[发明专利]硅微谐振式加速度计

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统MEMS中的微惯性传感器技术，特别是一种硅微谐振式加速度计。

背景技术

微机电系统(Micro-electro-mechanical Systems，简称MEMS)是近年来发展起来的一个多学科交叉的前沿性高技术领域。MEMS利用从半导体技术上发展起来的硅微机械加工工艺，主要以硅为材料，在硅片上制作出尺寸在微米量级、悬浮可动的三维结构，实现对外界信息的感知和控制，并可以与信号处理和控制电路集成，构成一个多功能的微型系统。微机电系统具有体积小、成本低、可靠性高、易于批量生产等特点，可广泛应用于航空航天、军事、通信、生物医学等诸多方面，被认为是面向21世纪的新兴技术甚至主导技术之一。

硅微加速度计是典型的MEMS惯性传感器，其研究始于20世纪70年代初，现有电容式、压电式、压阻式、热对流、隧道电流式和谐振式等多种形式。硅微谐振式加速度计的独特特点是其输出信号是频率信号，它的准数字量输出可直接用于复杂的数字电路，具有很高的抗干扰能力和稳定性，而且免去了其它类型加速度计在信号传递方面的诸多不便，直接与数字处理器相连。

目前，硅微谐振式加速度计一般由谐振梁和敏感质量块组成，加速度经敏感质量块转换为惯性力，惯性力作用在谐振梁的轴向，使谐振梁的频率发生变化，通过测试谐振频率推算出被测加速度。

1999年，美国Trey Roessing基于谐振频率检测原理发明了硅微谐振式加速度计，并采用了杠杆放大机构(Tery Roessing，Roger T.Howe，et al.Resonant accelerometer with flexural lever leverage system.US 5969249)。这种结构将谐振器置于质量块的上下两侧，因此材料不均匀和环境温度对器件影响较大，质量块利用率不高，体积相对较大，灵敏度较低，稳定性和抗冲击能力较差。

2006年，北京航空航天大学樊尚春等针对以往的谐振式加速度计提出一种新的谐振式加速度计(樊尚春，仁杰.一种谐振式微机械加速度计，北京航空航天大学，CN1844931A)。该结构由质量块、支撑梁、音叉和力学放大系统组成，音叉位于质量块的中间，且相邻上下对称布置，克服了材料不均匀和环境温度对器件影响大和质量块利用率不高的缺点。但该结构的质量块由位于其中间的两根支撑梁支撑，则加速度计的稳定性和抗冲击能力较差。此外，该结构的支撑梁结构形式为悬臂梁，其释放残余应力的能力较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵敏度较高、稳定性好和抗冲击能力强的硅微谐振式加速度计。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种硅微谐振式加速度计，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，加速度计上层机械结构由质量块和两个谐振器组成，该两个谐振器上下对称设置在质量块的中间，该两个谐振器的一端分别与该两个谐振器之间的固定基座相连，其中位于上方谐振器的另一端分别与位于其上方的两个杠杠放大机构的输出端连接，该两个上方杠杠放大机构的支点端分别与位于其上方的固定基座相连，位于下方谐振器的另一端分别与位于其下方的另外两个杠杠放大机构的输出端连接，该两个下方杠杠放大机构的支点端分别与位于其下方的固定基座相连，四个杠杠放大机构的输入端分别与所述的质量块连接，该质量块通过四根折叠梁分别与四个位于该质量块四角的固定基座相连，所有的固定基座安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上；一对谐振器的结构参数完全相同，并采用双边驱动方式驱动，一对谐振器都由音叉和位于音叉两侧的八组线性梳状梳齿组成，其中靠近音叉的四组梳齿为检测梳齿，另外四组梳齿为驱动梳齿；一个驱动电极给每个谐振器的两组驱动梳齿施加带直流偏置的交流电压，另一个驱动电极给每个谐振器的另外两组驱动梳齿施加带直流偏置的反相交流电压，两根敏感输出信号引线分别将每个谐振器上的检测梳齿的信号输出。