[实用新型]低应力硅微谐振式加速度计

说明书

技术领域

本实用新型属于微电子机械系统MEMS中的微惯性传感器技术，特别是一种低应力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。

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。

2008年，南京理工大学裘安萍等公开了一种硅微谐振式加速度计(裘安萍，施芹，苏岩.硅微谐振式加速度计，南京理工大学，申请号：2008100255749)，该结构由硅和玻璃两层构成，机械结构制作在单晶硅片上，玻璃作为衬底。机械结构由质量块、谐振器和杠杆放大机构等组成，谐振器位于质量块中间，相邻对称布置，质量块由位于其四角的折叠梁支撑，该结构较好地克服了材料不均匀、温度对器件影响大的缺点，提高了结构的稳定性和抗冲击能力。该结构两层的材料分别为硅和玻璃，两者的热膨胀系数不等，同时该结构的谐振梁、杠杆直接与固定基座相连，从而加工残余应力和工作环境温度变化产生的热应力大，谐振式加速度计的频率稳定性差。该结构的谐振器采用了梳状梳齿，而梳状梳齿的边缘效应降低了谐振器振动的线性度，从而降低了频率稳定性。此外，该结构的支撑质量块的折叠梁为三折梁，增加了结构的交叉轴灵敏度。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种低应力、高频率稳定性、低交叉轴灵敏度、抗冲击能力强的硅微谐振式加速度计。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种低应力硅微谐振式加速度计，加速度计结构制作在两层单晶硅上，在上层单晶硅片上制作加速度计机械结构，在机械结构的上表面淀积金属作为信号输入/输出线，下层单晶硅为加速度计的衬底，加速度计机械结构由质量块、上谐振器、下谐振器、两个上端一级杠杆放大机构、两个下端一级杠杆放大机构、中间应力释放框架、上端应力释放框架和下端应力释放框组成，上谐振器和下谐振器上下对称相邻位于质量块的中间，上谐振器的下端和下谐振器的上端通过中间应力释放框架与中间固定基座相连；上谐振器的上端分别与两个上端一级杠杠放大机构的输出端连接，上端一级杠杠放大机构的的支点端与通过上端应力释放框架与上固定基座相连，下谐振器的下端分别与两个下端一级杠杠放大机构的输出端连接，下端一级杠杠放大机构的的支点端通过下端应力释放框架与下固定基座相连；上下端一级杠杠放大机构的输入端分别与质量块连接；质量块通过四根U型梁分别与四个位于质量块四角的固定基座相连，所有的固定基座安装在下层单晶硅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单晶硅衬底部分之上。