金属电极与引线、玻璃基板；

所述玻璃基板位于阵列式敏感结构的下方，通过锚点与阵列式敏感结构键合，并为阵列式敏感结构提供支撑；所述金属电极与引线布置于玻璃基板上，位于阵列式敏感结构的下方，用于与阵列式敏感结构共同形成检测电容、加力电容，并与加速度计外围电路电学连接；所述外置等电位锚点位于阵列式敏感结构外侧，下方通过键合连接玻璃基板、金属电极与引线，用于在硅-玻璃阳极键合时维持硅片与玻璃片的等电位；