[發(fā)明專利]基于納米壓電梁的諧振式加速度傳感器及其制備方法

有效

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• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111796119B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許高斌;王亞洲;馬淵明;陳興;張文晉;于永強(qiáng);陳士榮
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097
• 代理公司: 合肥金安專利事務(wù)所(普通合伙企業(yè)) 34114
• 代理人: 徐偉

本發(fā)明本發(fā)明屬于微電子機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于納米壓電梁的諧振式加速度傳感器及其制備方法。包括基底、檢測結(jié)構(gòu)層和蓋板；檢測結(jié)構(gòu)層以方形雙拋硅片為基礎(chǔ)制成，包括方形外框和位于外框中心的方形敏感質(zhì)量塊，敏感質(zhì)量塊x軸方向的兩側(cè)分別通過支撐梁和對應(yīng)的外框內(nèi)側(cè)壁連接，敏感質(zhì)量塊的y軸方向的兩側(cè)分別通過雙端音叉諧振器和對應(yīng)的外框內(nèi)側(cè)壁接觸，每個(gè)雙端音叉諧振器包括一對氧化鋅諧振梁；檢測結(jié)構(gòu)層的頂面和蓋板的底面、檢測結(jié)構(gòu)層的底面和基底的頂面均通過鍵槽連接，使得基底、檢測結(jié)構(gòu)層和蓋板形成內(nèi)部封閉的加速度傳感器。本發(fā)明加速度傳感器的結(jié)構(gòu)靈敏度高，實(shí)現(xiàn)抗過載能力強(qiáng)、諧振頻率高、靈敏度高的指標(biāo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微慣性傳感器，具體涉及基于納米壓電梁的諧振式加速度傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

加速度傳感器是慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中的慣性器件，承擔(dān)著為導(dǎo)彈飛行提供慣性測量基準(zhǔn)、實(shí)時(shí)測量導(dǎo)彈的加速度和飛行姿態(tài)角等任務(wù)，參與導(dǎo)彈的姿態(tài)控制和制導(dǎo)控制。在未來，導(dǎo)彈制導(dǎo)方式主要是慣性制導(dǎo)。慣性制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)是：不需要任何外界信息，隱蔽性好，抗干擾性強(qiáng)，導(dǎo)彈的射程遠(yuǎn)、制導(dǎo)精度高。但導(dǎo)彈在飛行過程中受各種因素干擾容易造成彈道的偏差，使得無法準(zhǔn)確攻擊到既定目標(biāo)，既造成戰(zhàn)略預(yù)定計(jì)劃的失敗，也浪費(fèi)了國家戰(zhàn)略資源。可見，加速度傳感器是慣性系統(tǒng)的核心器件，其技術(shù)指標(biāo)直接影響慣導(dǎo)系統(tǒng)整體性能，因此，研制高精度導(dǎo)航和制導(dǎo)的加速度傳感器，正是我國迫切需要解決的問題。

迄今為止，基于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的微機(jī)械諧振式加速度傳感器存在以下問題：1、雖然國內(nèi)外中低精度諧振式加速度傳感器日益成熟，但隨著諧振式加速度傳感器在慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)的應(yīng)用越來越廣泛，亟需高精度和低量程的加速度傳感器；2、在諧振梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)檢測方式上，國內(nèi)外絕大多數(shù)都采用靜電驅(qū)動(dòng)檢測方式，該驅(qū)動(dòng)檢測方式對于雙端固支梁的接觸損耗、溫度對振梁頻率的影響較大，降低加速度傳感器的品質(zhì)因數(shù)以及閉環(huán)控制電路精度；3、諧振器材料和基底材料熱膨脹系數(shù)的不匹配會(huì)在諧振結(jié)構(gòu)中引入熱應(yīng)力，影響諧振頻率，造成加速度傳感器功能的失效或性能的大幅降低。而目前大多數(shù)研究單位都采用硅作為諧振器材料，使加速度傳感器的諧振頻率低以及硅本身沒有壓電特性，需要借助于靜電力、熱膨脹力、電磁力等各種手段來激勵(lì)諧振器振振動(dòng)，從而增大加速度傳感器的機(jī)械耦合、容易引入噪音干擾、限制加速度傳感器的精度進(jìn)一步提高；4、目前國內(nèi)硅微機(jī)械諧振加速度傳感器的工程化進(jìn)展較為緩慢，存在工藝條件復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸誤差較大，成品率難以控制導(dǎo)致成本高的問題。

發(fā)明內(nèi)容

為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，本發(fā)明提供一種基于氧化鋅納米壓電梁的諧振式加速傳感器及其制備方法，通過采用納米尺度的諧振梁、上下對稱式分布實(shí)現(xiàn)布差分檢測、兩端支撐梁來解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的傳統(tǒng)諧振式加速度傳感器抗過載能力差、諧振頻率較低、靈敏度較低的技術(shù)問題。具體技術(shù)方案如下：

基于納米壓電梁的諧振式加速度傳感器，包括基底1、檢測結(jié)構(gòu)層2和蓋板3；

所述基底1以100晶向N型單拋硅片為基礎(chǔ)制成，基底1的頂面為拋光面，且開設(shè)活動(dòng)腔凹槽11，且活動(dòng)腔凹槽11的底面中心設(shè)有下限位槽12；

所述檢測結(jié)構(gòu)層2以方形雙拋SOI硅片為基礎(chǔ)制成，包括方形外框21和位于外框21中心的方形敏感質(zhì)量塊22，且敏感質(zhì)量塊22的頂面和底面中心分別設(shè)有上限位柱231和下限位柱211；

所述敏感質(zhì)量塊22中心為原點(diǎn)，敏感質(zhì)量塊22的x軸方向的兩側(cè)分別通過支撐梁23和對應(yīng)的外框21內(nèi)側(cè)壁連接，敏感質(zhì)量塊22的y軸方向的兩側(cè)分別通過雙端音叉諧振器24和對應(yīng)的外框21內(nèi)側(cè)壁連接，每個(gè)雙端音叉諧振器24包括一對氧化鋅諧振梁241；所述蓋板3以100晶向N型單拋硅片為基礎(chǔ)制成，蓋板3的底面為拋光面，且拋光面的中心設(shè)有上限位槽32，蓋板3對應(yīng)每個(gè)雙端音叉諧振器24兩端的金屬電極242分別貫穿開設(shè)有接線引出孔31；