[發(fā)明專利]阻尼可調(diào)型硅微音叉諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110049185.5
• 申請(qǐng)日: 2021-01-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112881753B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-02-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 裘安萍;施芹;夏國(guó)明;趙陽(yáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P15/097
• 分類號(hào): G01P15/097
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 汪清

本發(fā)明公開(kāi)了一種阻尼可調(diào)型硅微音叉諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，加速度結(jié)構(gòu)設(shè)置在三層單晶硅的中層單晶硅片上，該結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、兩個(gè)諧振器、四個(gè)微杠桿放大機(jī)構(gòu)、應(yīng)力釋放機(jī)構(gòu)、多個(gè)支撐梁、多個(gè)阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和多個(gè)固定基座；阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均勻布在質(zhì)量塊上；兩個(gè)諧振器關(guān)于x軸對(duì)稱布置在質(zhì)量塊中間，微杠桿放大機(jī)構(gòu)位于兩個(gè)諧振器之間；兩個(gè)諧振器內(nèi)側(cè)的一端分別與兩個(gè)微杠桿的輸出端相連，與同一個(gè)諧振器相連的兩個(gè)微杠桿的支點(diǎn)端連接到同一個(gè)應(yīng)力釋放機(jī)構(gòu)，再與固定基座相連；微杠桿機(jī)構(gòu)的輸入端與質(zhì)量塊相連，質(zhì)量塊通過(guò)支撐梁與固定基座相連，固定基座與上層單晶硅和下層單晶硅的固定基座相連。本發(fā)明減小了頻率的溫度系數(shù)，阻尼可調(diào)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS中的微慣性傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種阻尼可調(diào)型硅微音叉諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

硅微加速度計(jì)是典型的MEMS慣性傳感器，其研究始于20世紀(jì)70年代初，現(xiàn)有電容式、壓電式、壓阻式、熱對(duì)流、隧道電流式和諧振式等多種形式。硅微諧振式加速度計(jì)的獨(dú)特特點(diǎn)是其輸出信號(hào)是頻率信號(hào)，它的準(zhǔn)數(shù)字量輸出可直接用于復(fù)雜的數(shù)字電路，具有很高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，而且免去了其它類型加速度計(jì)在信號(hào)傳遞方面的諸多不便，直接與數(shù)字處理器相連。目前美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室對(duì)諧振式加速度計(jì)的研究處于國(guó)際領(lǐng)先地位，研制的加速度計(jì)主要應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈，零偏月穩(wěn)定性達(dá)2μg，標(biāo)度因數(shù)月穩(wěn)定性達(dá)0.73ppm。因此硅微諧振式加速度計(jì)具有良好的發(fā)展前景。

硅微諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)一般由諧振梁和敏感質(zhì)量塊組成，敏感質(zhì)量塊將加速度轉(zhuǎn)換為慣性力，慣性力作用于諧振梁的軸向，使諧振梁的頻率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)試諧振頻率推算出被測(cè)加速度。硅微諧振式加速度計(jì)都采用真空封裝提高Q值，降低其結(jié)構(gòu)噪聲，諧振器Q值一般10萬(wàn)。與此同時(shí)，硅微諧振式加速度計(jì)的質(zhì)量塊在敏感軸的Q值也比較大，可達(dá)1～5萬(wàn)。當(dāng)硅微諧振式加速度計(jì)工作環(huán)境存在沖擊或振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在敏感軸的模態(tài)被激發(fā)后，質(zhì)量塊產(chǎn)生很大的振動(dòng)位移，從而產(chǎn)生很大的輸出，甚至造成結(jié)構(gòu)損壞。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種阻尼可調(diào)型硅微音叉諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，以提高加速度計(jì)抗沖擊能力，減小頻率的溫度系數(shù)，實(shí)現(xiàn)阻尼可調(diào)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種阻尼可調(diào)型硅微音叉諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，由上層單晶硅、中間層單晶硅和下層單晶硅構(gòu)成；所述上層單晶硅為布置有信號(hào)輸入、輸出線、吸氣劑以及固定基座的硅微音叉諧振式加速度計(jì)封裝蓋板，所述下層單晶硅為布置有固定基座的硅微音叉諧振式加速度計(jì)襯底，所述中間層單晶硅片上制作有阻尼可調(diào)型硅微音叉諧振式加速度計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，中間層單晶硅密封在由上層單晶硅和下層單晶硅形成的密閉空腔中；

所述阻尼可調(diào)型硅微音叉諧振式加速度計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、兩個(gè)諧振器、四個(gè)微杠桿放大機(jī)構(gòu)、多個(gè)支撐梁、多個(gè)阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和多個(gè)固定基座、分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)諧振器的第一應(yīng)力釋放機(jī)構(gòu)、第二應(yīng)力釋放機(jī)構(gòu)；多個(gè)阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均勻布在質(zhì)量塊四周上，用于增大加速度計(jì)在檢測(cè)軸的阻尼系數(shù)；兩個(gè)諧振器關(guān)于x軸對(duì)稱布置在質(zhì)量塊中間，四個(gè)微杠桿放大機(jī)構(gòu)位于兩個(gè)諧振器之間，并兩兩關(guān)于x軸和y軸對(duì)稱布置；兩個(gè)諧振器內(nèi)側(cè)的一端分別與兩個(gè)微杠桿的輸出端相連，與同一個(gè)諧振器相連的兩個(gè)微杠桿的支點(diǎn)端連接到同一個(gè)應(yīng)力釋放機(jī)構(gòu)，應(yīng)力釋放機(jī)構(gòu)再一個(gè)固定基座相連，第二應(yīng)力釋放機(jī)構(gòu)與另外一個(gè)固定基座相連，第一應(yīng)力釋放機(jī)構(gòu)以及與其相連的固定基座位于該側(cè)兩個(gè)微杠桿之間，第二應(yīng)力釋放機(jī)構(gòu)以及與其相連的固定基座位于對(duì)應(yīng)側(cè)的兩個(gè)微杠桿之間；微杠桿機(jī)構(gòu)的輸入端與質(zhì)量塊相連，質(zhì)量塊通過(guò)多個(gè)支撐梁和與多個(gè)固定基座相連，所有固定基座均與上層單晶硅和下層單晶硅的固定基座相連，使中間層單晶硅的機(jī)械結(jié)構(gòu)懸空在上層單晶硅與下層單晶硅之間。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：