[發(fā)明專利]一種基于二級(jí)微杠桿的雙質(zhì)量塊高靈敏度硅微諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510982811.0
• 申請(qǐng)日: 2015-12-23
• 公開（公告）號(hào): CN105606845A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李成;王巖;溫悅;王超;樊尚春
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué);北京航天控制儀器研究所
• 主分類號(hào): G01P15/097
• 分類號(hào): G01P15/097;B81B3/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;顧煒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于二級(jí)微杠桿的雙質(zhì)量塊高靈敏度 硅微諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，它作為微慣性器件廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空航天、地震監(jiān)測(cè)等 領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微機(jī)械加速度計(jì)是微機(jī)電系統(tǒng)中最為成功的器件之一，在民用與軍事領(lǐng)域有廣泛 的應(yīng)用前景，孕育著巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。微機(jī)械加速度計(jì)研究的相關(guān)報(bào)道最早出 現(xiàn)于20世紀(jì)70年代初，80年代單軸微機(jī)械加速度計(jì)產(chǎn)品面市，90年代末出現(xiàn)了多軸微機(jī)械 加速度計(jì)，美國(guó)AD公司的ADXL系列微機(jī)械加速度計(jì)是最具代表性的產(chǎn)品之一。

加速度計(jì)根據(jù)所采用的敏感機(jī)理分為壓阻式、壓電式、電容式、力平衡式、熱對(duì)流 式、隧道電流式和諧振式等多種形式。其中諧振式加速度計(jì)通過測(cè)量諧振敏感元件固有振 動(dòng)頻率的變化敏感被測(cè)加速度，其輸出為頻率信號(hào)，這種準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾能 力，且加速度計(jì)輸出無需A/D轉(zhuǎn)換即可與數(shù)字處理器相連。采用微機(jī)械加工工藝制作的硅微 諧振式加速度計(jì)除繼承上述諧振式測(cè)量原理的優(yōu)良特性外，還兼具硅微傳感器體積小、重 量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，成為加速度計(jì)的重要發(fā)展方向。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于微機(jī)械加速度計(jì)尺寸限制，常常需要使用力學(xué)放大機(jī)構(gòu)對(duì)慣 性力進(jìn)行力學(xué)放大，與單級(jí)杠桿相比，二級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)可在減小力學(xué)放大機(jī)構(gòu)尺寸的情 況下進(jìn)一步提高加速度計(jì)的力學(xué)放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)高靈敏度測(cè)量。目前，使用單級(jí)杠桿作為力 學(xué)放大機(jī)構(gòu)的加速度計(jì)比較普遍，而具有二級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)的硅微諧振式加速度計(jì)的研究 比較少。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)諧振式硅微加速度計(jì)的研究起步較晚，目前一些研究機(jī)構(gòu)已開展 了基于微杠桿的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真或?qū)嶒?yàn)工作，但也多偏重于單級(jí)杠桿的加速度計(jì) 結(jié)構(gòu)。2005年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Susan設(shè)計(jì)了一款具有二級(jí)杠桿放大的諧振式微 加速度計(jì)，二級(jí)杠桿的放大倍數(shù)達(dá)到140，標(biāo)度因數(shù)為158Hz/g。國(guó)內(nèi)2007年，重慶大學(xué)的何 高法等人采用硅微工藝的ICP深硅刻蝕工藝制作了具有二級(jí)杠桿的諧振式加速度計(jì)，樣機(jī) 測(cè)試結(jié)果表明，其標(biāo)度因數(shù)為55.03Hz/g，分辨力約為182μg。

為此，基于現(xiàn)有硅微加工工藝水平，為提高諧振式加速度計(jì)的靈敏度，本發(fā)明設(shè)計(jì) 了一款具有二級(jí)杠桿放大的硅微諧振式加速度計(jì)，建立了該二級(jí)杠桿力學(xué)模型，并對(duì)具有 二級(jí)杠桿的加速度計(jì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了ANSYS有限元仿真，獲取了微杠桿敏感結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)力 學(xué)放大與靈敏度性能的影響規(guī)律，評(píng)估了溫度對(duì)加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)的影響，同時(shí)采用了雙 質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了零點(diǎn)附近低載荷時(shí)諧振音叉雙梁耦合振動(dòng)引起的鎖定現(xiàn)象，為高靈敏度 硅微諧振式加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與制作提供了模型依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提出一種基于二級(jí)微杠桿的雙質(zhì)量塊高靈敏度硅微 諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有微機(jī)械加速度計(jì)靈敏度不高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境振動(dòng)與溫度 影響大等問題，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的加速度測(cè)量。同時(shí)，使用設(shè)計(jì)的雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)消除由于結(jié)構(gòu) 對(duì)稱產(chǎn)生的諧振音叉的振動(dòng)耦合現(xiàn)象。