一种具有高倍惯性力放大特性的硅微谐振加速度计

摘要

本发明公开了一种具有高倍惯性力放大特性的硅微谐振加速度计，包括：质量块、桥形惯性力放大机构、音叉谐振梁。所述桥形惯性力放大机构包括：一对对称的“V”型支点机构和一对对称的输出力传递臂。两个输出力传递臂通过两根音叉谐振梁连接。整个桥形惯性力放大机构以加速度计的中心横轴及中心纵轴对称。所述质量块分成轴对称的两部分，对称中心为加速度计的整体结构中心，形成八卦布置形式，所述音叉谐振梁包含对称的两根，以加速度计的中心横轴和纵轴对称布置。本发明的优点在于：减小了输出力的作用力臂，减小了惯性力放大倍数损失，从而提高了惯性力放大倍数。

权利要求

1.一种具有高倍惯性力放大特性的硅微谐振加速度计，其特征在于，包括：质量块、桥形惯性力放大机构、音叉谐振梁(4)、驱动电极(6)、检测电极(5)和衬底(8)；

所述桥形惯性力放大机构包括：一对对称的“V”型支点机构和一对对称的输出力传递臂(2)；两个输出力传递臂(2)通过两根音叉谐振梁(4)连接；整个桥形惯性力放大机构以加速度计的中心横轴及中心纵轴对称；

所述“V”型支点机构由对称的一对细长梁(1)和一对锚点(3)构成，每根细长梁的一端与输出力传递臂(2)连接，另一端则与锚点(3)连接；两根对称的细长梁(1)的中心线交点构成铰链支点(9)；

所述输出力传递臂(2)分成对称的两只，以加速度计的中心纵轴对称布置；每只输出力传递臂关于中心横轴对称；每只输出力传递臂(2)的一端与“V”型支点机构及质量块(7)连接，一端与音叉谐振梁连接；

所述质量块(7)为两块且相互对称，对称中心为加速度计的整体结构中心，形成八卦布置形式，即一质量块(7)与输出力传递臂(2)连接，另一质量块(7)与另一输出力传递臂(2)连接；

所述音叉谐振梁(4)包含对称的两根，以加速度计的中心横轴和纵轴对称布置；音叉谐振梁(4)直接承载所有输出力；两根音叉谐振梁(4)各自拥有一组电极，两组电极以加速度计的中心横轴对称；每组电极包含一个驱动电极(6)和两个检测电极(5)，两个检测电极(5)位于驱动电极(6)的两侧，三个电极均分布于音叉谐振梁(4)的一侧；

锚点(3)与衬底(8)键合固接，为硅微谐振加速度计提供机械支承，并且锚点(3)的高度大于细长梁(1)、输出力传递臂(2)、质量块(7)和音叉谐振梁(4)的高度，从而使细长梁、输出力传递臂、质量块及音叉谐振梁均处于悬浮状态；

驱动电极(6)和检测电极(5)均与衬底(8)键合固接，从而使其不因输入加速度而发生移动。

2.根据权利要求1所述的一种具有高倍惯性力放大特性的硅微谐振加速度计，其特征在于：两个细长梁(1)之间的角度为90°。

3.根据权利要求1所述的一种具有高倍惯性力放大特性的硅微谐振加速度计，其特征在于：所述硅微谐振加速度计的工作原理是：两个质量块(7)感应加速度形成两个惯性力，两个惯性力关于相应的铰链支点形成两个输入力矩；两个八卦型布置的质量块(7)使两个输入力矩的作用方向相反，对称作用于桥型放大机构上；两个输入力矩带动输出力传递臂围绕铰链支点旋转；音叉谐振梁(4)对输出力传递臂(2)的旋转有约束作用，因此在音叉谐振梁(4)上形成约束反力，这个约束反力便是惯性力放大机构的输出力；放大倍数正比于惯性力作用力臂与输出力作用力臂的比值，惯性力作用力臂等于质量块(7)质心到相应铰链支点的距离，输出力作用力臂等于音叉谐振梁(4)中心轴到相应铰链支点的距离。

