一种石英一体式谐振加速度计的制作方法

本发明属于微型机械电子(MEMS)技术领域，具体涉及一种石英一体式谐振加速度计。

背景技术：

加速度计作为惯性导航系统的重要部分，在飞行控制如航空、航天、航海以及武器的稳姿、稳瞄系统如智能炮弹、火箭、导弹和无人军事系统如无人军事飞机、无人军事潜艇等军工领域具有广泛的应用需求。惯性导航系统内部处理的一般都是数字信号，因此随着商业以及国防等领域的导航与制导系统的蓬勃发展，能够直接嵌入导航系统的具有数字信号输出的谐振式加速度传感器正逐渐引起越来越多的注意力。谐振式加速度传感器能够实现对加速度的数字化测量，其输出的是频率准数字信号，能够直接嵌入复杂的导航系统，从而消除了由数模转换环节带来的误差，提高了导航精度。微数字谐振式加速度计是采用MEMS工艺制作的具有尺寸小、响应速度快、成本低等优点的加速度计。传统形式微型加速度传感器主要有的压阻式和电容式，与以上两种相比，谐振式加速度计直接输出准数字信号，能直接与高精度的数字系统相结合，避免了后处理电路的A/D转换模块，消除了模数转换误差，后处理电路简单，灵敏度高，和抗干扰能力强的优点。目前也有少量的谐振式硅微加速度传感器，虽然此类传感器输出的是数字信号，由于采用硅材料进行加工，振频率低、灵敏度差、品质因数Q值低。一部分加速度计也采用了差动的结构，由于结构的复杂性，导致加工工艺繁琐，加工难度大。总之，现有的加速度计普遍存在模拟输出，灵敏度低，加工复杂等问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有加速度计的缺点，本发明的目的在于提供一种石英一体式谐振加速度计，具有数字信号输出、分辨率高和抗干扰性能优良等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种石英一体式谐振加速度计，包括外围的支撑框架1,支撑框架1通过第一柔性铰链5和第三柔性铰链7分别与第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4的一端相连，第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4的另一端分别通过第二柔性铰链6、第四柔性铰链8和质量块2连接，第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4位于加速度计的敏感方向SA上，第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4靠近支撑框架1边框的一端分别和第一石英振梁9和第二石英振梁10的一端连接，第一石英振梁9和第二石英振梁10的另一端和支撑框架1连接，第一石英振梁9和第二石英振梁10上表面布有电极，第一石英振梁9和第二石英振梁10分别位于完全贯通的第一空槽11和第二空槽12内，第一空槽11和第二空槽12分别位于支撑框架1的一组对角上，石英一体式谐振加速度计成中心对称。

所述的支撑框架1为正方形，边长为7000微米，上下边框宽度为450微米，左右边框的宽度为900微米。

所述的质量块2为正方形，边长为5000微米，质量块2与支撑框架1、第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机之间存在间隙，间隙为100微米，当有加速度作用时，根据牛顿第二定律，质量块2在惯性力的作用下要产生一定位移，第一石英振梁9和第二石英振梁10发生微弱的变形，这种变形导致这对石英振梁一个受拉，一个受压，构成差动形式。

所述的第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4的宽度为350微米，长度为5500微米，厚度为360微米，力放大倍数为15-20。

所述的第一柔性铰链5、第二柔性铰链6、第三柔性铰链7和第四柔性铰链8长度为200微米，宽度为50微米，厚度为360微米，整体形状呈平板状，在Z轴方向不容易发生变形。

所述的第一石英振梁9和第二石英振梁10宽度为80微米，厚度为40微米，长度为2000微米，第一石英振梁9和第二石英振梁10通过干法刻蚀工艺加工获得，第一石英振梁9和第二石英振梁10的振动模态相同，频率相同。

所述的第一空槽11和第二空槽12的宽度为300微米以上。

本发明的有益效果为：

当加速度作用于敏感方向SA时，质量块2在惯性力作用下，发生平动，第一石英振梁9和第二石英振梁10总是一者承受拉力，另一者承受压力，且力的大小相等，形成差动的结构形式能够减少非敏感方向的输入信号对输出结果的影响，提高加速度计的抗干扰能力；通过柔性杠杆放大机构提高加速度计的灵敏度；采用石英作为材料，利用了石英单晶的压电特性和频率稳定性高。本发明具有体积小，重量小，数字信号输出、分辨率高和抗干扰性能优良等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A-A截面示意图。

