[发明专利]一种基于对称式同模态温度补偿的MEMS谐振式加速度传感器

说明书

本发明公开了一种基于对称式同模态温度补偿的MEMS谐振式加速度传感器，MEMS谐振式加速度传感器由谐振器敏感梁通过杠杆机构与质量块连接形成，能够将外界加速度变化转化为频率偏移量以检测外界加速度的大小。MEMS谐振式加速度传感器与感温振荡器对称分布在加热模块的两侧，加热模块的加热梁通过电流产生电阻热，电阻热通过对称结构传递至MEMS谐振式加速度传感器与感温振荡器。将感温振荡器作为温度感知模块，用其频率来标定温度实现对加速度传感器的温度控制。

技术领域

本发明属于加速度测量技术领域，具体涉及一种基于对称式同模态温度补偿的MEMS谐振式加速度传感器。

背景技术

MEMS谐振式加速度传感器是微小型惯性导航系统中重要的传感器之一，其性能的优劣直接影响了惯导系统的导航精度。其中环境温度对MEMS谐振式加速度传感器测量输出的影响尤为突出。对于硅基谐振器而言，温度的变化会改变杨氏模量，进而影响谐振器性能。而对于掺杂的硅材质来说温度还会影响材料密度、材料导热系数和材料热膨胀系数，使得不同方向上呈现不同的温度特性。由此可见环境温度成为微加速度传感器工程应用中的一个关键问题。

在MEMS谐振式加速度传感器的环境温控系统设计方面，常在其外部设置温控箱，但温控箱的大体积在一定程度抵消掉了MEMS谐振式加速度传感器处于微尺度的小体积优势，同时温控箱的结构复杂高功耗，使得加速度传感器的成本昂贵。

而对于MEMS谐振式加速度传感器传统的局部温控系统技术，存在的问题有：由于温度测量器件与加速度传感器存在距离导致温度测量不真实，加热源距离加速度传感器过远会导致温度补偿响应速度慢，而加热源距离加速度传感器过近，又会导致温度控制超调量过高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于对称式同模态温度补偿的MEMS谐振式加速度传感器，利用一体化同模态的感温振荡器作为温度感知模块进行温度标定，并与MEMS谐振式加速度传感器对称分布于加热梁两侧，通过控制加热梁两端电流，使得感温振荡器频率在特定频率处趋于稳定，实现对加速度传感器的温度控制。

本发明采用以下技术方案：

一种基于对称式同模态温度补偿的MEMS谐振式加速度传感器，包括感温振荡器和MEMS加速度计，感温振荡器和MEMS加速度计对称设置在加热模块的两侧，感温振荡器通过谐振梁与加热模块连接，感温振荡器利用频率标定温度实现对MEMS加速度计的温度控制；MEMS加速度计通过敏感梁与加热模块连接，敏感梁的另一端通过杠杆机构与质量块连接，能够将外界加速度变化转化为频率偏移量以检测外界加速度的大小。

具体的，感温振荡器和MEMS加速度计的谐振模块为同一双端音叉梁氏结构。

具体的，谐振梁的一端与加热模块连接，另一端与第一固支锚点连接；谐振梁的一侧依次经第二梳齿电极板和激励模块的第四梳齿电极板和第三固支锚点连接；谐振梁的另一侧经第一梳齿电极板依次连接检测模块的第三梳齿电极板与第二固支锚点，第一固支锚点、第二固支锚点和第三固支锚点上均溅射有金属电极层。

具体的，加热模块包括第四金属电极层，第四金属电极层设置在第四固支锚点上，第四固支锚点的上侧经第一加热梁与第七固支锚点连接；第四固支锚点的下侧经第二加热梁与第八固支锚点连接；第四固支锚点的左侧经谐振梁与感温振荡器连接，第四固支锚点的右侧经敏感梁与MEMS加速度计连接；第七固支锚点和第八固支锚点上均设置有金属电极层。

进一步的，敏感梁、谐振梁、第一加热梁和第二加热梁共同使用第四固支锚点和第四金属电极层。

具体的，MEMS加速度计包括谐振模块、激励模块和检测模块，谐振模块包括敏感梁，激励模块设置在敏感梁的一侧，并与敏感梁连接，检测模块设置在敏感梁的另一侧，并与敏感梁连接。