说明书

一种具有高倍惯性力放大特性的硅微谐振加速度计

技术领域

[0001] 本发明涉及微电子机械系统的微惯性测量技术领域，特别涉及一种具有高倍惯性力放大特性的硅微谐振加速度计。

背景技术

[0002] 硅微谐振加速度计是一类把硅谐振梁作为敏感元件，并通过测量硅谐振梁的谐振频率变化实现加速度测量的加速度传感器。硅微谐振加速度计以单晶硅为结构材料，并利用微机械加工工艺进行加工。硅微谐振加速度计具有频率信号输出、稳定性好、灵敏度高、精度高和抗干扰等优点，是微传感器领域的研究热点之一。

[0003] 硅微谐振加速度计的原理是：敏感质量块感应加速度，进而产生惯性力，惯性力引起硅谐振梁的轴向应力变化，轴向应力变化引起谐振频率的变化。硅微谐振加速度计的接口电路测量出谐振率的变化量，并转换为输出量例如电压或者数字量便可实现加速度的测量。

[0004] 由于硅微谐振加速度计的微小尺寸，使其敏感质量块的质量很小(通常毫克量级)。因此，敏感质量块产生的惯性力很小，严重限制了硅微谐振加速度计的灵敏度。为了实现高灵敏度，现有的硅微谐振加速度计通常具有微杠杆机构。微杠杆由输出梁、输入梁、支点梁和杠杆臂组成。输入梁的轴向承载惯性力，而输出梁的轴向则承载输出力，并传递到硅微谐振梁上。惯性力到支点的力臂大于输出力到支点的力臂，因此微杠杆机构能够放大惯性力对谐振频率的改变效果，从而实现提高硅微谐振加速度计的灵敏度的重要功能。

[0005] 在微机械系统中，由于加工和装配技术难题，制造可完全自由旋转的铰链非常困难。因此，现有的微杠杆机构采用具有一定柔性的细直梁作为微杠杆的支点梁。细直梁具有较小的弯曲刚度和较大的轴向伸缩刚度。利用较小的弯曲刚度给微杠杆的旋转提供自由度，同时较大的轴向伸缩刚度起到支承微杠杆的作用，防止微杠杆塌陷。

[0006] 目前，现有技术中的微杠杆放大机构存在以下不足：

[0007] 1支点梁和输出梁均具有较小的弯曲刚度，且相互平行。当支点梁到输出梁的距离过短时，支点梁和输出梁同时发生较大幅度的弯曲，引起放大倍数的削弱，甚至塌陷。因而，输出力的最小作用力臂受到限制，制约微杠杆机构的放大倍数。

[0008] 2为了保证加速度计的稳定性，质量块上需要布置额外的支承梁，对质量块的自由运动造成一定约束，导致了惯性力损失，削弱了惯性力放大倍数。

[0009] 3输入梁和输出梁的有限柔度引起惯性力损失，削弱了惯性力放大倍数。

发明内容

[0010] 本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种具有高倍惯性力放大特性的硅微谐振加速度计，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

[0011] 为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

[0012] 一种具有高倍惯性力放大特性的硅微谐振加速度计，包括：质量块、桥形惯性力放大机构、音叉谐振梁4、驱动电极6、检测电极5和衬底8。

[0013] 所述桥形惯性力放大机构包括：一对对称的“V”型支点机构和一对对称的输出力传递臂2。两个输出力传递臂2通过两根音叉谐振梁4连接。整个桥形惯性力放大机构以加速度计的中心横轴及中心纵轴对称。

[0014] 所述“V”型支点机构由对称的一对细长梁1和一对锚点3构成，每根细长梁的一端与输出力传递臂2连接，另一端则与锚点3连接。两根对称的细长梁1的中心线交点构成铰链支点9。

[0015] 进一步地，两个细长梁1之间的角度为90°。

[0016] 所述输出力传递臂2分成对称的两只，以加速度计的中心纵轴对称布置。每只输出力传递臂关于中心横轴对称。每只输出力传递臂2的一端与“V”型支点机构及质量块7连接，一端与音叉谐振梁连接。

[0017] 所述质量块7为两块且相互对称，对称中心为加速度计的整体结构中心，形成八卦布置形式，即一质量块7与输出力传递臂2连接，另一质量块7与另一输出力传递臂2连接。