图3为图1的B-B截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1、图2和图3，一种石英一体式谐振加速度计，包括外围的支撑框架1,支撑框架1通过第一柔性铰链5和第三柔性铰链7分别与第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4的一端相连，第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4的另一端分别通过第二柔性铰链6、第四柔性铰链8和质量块2连接，第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4位于加速度计的敏感方向SA上，第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4靠近支撑框架1边框的一端分别和第一石英振梁9和第二石英振梁10的一端连接，第一石英振梁9和第二石英振梁10的另一端和支撑框架1连接，第一石英振梁9和第二石英振梁10上表面布有电极，第一石英振梁9和第二石英振梁10分别位于完全贯通的第一空槽11和第二空槽12内，第一空槽11和第二空槽12分别位于支撑框架1的一组对角上，石英一体式谐振加速度计成中心对称，通过质量块2感应到加速度的输入，然后通过第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4将由外界加速度引起的力放大，再分别施加到第一石英振梁9和第二石英振梁10上，第一石英振梁9和第二石英振梁10上的频率相减求得差动频率，检测差动的频率变化值就能够得到加速度的大小，完成对加速度的感应与测量。

所述的支撑框架1为正方形，边长为7000微米，上下边框宽度约为450微米，左右边框的宽度约为900微米。

所述的质量块2为正方形，边长为5000微米，质量块2与支撑框架1、第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机之间存在间隙，间隙为100微米，当有加速度作用时，质量块2在惯性力的作用下要产生一定位移，第一石英振梁9和第二石英振梁10发生微弱的变形，这种变形导致这对石英振梁一个受拉，一个受压，构成差动形式。

所述的第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4的宽度为350微米，长度为5500微米，厚度为360微米，力放大倍数为15-20。

所述的第一柔性铰链5、第二柔性铰链6、第三柔性铰链7和第四柔性铰链8长度为200微米，宽度为50微米，厚度为360微米，整体形状呈平板状，抗剪切能力强，在Z轴方向不容易发生变形，减小交叉灵敏度，有助于提高整个加速度计的性能。

所述的第一石英振梁9和第二石英振梁10宽度为80微米，厚度为40微米，长度为2000微米，第一石英振梁9和第二石英振梁10通过干法刻蚀工艺加工获得，第一石英振梁9和第二石英振梁10的振动模态相同，频率相同，侧壁平整度和粗糙度更加优良，这样可以保证第一石英振梁9和第二石英振梁10具有相同的结构尺寸和力频特性，侧壁使第一石英振梁9和第二石英振梁10的差动振动频率更准确的、客观的反应加速度的大小。

所述的第一空槽11和第二空槽12的宽度为300微米以上。

本发明的工作原理是：

石英单晶具有压电特性，在第一石英振梁9和第二石英振梁10的上表面布置电极，通过外部震荡电路使第一石英振梁9和第二石英振梁10发生共振，根据牛顿第二定律，当加速度作用于敏感方向SA时，质量块2在惯性力的作用发生平动，质量块2在惯性力作用下，发生平动，在第二柔性铰链6和第四柔性铰链8处同时有力输入，并且这对力一者为拉力，另一者为压力，这对拉压力分别被第一柔性杠杆放大机构3和第二柔性杠杆放大机构4放大后，又分别传递到第一石英振梁9和第二石英振梁10。受力会导致石英振梁的内应力变化，应力的变化致使谐振频率发生改变，改变的大小与加速度成正比。由于第一石英振梁9和第二石英振梁10总是一者承受拉力，另一者承受压力，且力的大小相等，将两者的谐振频率相减，得到差动频率变化值，通过检测差动的频率变化值就能够得到加速度的大小。差动的结构形式能够减少非敏感方向的输入信号对输出结果的影响，提高加速度计的抗干扰能力，通过柔性杠杆放大机构提高传感器的灵敏度。本发明采用石英作为材料，利用了石英单晶的压电特性和频率稳定性高。具有体积小，重量小，数字信号输出、分辨率高和抗干扰性能优良等优点。