[發(fā)明專利]一種加速度敏感測量裝置及其制造方法

在審

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• 申請日: 2022-04-21
• 公開（公告）號(hào): CN114859075A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧乾波;吳霜;朱啟軒;周旭瑒;王振山;王小旭;王學(xué)文;黃維
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)寧波研究院
• 主分類號(hào): G01P15/00
• 分類號(hào): G01P15/00;G01P1/00
• 代理公司: 寧波甬致專利代理有限公司 33228
• 代理人: 梁興法

本發(fā)明提供了一種加速度敏感測量裝置及其制造方法，加速度敏感測量裝置為無源器件，充當(dāng)微加速度計(jì)中的加速度敏感模塊，加速度敏感測量裝置包括敏感質(zhì)量塊和框架，敏感質(zhì)量塊上連接有若干個(gè)用于支撐敏感質(zhì)量塊的懸臂梁，懸臂梁一端與敏感質(zhì)量塊連接，懸臂梁另一端連接有用于擠壓懸臂梁的加載機(jī)構(gòu)，加載機(jī)構(gòu)連接在框架上，框架內(nèi)設(shè)有通槽，敏感質(zhì)量塊可活動(dòng)地設(shè)置在通槽內(nèi)，框架與敏感質(zhì)量塊之間設(shè)有用于放大敏感質(zhì)量塊位移量的放大器，框架固定安裝在具有凹槽的襯底上。本技術(shù)方案的裝置及其制造方法的有益效果是實(shí)現(xiàn)低彈性系數(shù)以及超高的加速度位移靈敏度，保證很高的流片率和加工精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微加速度傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種加速度敏感測量裝置及其制造方法。

背景技術(shù)

精確測量局部加速度變化在諸如自然災(zāi)害預(yù)測、資源勘探、地貌繪制和地球物理研究等應(yīng)用領(lǐng)域中具有至關(guān)重要的作用，成本低的微型加速度計(jì)將進(jìn)一步促進(jìn)對地球研究的貢獻(xiàn)，設(shè)計(jì)制作微型化的高性能加速度計(jì)成為了現(xiàn)階段加速度計(jì)的研究重點(diǎn)。加速度計(jì)的基本測量原理基于牛頓第二定律，它通常由加速度敏感機(jī)構(gòu)和位移讀出系統(tǒng)兩部分組成。加速度敏感機(jī)構(gòu)中的敏感質(zhì)量塊受外界加速度的作用產(chǎn)生一個(gè)與加速度相關(guān)的位移量，再經(jīng)微杠桿機(jī)構(gòu)放大，實(shí)現(xiàn)從加速度到位移的轉(zhuǎn)化和放大。位移讀出系統(tǒng)通過測量該位移量得到加速度的值。加速度計(jì)的性能指標(biāo)由這兩部分同時(shí)決定，為了實(shí)現(xiàn)超高加速度測量靈敏度，超高加速度位移靈敏度的加速度敏感機(jī)構(gòu)是必不可少的。

目前有報(bào)道的微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)的加速度敏感機(jī)構(gòu)系統(tǒng)都無法達(dá)到500μm/Gal的靈敏度。如美國專利號(hào)為US010802042B2的專利“Measurement of acceleration”公開了一種用于加速度計(jì)或梯度儀使用的加速度測量裝置，該種裝置的加速度敏感機(jī)構(gòu)由三個(gè)弧形懸臂梁和敏感質(zhì)量塊組成，一對對稱的弧形懸臂梁支撐敏感質(zhì)量塊的底部，一個(gè)弧形懸臂梁連接敏感質(zhì)量塊的頂部，在垂直狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的共振頻率約為2.3Hz。

另外，美國專利號(hào)為US20200284940A1的專利“MEMS gravimeter”公開了一種可在全球范圍內(nèi)工作的重力加速度計(jì)，加速度敏感機(jī)構(gòu)包括敏感質(zhì)量塊、連接敏感質(zhì)量塊底部的一對蛇形懸臂梁和連接敏感質(zhì)量塊頂部的一對余弦懸臂梁，垂直狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的共振頻率約為3.1Hz。要提高加速度敏感機(jī)構(gòu)的加速度位移靈敏度，就需要質(zhì)量盡量大的敏感質(zhì)量塊和彈性系數(shù)盡量小的彈性機(jī)構(gòu)，但這受面積和制造工藝的約束。現(xiàn)有微加速度計(jì)由于沒有超高加速度位移靈敏度的加速度敏感機(jī)構(gòu)，因此無法獲得超高的加速度測量靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種加速度敏感測量裝置，實(shí)現(xiàn)低彈性系數(shù)以及超高的加速度位移靈敏度。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種加速度敏感測量裝置，所述加速度敏感測量裝置為無源器件，充當(dāng)微加速度計(jì)中的加速度敏感模塊，所述加速度敏感測量裝置包括敏感質(zhì)量塊和框架，所述敏感質(zhì)量塊上連接有若干個(gè)用于支撐敏感質(zhì)量塊的懸臂梁，所述懸臂梁一端與敏感質(zhì)量塊連接，所述懸臂梁另一端連接有用于擠壓懸臂梁的加載機(jī)構(gòu)，所述加載機(jī)構(gòu)連接在框架上，所述框架內(nèi)設(shè)有通槽，所述敏感質(zhì)量塊可活動(dòng)地設(shè)置在所述通槽內(nèi)，所述框架與敏感質(zhì)量塊之間設(shè)有用于放大敏感質(zhì)量塊位移量的放大器，所述框架固定安裝在具有凹槽的襯底上。

本發(fā)明的有益效果為：通過設(shè)置加載機(jī)構(gòu)，能給懸臂梁一定距離的壓縮，實(shí)現(xiàn)懸臂梁彈性系數(shù)的降低，提高加速度位移信號(hào)的輸出，避免能量消耗，通過設(shè)置放大器，實(shí)現(xiàn)從加速度到位移的轉(zhuǎn)化和放大，有效提高裝置加速度位移靈敏度；敏感質(zhì)量塊設(shè)置在框架的通槽內(nèi)，且通過懸臂梁和加載機(jī)構(gòu)連接在框架上，提高敏感質(zhì)量塊的連接穩(wěn)定性，框架設(shè)置具有凹槽的襯底上，提高裝置使用穩(wěn)定性同時(shí)使敏感質(zhì)量塊和放大器懸浮于襯底上，在其動(dòng)作時(shí)與襯底有運(yùn)動(dòng)間隙，減少摩擦，提高測量精確度。