[发明专利]基于电磁激励检测方式的谐振式微机械加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及加速度传感器技术领域，是一种采用SOI(绝缘底上硅)-MEMS(微电子机械系统)工艺加工而成的电磁激励检测的高灵敏度谐振式硅微机械加速度传感器。

背景技术

微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS)主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，是一种在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。相对于传统的机械加工技术，MEMS加工主要以硅作为材料，利用从半导体技术中发展而来的成熟技术，可进行大批量、低成本生产。另外，MEMS器件普遍具有体积小，稳定性好等特点。可以说，MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空航天、汽车制造、环境监控、生物医学、军事以及几乎人们所接触到的各个领域中都有着十分广阔的应用。

谐振式微机械加速度传感器是一种典型的MEMS惯性器件。现有的硅微机械加速度传感器主要包括电容式、压阻式、压电式、隧道电流式和谐振式等几种形式。其中，谐振式微机械加速度传感器的突出特点是输出检测信号由谐振器的振动频率信号直接转换而成，相对于其他形式的检测信号，频率信号具有更高的稳定性。而且，频率信号作为准数字量输出也使得后续信号的传输检测电路设计实现相对容易。现有谐振式微机械加速度传感器一般被设计为由谐振梁和敏感质量块组成，被测加速度经质量块转换为惯性力，通过应力转换机构将惯性力转换为可改变谐振梁刚度的轴向应力，进而导致谐振梁的频率发生改变，通过测量谐振梁的频率来获得加速度的大小。

现有的谐振式微机械加速度传感器一般都利用谐振器轴向应力变化而使得谐振器频率改变的原理检测外界加速度，应力转换效率差导致加速度传感器的灵敏度普遍偏低，大多小于200Hz/g，难以满足军事和民用领域对高精度高灵敏度加速度传感器的要求。另外，由于硅基材料不具有压电特性，谐振器不能直接应用类似石英材料的压电效应驱动和检测，目前常用静电激励、电容检测，电热激励与压阻检测两种方式，这两种激励检测方式均存在耗能大，输出信号微弱等缺点。

发明内容

本发明的目的在于公开一种基于电磁激励检测方式的谐振式微机械加速度传感器，其灵敏度高、能耗低、输出稳定性好。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于电磁激励检测方式的谐振式微机械加速度传感器，其包括质量块1、两个H型谐振器4a、4b、两个支撑梁3a、3b；两个H型谐振器4a、4b沿45°方向对称设置在质量块1两侧，两个H型谐振器4a、4b的一端分别与质量块1边缘固接，另一端分别与边框2边缘固接；其中一H型谐振器两侧各设有一支撑梁，两个支撑梁3a、3b的一端分别与质量块1边缘固接，另一端分别与边框2边缘固接，两个支撑梁3a、3b和质量块1共同组成悬臂结构，支撑梁3a、3b对质量块1起支撑作用；

质量块1、两个H型谐振器4a、4b、两个支撑梁3a、3b位于同一平面上；

谐振器的谐振频率由结构参数及Z向加速度惯性力导致的谐振器上轴向应力决定。

所述的加速度传感器，其两个H型谐振器4a、4b的长度、宽度和厚度完全相同，两个支撑梁3a、3b的长度、宽度和厚度完全相同；其中，三者的厚度比为：H型谐振器4a、4b：支撑梁3a、3b：质量块1等于1∶3∶30。

所述的加速度传感器，其当有Z轴方向加速度惯性力作用在质量块1上时，由于支撑梁3a、3b的厚度大于谐振器4a、4b的厚度，起到抑制谐振器4a、4b应变的作用，而使得两支撑梁3a、3b夹持的一谐振器4a受到Z向轴向压应力，而另一谐振器4b由于支撑梁对其作用不明显而受到Z向轴向拉应力；两谐振器4a、4b所受到的应力方向相反，使得在加速度作用下频率变化方向相反，从而实现差分检测；同时，由质量块1和支撑梁3a、3b组成的悬臂结构，使质量块和谐振器的惯性力-轴向应力转换效率提高，使得器件灵敏度大幅提高。