[發(fā)明專利]懸臂件及應用其的諧振式加速度傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210444160.6
• 申請日: 2012-11-08
• 公開（公告）號: CN103808961A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發(fā)明（設計）人: 王軍波;商艷龍;陳德勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 曹玲柱

技術領域

本發(fā)明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種懸臂件及應用其的諧振式加速度傳感器。

背景技術

微電子機械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical?Systems，簡稱MEMS)技術是建立在微電子技術和微機械技術基礎上的一種前沿技術。采用MEMS技術加工而成的微慣性傳感器克服了傳統(tǒng)慣性儀器成本高、體積大以及功耗高等缺陷，使慣性傳感器在很多新興領域的應用成為可能。

諧振式加速度傳感器是一種典型的MEMS慣性器件。其基本工作原理是：敏感質量塊將外界加速度轉換為振動梁的內應力，內應力引起振動梁的固有諧振頻率變化，通過檢測振動梁的諧振頻率變化可獲取輸入的加速度大小。MEMS硅微諧振式加速度傳感器不僅具有MEMS傳感器體積小、重量輕、功耗低、易批量生產(chǎn)等特點，同時由于傳感器的輸出信號為頻率信號，是一種準數(shù)字信號，不易受到環(huán)境噪聲的干擾，在傳輸和處理中也不易出現(xiàn)誤差，因此，這種傳感器易于實現(xiàn)高精度測量，屬于高性能器件，成為微加速度傳感器的一個重要發(fā)展方向。

圖1為現(xiàn)有技術硅微諧振式加速度傳感器的結構示意圖。如圖1所示，該硅微諧振式加速度傳感器的懸臂結構由諧振梁和敏感質量塊組成，被測加速度經(jīng)質量塊轉換為慣性力，通過應力轉換機構將慣性力轉換為可改變諧振梁剛度的軸向應力，進而導致諧振梁的頻率發(fā)生改變，通過測量諧振梁的頻率來獲得加速度的大小。

申請人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術的懸臂結構及應用其的諧振式加速度傳感器存在如下缺陷：(1)懸臂結構中，由于外界加速度和振動梁內應力在同一平面內，振動梁的應力轉換效率差；(2)由于懸臂結構的應力轉換效率差，導致硅微諧振式加速度傳感器的靈敏度偏低，一般小于200Hz/g，難以滿足高靈敏度加速度傳感器的要求；(3)由于硅基材料自身不具有壓電特性，懸臂結構的諧振器不能直接應用類似石英材料的壓電效應驅動和檢測，目前常用靜電激勵/電容檢測和電熱激勵/壓阻檢測兩種方式，但這兩種激勵/檢測方式存在輸出信號微弱或輸出熱漂移嚴重等缺點；(4)由于振動梁的諧振頻率漂移以及溫度等外界環(huán)境因素的影響，傳感器輸出的穩(wěn)定性較差。

發(fā)明內容

(一)要解決的技術問題

為解決諧振式加速度傳感器上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種懸臂件及應用其的硅微諧振式加速度傳感器，以提高懸臂件的轉換效率。

(二)技術方案

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種懸臂件。該懸臂件在襯底上通過多次刻蝕形成，包括：支撐框架；第一質量塊和第二質量塊，左右對稱懸空設置于所述支撐框架內；第一支撐梁，連接于第一質量塊和第二質量塊上部之間，其中部連接于外側的支撐框架；第二支撐梁，與所述第二支撐梁組對稱設置，連接于第一質量塊和第二質量塊下部之間，其中部連接于外側的支撐框架；以及第一諧振梁，連接于第一質量塊和第二質量塊中部之間；其中，所述第一質量塊和第二質量塊的厚度大于第一支撐梁和第二支撐梁的厚度；所述第一支撐梁和第二支撐梁的厚度大于所述第一諧振梁的厚度。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種包括上述懸臂件的諧振式加速度傳感器，其還包括：磁場提供部件，用于為所述第一諧振梁提供均勻磁場；第一激振電極，用于施加交流激振信號于所述第一諧振梁；第一檢測電極，位于所述第一諧振梁的表面，與外界引線連接，與所述第一激振電極絕緣，用于拾取所述第一諧振梁的振動信號。

根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，還提供了一種懸臂件。該懸臂件在襯底上通過多次刻蝕形成，包括：支撐框架；第三質量塊和第四質量塊，左右對稱懸空設置于所述支撐框架內；第三支撐梁，連接于第三質量塊和外側支撐框架之間；第四支撐梁，與第三支撐梁組對稱設置，連接于第四質量塊和外側支撐框架之間；以及第二諧振梁，連接于第三質量塊和第四質量塊中部之間；其中，所述第三質量塊和第四質量塊的厚度大于第三支撐梁和第四支撐梁的厚度；所述第三支撐梁和第四支撐梁的厚度大于所述第二諧振梁的厚度。

根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，還提供了一種上述懸臂件的諧振式加速度傳感器，其還包括：磁場提供部件，用于為所述第二諧振梁提供均勻磁場；第二激振電極，用于施加交流激振信號于所述第二諧振梁；第二檢測電極，位于所述第二諧振梁的表面，與外界引線連接，與所述第二激振電極絕緣，用于拾取所述第二諧振梁的振動信號。