一種基于二級微杠桿的雙質量塊高靈敏度硅微諧振式加速度計結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微機電系統技術領域，涉及一種基于二級微杠桿的雙質量塊高靈敏度 硅微諧振式加速度計結構，它作為微慣性器件廣泛應用于汽車工業、航空航天、地震監測等 領域。
【背景技術】
[0002] 微機械加速度計是微機電系統中最為成功的器件之一，在民用與軍事領域有廣泛 的應用前景，孕育著巨大的社會效益和經濟效益。微機械加速度計研究的相關報道最早出 現于20世紀70年代初，80年代單軸微機械加速度計產品面市，90年代末出現了多軸微機械 加速度計，美國AD公司的ADXL系列微機械加速度計是最具代表性的產品之一。
[0003] 加速度計根據所采用的敏感機理分為壓阻式、壓電式、電容式、力平衡式、熱對流 式、隧道電流式和諧振式等多種形式。其中諧振式加速度計通過測量諧振敏感元件固有振 動頻率的變化敏感被測加速度，其輸出為頻率信號，這種準數字信號具有很強的抗干擾能 力，且加速度計輸出無需A/D轉換即可與數字處理器相連。采用微機械加工工藝制作的硅微 諧振式加速度計除繼承上述諧振式測量原理的優良特性外，還兼具硅微傳感器體積小、重 量輕、功耗低等優點，成為加速度計的重要發展方向。
[0004] 在實際應用中，由于微機械加速度計尺寸限制，常常需要使用力學放大機構對慣 性力進行力學放大，與單級杠桿相比，二級杠桿放大機構可在減小力學放大機構尺寸的情 況下進一步提高加速度計的力學放大倍數，實現高靈敏度測量。目前，使用單級杠桿作為力 學放大機構的加速度計比較普遍，而具有二級杠桿放大機構的硅微諧振式加速度計的研究 比較少。與國外相比，國內諧振式硅微加速度計的研究起步較晚，目前一些研究機構已開展 了基于微杠桿的加速度計結構設計、仿真或實驗工作，但也多偏重于單級杠桿的加速度計 結構。2005年，美國加州大學伯克利分校的Susan設計了一款具有二級杠桿放大的諧振式微 加速度計，二級杠桿的放大倍數達到140，標度因數為158Hz/g。國內2007年，重慶大學的何 高法等人采用硅微工藝的ICP深硅刻蝕工藝制作了具有二級杠桿的諧振式加速度計，樣機 測試結果表明，其標度因數為55.03Hz/g，分辨力約為182yg。
[0005] 為此，基于現有硅微加工工藝水平，為提高諧振式加速度計的靈敏度，本發明設計 了一款具有二級杠桿放大的硅微諧振式加速度計，建立了該二級杠桿力學模型，并對具有 二級杠桿的加速度計整體結構進行了 ANSYS有限元仿真，獲取了微杠桿敏感結構參數對力 學放大與靈敏度性能的影響規律，評估了溫度對加速度計標度因數的影響，同時采用了雙 質量塊結構實現了零點附近低載荷時諧振音叉雙梁耦合振動引起的鎖定現象，為高靈敏度 硅微諧振式加速度計的設計與制作提供了模型依據。
【發明內容】
[0006] 本發明要解決的技術問題是:提出一種基于二級微杠桿的雙質量塊高靈敏度硅微 諧振式加速度計結構，以解決現有微機械加速度計靈敏度不高、結構復雜、環境振動與溫度 影響大等問題，實現高靈敏度的加速度測量。同時，使用設計的雙質量塊結構消除由于結構 對稱產生的諧振音叉的振動耦合現象。
[0007] 本發明解決上述技術問題采用的技術方案為:一種基于二級微杠桿的雙質量塊高 靈敏度硅微諧振式加速度計結構，其利用單晶硅的體硅工藝而制成，所述加速度計結構包 括第一質量塊、第二質量塊、第一音叉諧振器、第二音叉諧振器、第一二級微杠桿放大機構、 第二二級微杠桿放大機構、第三二級微杠桿放大機構、第四二級微杠桿放大機構、第一質量 塊支撐梁、第二質量塊支撐梁、第三質量塊支撐梁、第四質量塊支撐梁、第一錨點、第二錨 點、第三錨點、第四錨點、第五錨點、第六錨點、第七錨點、第八錨點、第九錨點和第二錨點； 所述的第一質量塊分別連接第一二級微杠桿放大機構、第二二級微杠桿放大機構，所述的 第二質量塊分別連接第三二級微杠桿放大機構、第四二級微杠桿放大機構，所述的第一質 量塊分別與第一質量塊支撐梁、第二質量塊支撐梁相連，所述的第二質量塊分別與第三質 量塊支撐梁、第四質量塊支撐梁相連，且第一質量塊支撐梁、第二質量塊支撐梁、第三質量 塊支撐梁、第四質量塊支撐梁通過第三錨點、第四錨點、第五錨點、第六錨點、第九錨點和第 二錨點固定在基底上，使第一質量塊、第二質量塊懸浮于基底之上，并可消除由于對稱的音 叉諧振器易產生的振動耦合效應;所述二級微杠桿放大機構的支點梁通過第二錨點、第八 錨點固定在基底上;所述的第一音叉諧振器、第二音叉諧振器呈對稱關系，構成一組差動式 諧振音叉結構，且第一音叉諧振器的一端、第二音叉諧振器的一端分別通過第一錨點、第七 錨點固定在基底上，第一音叉諧振器的另一端通過第一二級微杠桿機構和第二二級微杠桿 放大機構與第一質量塊相連，第二音叉諧振器的另一端通過第三二級微杠桿放大機構、第 四二級微杠桿放大機構與第二質量塊相連，且第一、第二每個音叉諧振器的兩個諧振梁制 備有梳狀排列的活動梳齒，這樣，第一質量塊、第二質量塊在被測加速度作用下產生的慣性 力分別經過第一、第二二級微杠桿放大機構和第三、第四二級微杠桿放大機構進行力放大 后作用于第一、第二音叉諧振器，并改變第一、第二音叉諧振器的固有振動頻率;之后，通過 測量梳齒電容檢測器電容量的變化得到第一、第二音叉諧振器的固有振動頻率，進而解算 出被測加速度值。