[0018] 所述音叉谐振梁4包含对称的两根，以加速度计的中心横轴和纵轴对称布置。音叉谐振梁4直接承载所有输出力。两根音叉谐振梁4各自拥有一组电极，两组电极以加速度计的中心横轴对称。每组电极包含一个驱动电极6和两个检测电极5，两个检测电极5位于驱动电极6的两侧，三个电极均分布于音叉谐振梁4的一侧。

[0019] 锚点3与衬底8键合固接，为硅微谐振加速度计提供机械支承，并且锚点3的高度大于细长梁1、输出力传递臂2、质量块7和音叉谐振梁4的高度，从而使细长梁、输出力传递臂、质量块及音叉谐振梁均处于悬浮状态。

[0020] 驱动电极6和检测电极5均与衬底8键合固接，从而使其不因输入加速度而发生移动。

[0021] 硅微谐振加速度计工作原理：两个质量块7感应加速度形成两个惯性力，两个惯性力关于相应的铰链支点形成两个输入力矩；两个八卦型布置的质量块7使两个输入力矩的作用方向相反，对称作用于桥型放大机构上；两个输入力矩带动输出力传递臂围绕铰链支点旋转；音叉谐振梁4对输出力传递臂2的旋转有约束作用，因此在音叉谐振梁4上形成约束反力，这个约束反力便是惯性力放大机构的输出力；放大倍数正比于惯性力作用力臂与输出力作用力臂的比值，惯性力作用力臂等于质量块7质心到相应铰链支点的距离，输出力作用力臂等于音叉谐振梁4中心轴到相应铰链支点的距离。

[0022] 与现有技术相比本发明的优点在于：

[0023] (1)通过“桥”形放大机构中的V型支点机构设计，使支点只具有扭转自由度，消除了惯性力放大机构对输出力最小作用力臂的限制，提高了惯性力放大倍数。

[0024] (2)对称布置的两对“V”形支点机构形成了牢固机械支承，保证了加速度计的稳定性，质量块上无需再布置额外的支承梁，克服了额外支承梁导致的惯性力损失问题，增大了惯性力放大倍数，实现了加速度计灵敏度的提高。

[0025] (3)“桥”形放大机构中没有输入梁和输出梁，克服了输入梁和输出梁的有限柔度引起的惯性力损失问题，增大了惯性力放大倍数，实现了加速度计灵敏度的提高。

[0026] (4)通过八卦形式的质量块布置，增大了惯性力的作用力臂，从而提高了惯性力的放大倍数。

附图说明

[0027] 图1为本发明硅微谐振加速度计的三维整体结构示意图；

[0028] 图2为本发明硅微谐振加速度计的整体结构的俯视图；

[0029] 图3为本发明微谐振加速度计的受力情况示意图；

[0030] 图3a为本发明惯性力的作用情况示意图；

[0031] 图3b为本发明音叉谐振梁上的输出力的作用情况示意图；

[0032] 图4为本发明实施案例通过有限元仿真得到的惯性力放大倍数随输出力作用力臂及细长梁宽度的变化曲线图；

具体实施方式

[0033] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

[0034] 如图1所示，一种具有高倍惯性力放大特性的硅微谐振加速度计，包括：质量块、桥形惯性力放大机构、音叉谐振梁4、驱动电极6、检测电极5和衬底8。

[0035] 所述桥形惯性力放大机构包括：一对对称的“V”型支点机构和一对对称的输出力传递臂2。两个输出力传递臂2通过两根音叉谐振梁4连接。整个桥形惯性力放大机构以加速度计的中心横轴及中心纵轴对称。

[0036] “V”型支点机构由对称的一对细长梁1和一对锚点3构成。两个细长梁之间的角度为90°。

[0037] 所述“V”型支点机构由对称的一对细长梁1和一对锚点3构成，每根细长梁的一端与输出力传递臂2连接，另一端则与锚点3连接。两根对称的细长梁1的中心线交点构成铰链支点9。

[0038] 所述输出力传递臂2分成对称的两只，以加速度计的中心纵轴对称布置。每只输出力传递臂关于中心横轴对称。每只输出力传递臂2的一端与“V”型支点机构及质量块7连接，一端与音叉谐振梁连接。

