[實用新型]雙軸諧振式硅微加速度計

無效

• 申請號: 201020632379.5
• 申請日: 2010-11-30
• 公開（公告）號: CN201984082U
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 施芹;裘安萍;賈方秀;蘇巖
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097;B81B3/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

技術領域

本實用新型屬于微機電系統MEMS中的微慣性傳感器技術，特別是一種雙軸諧振式硅微加速度計。

背景技術

諧振式硅微加速度計是典型的MEMS慣性傳感器，其研究始于20世紀70年代初，現有電容式、壓電式、壓阻式、熱對流、隧道電流式和諧振式等多種形式。諧振式硅微加速度計的獨特特點是其輸出信號是頻率信號，它的準數字量輸出可直接用于復雜的數字電路，具有很高的抗干擾能力和穩定性，而且免去了其它類型加速度計在信號傳遞方面的諸多不便，直接與數字處理器相連。目前美國Draper實驗室對諧振式加速度計的研究處于國際領先地位，研究開發的微機械加速度計主要應用于戰略導彈，零偏穩定性和標度因數穩定性分別達到5μg和3ppm。因此諧振式硅微加速度計具有良好的發展前景。諧振式硅微加速度計結構一般由諧振梁和敏感質量塊組成，敏感質量塊將加速度轉換為慣性力，慣性力作用于諧振梁的軸向，使諧振梁的頻率發生變化，通過測試諧振頻率推算出被測加速度。

2006年，北京航空航天大學樊尚春等針對以往的諧振式加速度計提出一種新的雙軸諧振式加速度計(樊尚春，仁杰.一種雙軸諧振式微機械加速度計，北京航空航天大學，CN?1844932A)。該結構由質量塊、支撐梁、音叉和力學放大系統組成，質量塊呈“回”字型，四個音叉位于質量塊的中間，呈中心對稱布置，克服了質量塊利用率不高的缺點，同時材料不均勻性和環境溫度對四個音叉的影響一致，可通過差分檢測消除環境溫度對器件性能的影響，但實際上加工誤差使得四個對稱的諧振器的諧振頻率并不完全相等，作用在四個諧振器上的熱應力也不相同，則無法通過差分檢測的方式消除熱應力的影響。該結構的四個諧振器直接與固定基座相連，加工殘余應力和熱應力對諧振頻率的影響很大，從而使得速度計的頻率溫度系數較大。“回”字型的質量塊受到加工誤差影響，易形成質量偏心，造成x軸和y軸交叉軸靈敏度過大。并且該結構的四個音叉相鄰布置，電耦合較大，當諧振器的諧振頻率相近時，會產生鄰頻干擾，降低加速度計的靈敏度。且該結構的四個諧振器無隔離結構，x、y軸交叉靈敏度大。

2010年，南京理工大學裘安萍等公開了一種硅微諧振式加速度計(裘安萍，施芹，蘇巖.硅微諧振式加速度計，南京理工大學，申請號：201010293127.9)，該結構由硅和?玻璃兩層構成，機械結構制作在單晶硅片上，玻璃作為襯底。機械結構由質量塊、諧振器、杠桿放大機構和外框架等組成，兩個諧振器位于質量塊上下兩側，質量塊由四根折疊梁支撐，只用于檢測一個軸的加速度。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種低溫度系數、耦合系數小、靈敏度高、抗沖擊能力強、交叉軸靈敏度小、易于實現高精度雙軸加速度測量的雙軸諧振式硅微加速度計結構。

實現本實用新型目的的技術解決方案為：一種雙軸諧振式硅微加速度計，由上下兩層構成，上層為制作在單晶硅片上的加速度計機械結構，下層為制作在玻璃襯底上的信號引線，其中加速度計機械結構由質量塊、外框架、四個諧振器、八個一級杠桿放大機構、四個剛性桿和四個導向機構組成，其中，八個一級杠桿放大機構結構相同，其支點端和輸出端都采用了細長梁，輸入端采用了軸對稱的多折梁結構。質量塊位于結構的中間，第一、三諧振器對稱布置在質量塊的上下兩側，該兩個諧振器的一端與外框架相連，第一諧振器的另一端與第一導向機構連接，第三諧振器的另一端與第三導向機構連接，第一導向機構與第一剛性桿連接，第三導向機構與第三剛性桿連接；第一剛性桿的左右兩端與第一、二一級杠桿放大機構的輸出端相連，第三剛性桿的左右兩端與第五、六一級杠桿放大機構的輸出端相連，該第一、二、五、六一級杠桿放大機構的支點端與外框架相連，且輸入端與質量塊相連；第二、四諧振器對稱布置在質量塊的左右兩側，該兩個諧振器的一端與外框架相連，第二諧振器的另一端與第二導向機構連接，第四諧振器的另一端與第四導向機構連接，第二導向機構與第一剛性桿連接，第四導向機構與第四剛性桿連接；第二剛性桿的左右兩端與第三、四一級杠桿放大機構的輸出端相連，第四剛性桿的左右兩端與第七、八一級杠桿放大機構的輸出端相連，該四個一級杠桿放大機構的支點端與外框架相連，且輸入端與質量塊相連；外框架通過固定基座使上層的機械結構部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。

各一級杠桿放大機構的輸出端依次通過第一剛性桿和第一導向機構與第一諧振器相連，第一導向機構的兩端與外框架相連。