[0008] 其中，所述的第一、第二質量塊、第一、第二、第三、第四二級微杠桿放大機構、第 一、第二音叉諧振器均采用標準體硅工藝制作，所用材料為單晶硅。
[0009] 其中，所述的第一、第二、第三、第四二級微杠桿放大機構使用二級杠桿，在輸入端 處使用折疊結構，減小了慣性力因結構剛性連接所帶來的損耗，實現了慣性力的較大倍數 放大，從而提高了微加速度計靈敏度。
[0010] 其中，所述第一、第二質量塊的雙質量塊結構將兩個音叉諧振器完全隔離，避免了 零點附近低載荷時兩個對稱音叉諧振器由于結構相同產生的振動耦合，實現了音叉振動耦 合的消除。
[0011] 本發明與現有技術相比的優點在于:本發明采用兩個分離的質量塊分別作為兩個 差動音叉的慣性力感應結構，從而消除了兩對稱音叉的振動耦合;二級微杠桿放大機構對 慣性力進行放大，提高了加速度計的靈敏度和分辨率，且在輸入端使用折疊梁結構，減小了 慣性力因結構剛性連接所帶來的損耗;諧振音叉一端的固定端設置于音叉梁中間，提高了 結構空間的利用率;諧振敏感結構采用雙端固支音叉諧振器，音叉兩端通過細頸結構分別 與微杠桿力放大機構的輸出端和錨點固連，可有效減小音叉與外界的能量耦合，提高機械 品質因數;兩個諧振器對稱布置，構成差動式測量，不僅提高了加速度計靈敏度，而且有效 消除了環境溫度等因素引起的共模干擾，且不同溫度條件下加速度計標定因數擬合成線 性，從而可方便地實現溫度線性補償。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明的加速度計結構示意圖；
[0013] 圖2為本發明的加速度計一側結構的局部放大圖；
[0014] 圖3為本發明的二級杠桿結構受力示意圖；
[0015] 圖4為本發明的加速度計在不同溫度條件下標度因數仿真；
[0016] 圖5為加速度計零位誤差仿真示意圖，其中圖5(a)為單質量塊條件下加速度計零 位誤差仿真示意圖，圖5(b)為雙質量塊條件下加速度計零位誤差仿真示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖以及具體實施例進一步說明本發明。
[0018]如圖1所示，本發明一種基于二級微杠桿的雙質量塊高靈敏度硅微諧振式加速度 計結構，其利用單晶硅的體硅工藝而制成，所述加速度計結構包括第一質量塊1、第二質量 塊13、第一音叉諧振器2、第二音叉諧振器14、第一二級微杠桿放大機構4、第二二級微杠桿 放大機構5、第三二級微杜桿放大機構16、第四二級微杜桿放大機構17、第一質量塊支撐梁 6、第二質量塊支撐梁7、第三質量塊支撐梁18、第四質量塊支撐梁19、第一錨點3、第二錨點 8、第三錨點9、第四錨點10、第五錨點11、第六錨點12、第七錨點15、第八錨點20、第九錨點21 和第二錨點22;所述的第一質量塊1分別連接第一二級微杠桿放大機構4、第二二級微杠桿 放大機構5,所述的第二質量塊13分別連接第三二級微杠桿放大機構16、第四二級微杠桿放 大機構17,所述的第一質量塊1分別與第一質量塊支撐梁6、第二質量塊支撐梁7相連，所述 的第二質量塊13分別與第三質量塊支撐梁18、第四質量塊支撐梁19相連，且第一質量塊支 撐梁6、第二質量塊支撐梁7、第三質量塊支撐梁18、第四質量塊支撐梁19通過第三錨點9、第 四錨點10、第五錨點11、第六錨點12、第九錨點21和第二錨點22固定在基底上，使第一質量 塊1、第二質量塊13懸浮于基底之上，并可消除由于對稱的音叉諧振器易產生的振動耦合效 應;所述二級微杠桿放大機構的支點梁通過第二錨點8、第八錨點20固定在基底上;所述的 第一音叉諧振器2、第二音叉諧振器14呈對稱關系，構成一組差動式諧振音叉結構，且第一 音叉諧振器2的一端、第二音叉諧振器14的一端分別通過第一錨點3、第七錨點15固定在基 底上，第一音叉諧振器2的另一端通過第一二級微杠桿機構4和第二二級微杠桿放大機構5 與第一質量塊1相連，第二音叉諧振器14的另一端通過第三二級微杠桿放大機構16、第四二 級微杠桿放大機構17與第二質量塊13相連，且第一、第二每個音叉諧振器的兩個諧振梁制 備有梳狀排列的活動梳齒，這樣，第一質量塊1、第二質量塊13在被測加速度作用下產生的 慣性力分別經過第一、第二二級微杠桿放大機構4、5和第三、第四二級微杠桿放大機構16、 17進行力放大后作用于第一、第二音叉諧振器2、14,并改變第一、第二音叉諧振器2、14的固 有振動頻率;之后，通過測量梳齒電容檢測器電容量的變化得到第一、第二音叉諧振器的固 有振動頻率，進而解算出被測加速度值。