[發(fā)明專利]三軸單片集成諧振電容式硅微加速度計及其加工方法

有效

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• 申請日: 2015-02-15
• 公開（公告）號: CN104698222B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發(fā)明（設計）人: 夏敦柱;高海玨;孔倫
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發(fā)明涉及微機電和慣性傳感器領域，具體涉及一種三軸單片集成諧振電容式硅微加速度計及其加工方法。

背景技術

微機械加速度計是一種重要的微慣性導航傳感器，隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的不斷發(fā)展，利用MEMS制造而成的硅微加速度計具有體積小，重量輕，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生產(chǎn)等優(yōu)點。在慣性導航領域，硅微機械加速度計研究現(xiàn)在已受到越來越多的科研院所和高校的重視。

電容式微加速度計的尺寸較小，靈敏度和分辨率高，穩(wěn)定性和溫度線性度好。硅微諧振式加速度計是一種高精度的微加速度計，將被測加速度信號轉化為諧振頻率的變化，直接輸出數(shù)字信號，具有很高的靈敏度和分辨率，并且還具有動態(tài)范圍寬、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。電容式和諧振式的微加速度計因為其固有的特點和優(yōu)勢，已成為研究的主要方向。

2005年，韓國漢城國立大學的Hyeon Cheol Kim等人設計出了一種三軸加速度計，該加速度計是將兩個同平面的X、Y軸諧振加速度計和垂直平面的Z軸諧振加速度計集成在同一硅片上。因而體積較大，加工工藝復雜，安裝誤差大。

2008年,奧克蘭大學報道了單質量塊的單片集成的的電容檢測式三軸加速度計。2010年，臺灣國立清華大學報道了一種采用陣列結構的單質量塊三軸MEMS加速度計。2011年德克薩斯大學報道了一種采用表面為機械加工技術在聚酰亞胺柔性襯底上制作的三軸電容式MEMS加速度計。該加速度計的質量塊采用紫外光刻工藝和鎳電鍍技術加工而成。上述的三個三軸加速度計沒有實現(xiàn)各檢測方向的完全解耦，因此很難達到較高的性能。

目前，微加速度計研究主要還是針對單軸微加速度計并且也已經(jīng)比較成熟，但三軸微加速度計的研究較少。已有的三軸微機械加速度計大部分是將多個單軸或雙軸加速度計集成在一個芯片上，它們的敏感軸相互垂直，從而實現(xiàn)測量三個方向的加速度。這種加速度計，結構簡單，加工簡單，技術成熟，但總體尺寸較大，交叉軸干擾都比較嚴重，也存在較大的安裝誤差和線路干擾，影響硅微加速度計的發(fā)展和使用。隨著科技的不斷發(fā)展和市場的進一步需求，為了更全面的了解物體的運動信息，需要同時測量三個方向的加速度信息，三軸加速度的研發(fā)已成為必然趨勢。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種三軸單片集成諧振電容式硅微加速度計及其加工方法。

技術方案：本發(fā)明的一種三軸單片集成諧振電容式硅微加速度計，包括玻璃基底以及鍵合錨點懸浮設置于玻璃基底表面中心位置的主結構；所述主結構包括敏感質量塊框、安裝于敏感質量塊框中心位置的兩個扭擺式質量塊、電容梳齒組和四個諧振器；所述兩個扭擺式質量塊縱向排列放置，且每個扭擺式質量塊均由兩個質量擺橫向連接構成，且每個扭擺式質量塊的左右兩側分別設置有電容梳齒組；所述四個諧振器分別通過杠桿機構安裝于敏感質量塊框四個頂角的外側；所述玻璃基底上設有與主結構電極相連的信號引線。其中，諧振器可以測量X軸和Y軸方向上的加速度，電容梳齒組可測量Z軸方向上的加速度。

電容梳齒組包括連接于扭擺式質量塊的活動電容梳齒、以及通過支撐錨點鍵合于玻璃基底的固定電容梳齒，所述固定電容梳齒和活動電容梳齒的高度不同且共同構成變面積式電容檢測，固定電容梳齒下方的玻璃基底上設有信號引線。同一扭擺式質量塊兩側的活動電容梳齒關于Y軸對稱，不同扭擺式質量塊兩側的活動電容梳齒關于X軸對稱；兩個扭擺式質量塊上對角線上的電容梳齒組的電容相互差分，能夠提高檢測精度；且同一扭擺式質量塊的兩個質量擺之間通過扭桿連接，所述扭桿通過錨點固定于玻璃基底，兩個質量擺與扭桿之間的力矩不等。諧振器包括支撐梁、安裝于支撐梁兩端部的臺肩、以及梳齒架，所述支撐梁由兩個橫向設置的諧振梁組成，上諧振梁的上端和下諧振梁的下端對稱設置有橫向放置的活動梳齒，活動梳齒的兩端分別設有通過支撐錨點鍵合于玻璃基底上的外固定梳齒和側固定梳齒。杠桿機構包括杠桿以及通過固定錨點設置于玻璃基底上的U型梁；所述X軸方向上的杠桿縱向放置，且該方向上的杠桿的一端通過梁桿連接于敏感質量塊框的外側，另一端連接于縱向放置的U型梁，進而X軸方向上的杠桿可在X方向上移動；所述Y軸方向的杠桿橫向放置，且該方向上的杠桿的一端通過梁桿連接于敏感質量塊框的外側，另一端連接于橫向放置的U型梁，進而Y軸方向上的杠桿可在Y方向上移動。

其中，由于梁桿很窄，沿其寬度和高度方向的剛度小，在與U型梁的共同作用下，能夠實現(xiàn)三個正交方向的自解耦，提高加速度的靈敏度和分辨率。

其中，兩個諧振梁之間的間距較小，且外固定梳齒為驅動端，而內(nèi)固定梳齒為檢測端。