[實(shí)用新型]三軸集成硅微諧振式加速度計(jì)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201120051348.5
• 申請(qǐng)日: 2011-03-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN202013362U
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-10-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊波;黃麗斌;王壽榮;李宏生;陳衛(wèi)衛(wèi);李秀亮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01P15/18
• 分類(lèi)號(hào): G01P15/18;B81B3/00
• 代理公司: 南京蘇高專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）和微慣性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種硅微諧振式加速度計(jì)。

背景技術(shù)

硅微加速度計(jì)是一種典型的MEMS慣性傳感器，具有體積小、重量輕、低成本、低能耗、高可靠性、易于數(shù)字化、可滿(mǎn)足惡劣環(huán)境應(yīng)用等特點(diǎn)，有著重要的軍用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)近二十多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外硅微加速度計(jì)已形成了比較成熟的理論，且有諸多低端商業(yè)化的產(chǎn)品出現(xiàn)，其測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到mg（偏置穩(wěn)定性）量級(jí)以上，基本能夠滿(mǎn)足低精度MIMU系統(tǒng)要求。目前，硅微加速度計(jì)研究熱點(diǎn)主要集中在高精度、多軸集成、耐高沖擊、輸出信號(hào)數(shù)字化等方向。

硅微諧振式加速度計(jì)是一種高精度的微型加速度計(jì)。區(qū)別于一般電容檢測(cè)式加速度計(jì)，硅諧振式加速度計(jì)將被測(cè)加速度轉(zhuǎn)換為諧振器的頻率變化，直接輸出數(shù)字信號(hào)，具有靈敏度和分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、信號(hào)處理方便等優(yōu)點(diǎn)，使其成為新一代高精度微機(jī)械加速度計(jì)的發(fā)展方向。

目前大部分機(jī)構(gòu)研發(fā)的是單軸硅微諧振式加速計(jì)，其實(shí)驗(yàn)室的最好性能指標(biāo)（德雷珀實(shí)驗(yàn)室2005年試驗(yàn)結(jié)果）為：偏置穩(wěn)定性0.19ug，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性0.14ppm，噪聲水平4.5ug·Hz^-1/2，已達(dá)到慣性級(jí)導(dǎo)航甚至戰(zhàn)略級(jí)導(dǎo)航性能指標(biāo)要求，為雙軸和三軸集成硅微諧振式加速計(jì)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，少數(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)雙軸集成硅微諧振式加速度計(jì)進(jìn)行了初步的理論和試驗(yàn)探討。然而，許多類(lèi)似微型慣性測(cè)量組合（MIMU）的應(yīng)用，測(cè)量空間三個(gè)方向（X，Y，Z）的加速度需要組合安裝兩個(gè)或兩個(gè)以上的諧振式加速度計(jì)（單軸或雙軸），該方式體積、功耗、重量相對(duì)較大，成本較高，還存在安裝誤差，限制了硅微諧振式加速度計(jì)的應(yīng)用推廣。

發(fā)明內(nèi)容

實(shí)用新型目的：針對(duì)上述現(xiàn)有存在的問(wèn)題和不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積較小，交叉軸間機(jī)械耦合和電氣耦合較小，更利于加工和封裝的三軸集成硅微諧振式加速度計(jì)。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：一種三軸集成硅微諧振式加速度計(jì)，包括上層微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)和下層玻璃基座；所述微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)鍵合在玻璃基座上,玻璃基座上設(shè)有信號(hào)引線(xiàn)，微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)上的電極與相應(yīng)的信號(hào)引線(xiàn)連接，所述上層微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)包括位于左邊的全解耦雙軸硅微諧振式加速度計(jì)和位于右邊的單軸硅微諧振式加速度計(jì)；所述全解耦雙軸硅微諧振式加速度計(jì)由四個(gè)完全相同的線(xiàn)性諧振器子結(jié)構(gòu)和第一質(zhì)量塊組成，四個(gè)線(xiàn)性諧振器子結(jié)構(gòu)上下左右對(duì)稱(chēng)設(shè)置；第一質(zhì)量塊分別通過(guò)第一組解耦梁與四個(gè)線(xiàn)性諧振器子結(jié)構(gòu)連接，四個(gè)線(xiàn)性諧振器子結(jié)構(gòu)的橫梁通過(guò)第二組解耦梁與固定基座連接。

所述第一橫梁和第二橫梁只能在X軸方向運(yùn)動(dòng)，第一線(xiàn)性諧振器子結(jié)構(gòu)和第二線(xiàn)性諧振器子結(jié)構(gòu)只能敏感X軸向的加速度；所述第三橫梁和第四橫梁只能在Y軸方向運(yùn)動(dòng)，第三線(xiàn)性諧振器子結(jié)構(gòu)和第四線(xiàn)性諧振器子結(jié)構(gòu)只能敏感Y軸向的加速度。

所述單軸硅微諧振式加速度計(jì)由第二質(zhì)量塊和兩個(gè)扭轉(zhuǎn)諧振器組成；所述第二質(zhì)量塊通過(guò)第一組扭桿分別連接設(shè)于玻璃基座上固定基座鍵合點(diǎn)上的第一錨點(diǎn)和第二錨點(diǎn)；所述兩個(gè)扭轉(zhuǎn)諧振器分別由第二組扭桿和第三組扭桿、第一扭轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和第二扭轉(zhuǎn)質(zhì)量塊、第一組電極和第二組電極組成；所述第二質(zhì)量塊通過(guò)第二組扭桿和第三組扭桿分別與第一扭轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和第二扭轉(zhuǎn)質(zhì)量塊相連，第一組電極和第二組電極分別設(shè)于第一扭轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和第二扭轉(zhuǎn)質(zhì)量塊的下面。

所述固定基座與下層玻璃基座的對(duì)應(yīng)鍵合點(diǎn)相連，第一錨點(diǎn)和第二錨點(diǎn)分別與下層玻璃基座的對(duì)應(yīng)鍵合點(diǎn)相連。

有益效果：(1)本實(shí)用新型將三個(gè)方向的加速度敏感元件集成在單一芯片上，進(jìn)一步減小了MIMU系統(tǒng)的體積、重量、功耗、成本和安裝誤差，同時(shí)保持諧振式加速度計(jì)高精度、高靈敏度和數(shù)字化輸出等優(yōu)勢(shì)。(2)采用全對(duì)稱(chēng)全解耦雙軸諧振式加速度計(jì)（敏感X軸和敏感Y軸）和單軸扭擺式諧振加速度計(jì)（敏感Z軸）設(shè)計(jì)方案，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)三軸加速度測(cè)量，且加工工藝兼容。(3)全解耦雙軸諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)在兩個(gè)敏感方向具有相同機(jī)械特性，且實(shí)現(xiàn)了X軸和Y軸的完全解耦。(4)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積較小，交叉軸間機(jī)械耦合和電氣耦合較小，相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，更利于加工和封裝。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型三軸集成硅微諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型三軸集成硅微諧振式加速度計(jì)的線(xiàn)性諧振器子結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型三軸集成硅微諧振式加速度計(jì)下層玻璃基座上的引線(xiàn)示意圖。

具體實(shí)施方式