[发明专利]硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置与方法

说明书

本发明公开了一种硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置与方法，加速度计结构设置在三层单晶硅的中层单晶硅片上，该结构包括质量块、两个谐振器、四个微杠杆放大机构、应力释放机构、多个支撑梁和多个固定基座；两个谐振器沿着x轴对称布置在质量块中间，微杠杆放大机构位于两个谐振器之间；两个谐振器内侧一端分别与两个微杠杆的输出端相连，与同一个谐振器相连的两个微杠杆的支点端连接到同一个应力释放机构，应力释放机构再与固定基座相连，谐振器的另一端也设有应力释放机构；微杠杆放大机构与质量块相连，质量块通过支撑梁与固定基座相连，固定基座与上、下层单晶硅的固定基座相连。本装置提高了加速度计抗振动抗冲击能力，减小了温度系数。

技术领域

本发明属于微机电系统MEMS中的微惯性测量技术领域，特别是一种硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置与方法。

背景技术

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。目前美国Draper实验室对谐振式加速度计的研究处于国际领先地位，研制的加速度计主要应用于战略导弹，零偏月稳定性达2μg，标度因数月稳定性达0.73ppm。因此硅微谐振式加速度计具有良好的发展前景。

硅微谐振式加速度计结构一般由谐振梁和敏感质量块组成，敏感质量块将加速度转换为惯性力，惯性力作用于谐振梁的轴向，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。硅微谐振式加速度计目前所要解决的关键问题是其温度特性，而其温度性能较差的主要原因MEMS工艺和封装过程中产生的残余热应力。针对该问题，常采用应力隔离框架或单固定基座支撑的结构方案，以减小锚点处应力对谐振梁的影响，但存在几个弊端：1)应力隔离结构或单固定基座使得硅微谐振式加速度计结构的干扰模态增多，在振动和冲击等力学环境下，这些干扰模态易被激发，从而影响加速度计输出；2)应力隔离结构增加了芯片面积，芯片面积增加或固定基座减小，都使得加速度计结构芯片在厚度方向的刚度减小，在MEMS工艺或封装过程中结构芯片翘曲加剧，则在面内产生较大的热应力，从而影响加速度计温度特性；3)应力隔离结构的应力隔离效果越好，谐振器标度因数越低。南京理工大学早期研制的硅微谐振式加速度计结构(200810025574、201010186252.X)在质量块的四角布置四个固定基座，质量块通过支撑梁与这四个固定基座相连。由于硅微谐振式加速度计质量块大，在加速度计工作频率附近仍然存在许多干扰模态，振动特性差；同时整体结构在厚度方向的刚度较小，在MEMS工艺和封装工程中产生的翘曲大，从而硅微谐振式加速度计温度特性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅微谐振式加速度计的干扰模态抑制装置与方法，以提高加速度计抗振动、抗冲击能力，减小加速度计的温度系数。

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的干扰模态抑制装置，由上层单晶硅、中间层单晶硅和下层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入/出的引线、吸气剂以及固定基座的硅微谐振式加速度计封装盖板，中间层单晶硅片上制作的为硅微谐振式加速度计机械结构，下层单晶硅为布置有固定基座的加速度计衬底，中间层单晶硅密封在由上层单晶硅和下层单晶硅形成的密闭空腔中；

所述加速度计衬底结构包括质量块、两个谐振器、四个微杠杆放大机构、多个支撑梁和多个分立的固定基座、分别对应于两个谐振器的第一应力释放机构、第二应力释放机构；