[0039] 所述质量块7为两块且相互对称，对称中心为加速度计的整体结构中心，形成八卦布置形式，即一质量块7与输出力传递臂2连接，另一质量块7与另一输出力传递臂2连接。

[0040] 所述音叉谐振梁4包含对称的两根，以加速度计的中心横轴和纵轴对称布置。

[0041] 本发明中，音叉谐振梁4直接承载所有输出力。两根音叉谐振梁4各自拥有一组电极，两组电极以加速度计的中心横轴对称。每组电极包含一个驱动电极6和两个检测电极5，两个检测电极5位于驱动电极6的两侧，三个电极均分布于音叉谐振梁4的一侧。

[0042] 锚点3与衬底8键合固接，为硅微谐振加速度计提供机械支承，并且锚点3的高度大于细长梁1、输出力传递臂2、质量块7和音叉谐振梁4的高度，从而使细长梁、输出力传递臂、质量块及音叉谐振梁均处于悬浮状态。

[0043] 驱动电极6和检测电极5均与衬底8键合固接，从而使其不因输入加速度而发生移动。

[0044] 硅微谐振加速度计工作原理：两个质量块7感应加速度形成两个惯性力，两个惯性力关于相应的铰链支点形成两个输入力矩；两个八卦型布置的质量块7使两个输入力矩的作用方向相反，对称作用于桥型放大机构上；两个输入力矩带动输出力传递臂围绕铰链支点旋转；音叉谐振梁4对输出力传递臂2的旋转有约束作用，因此在音叉谐振梁4上形成约束反力，这个约束反力便是惯性力放大机构的输出力；放大倍数正比于惯性力作用力臂与输出力作用力臂的比值，惯性力作用力臂等于质量块7质心到相应铰链支点的距离，输出力作用力臂等于音叉谐振梁4中心轴到相应铰链支点的距离。

[0045] 根据放大机构的受力情况(见图3)，惯性力相对铰链支点9产生的力矩为Fi×f；其中，Fi代表输入加速度导致的惯性力；f代表惯性力的作用力臂，由质量块质心到相应铰链支点的距离决定。

[0046] 惯性力产生的力矩由音叉谐振梁上的输出力平衡，则惯性力放大机构的力平衡方程为：Fo×a＝(1-k)×Fi×f；其中，系数k称为损失系数，代表由于非理想铰链支点造成的放大倍数损失；Fo代表音叉谐振梁上的输出力；a代表输出力的作用力臂，由谐振梁的宽度b和两根谐振梁之间的距离c决定——a＝(b+c)/2。

[0047] 根据力平衡方程，放大倍数表示为：

[0048]

[0049] 损失系数取决于铰链支点的扭转刚度，扭转刚度越小，损失系数越接近于零。通过增大V型支点机构的细长梁长度g或者减小细长梁宽度d可减小扭转刚度，从而减小损失系数，实现放大倍数的增大。

[0050] 实施案例：

[0051] 加速度计的整体宽度为5000μm，整体高度为3000μm，每个质量块的质量m＝1.3毫克。加速度计的输入加速度为1个重力加速度，每个质量块感应到的惯性力Fi＝12.76μN。惯性力的作用力臂f＝1764.9μm。每根谐振梁的宽度b＝7μm，两个谐振梁之间的距离c为变量，取值[1μm,3μm,5μm,7μm,9μm,11μm,13μm,15μm]，则输出力作用力臂a的取值为[4μm,5μm,6μm,7μm,8μm,9μm,10μm,11μm]。细长梁长度g＝1500μm，宽度d为变量，取值[5μm,7.5μm,10μm]。

[0052] 通过有限元仿真得到的放大倍数随输出力作用力臂及细长梁宽度的变化情况见图4。图4说明，随着输出力作用力臂的减小，惯性力放大倍数持续减小。因而，本发明提供的桥形惯性力放大机构消除了放大机构本身特性对输出力的最小作用力臂的限制，从而实现了较大的惯性力作用力臂与输出力作用力臂的比值。同时，随着细长梁的宽度减小，支点机构的扭转刚度逐渐减小，则放大倍数同样逐渐增大。通过选取较小的输出力作用力臂及细长梁宽度，本发明能够实现160倍以上的高惯性力放大倍数。

[0053] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施案例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。