一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片的制作方法

本发明属于微机械电子(mems)数字式加速度计技术领域，具体涉及一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片。

背景技术：

传统的石英谐振式加速度传感器有其准数字输出，无数模转换误差，精度高，抗干扰能力强等优于其他类型传感器的特点，但由于石英材料的破坏强度较低，抗冲击过载能力差，其使用范围受到恶劣环境限制。特别是在航空航天及武器系统领域，引信系统中的传感器网络，需要通过检测外界的加速度来判断打击的行程和目标，在发射和打击过程中，引信系统往往要与武器系统一起承受上万g的过载加速度，在巨大的惯性冲击下，传感器自身结构容易遭到破坏，因此对传感器的过载有很高的要求。而在飞行过程中，传感器的加速度测量范围比较小，往往只有几十到几百g，所以过载时加速度的大小通常是其测量范围的上百倍到上千倍，远远超过了传感器自身的承受能力，因此需要对传感器芯片进行过载保护。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，具有准数字输出，精度高，抗干扰能力强，体积小等特点。

为了实现上述目标，本发明采用的技术方案为：

一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，由硅基底和石英音叉梁组成，其中硅基底由外围的支撑框架1和内部的敏感质量块2组成，支撑框架1和敏感质量块2上分别带有对应过载止挡结构7，并通过柔性支撑梁4连接为一个整体，柔性支撑梁4位于芯片的对角线a上，对称分布，敏感质量块2上刻蚀第一空槽3a和第二空槽3b，敏感质量块2上设置有石英音叉梁的第一安装对准标记5a、第二安装对准标记5b，支撑框架1上设置有第三安装对准标记6a、第四安装对准标记6b，第一安装对准标记5a、第二安装对准标记5b沿轴a对称分布，第三安装对准标记6a、第四安装对准标记6b沿轴a对称分布，第一空槽3a和第二空槽3b对称于轴线a；

所述的石英音叉梁安装于敏感质量块2上，石英音叉梁的第一音叉9a、第二音叉9b分别在第一空槽3a、第二空槽3b中振动，第一安装对准标记5a、第三安装对准标记6a与石英音叉梁的第一底座8a、第二底座10a对齐，第二安装对准标记5b、第四安装对准标记6b分别与石英音叉梁的第三底座8b、第四底座10b对齐，保证两根石英音叉梁平行于对角线a方向且恰好位于第一空槽3a、第二空槽3b的中心位置，石英音叉梁敏感方向为b方向，b方向和对角线a垂直。

所述的过载止挡结构7为多级台阶，由支撑框架1上的第一止挡结构7a和敏感质量块2上的第二止挡结构7b组成，第一止挡结构7a和第二止挡结构7b之间设置有供敏感质量块2测量范围内运动的预留缝隙，预留缝隙的大小自顶角位置沿c方向开始逐级递减，大小为15um-24um不等，并根据过载数量级的要求，设置不用的台阶数目和预留缝隙的大小，c方向为支撑框架1棱边方向，以支撑框架1的顶点为起点，向两棱边延伸，与对角线a成45°角。

所述的石英音叉梁由第一音叉9a和第一底座8a、第二底座10a组成，第一音叉9a的每个插齿上四面镀有电极，电极之间相互电连接，用以石英音叉起振，在逆压电效应作用下，通交变电压，石英音叉梁处于预设振动模态，第一底座8a、第二底座10a上设置有与外部电路相连接的焊盘。

所述的柔性支撑梁4与支撑框架1和敏感质量块2相交位置设置有倒角。

所述的支撑框架1、敏感质量块2和过载止挡结构7为一体化加工。

所述的第一安装对准标记5a、第二安装对准标记5b、第三安装对准标记6a、第四安装对准标记6b刻蚀深度为200um。

所述的第一空槽3a和第二空槽3b宽度为500um，深度为200um，两空槽之间的距离为1000um。

本发明的有益效果为：

测量加速度时，惯性力作用于敏感质量块2上，两根石英音叉梁分别受到拉应力和压应力的作用，进而使得石英音叉梁谐振频率发生变化，通过测量频率变化，可获得加速度信息，测量过程无需数模转换，输出为准数字的加速度信号；支撑框架1、敏感质量块2和过载止挡结构7为一体化加工，无需安装，没有安装误差；在受到瞬时高过载加速度时，进行硬接触自我保护，避免了传感器的破坏，并能迅速恢复正常测量阶段，扩大了其使用范围；不同数量过载台阶能分散过载应力，有效提高了过载能力，通过设置不同数量的台阶和不同台阶之间的距离，进行不同数量级的过载保护。

附图说明

图1为本发明硅基底结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为图2的b-b截面示意图。

图4为过载止挡结构放大示意图。

图5为石英音叉梁结构示意图。

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和图2，一种多级台阶高过载谐振式加速度计芯片，由硅基底和石英音叉梁组成，其中硅基底由外围的支撑框架1和内部的敏感质量块2组成，支撑框架1和敏感质量块2上分别带有对应过载止挡结构7，并通过柔性支撑梁4连接为一个整体，柔性支撑梁4位于芯片的对角线a上，对称分布，用于敏感质量块2的固定和在加速度作用下的支撑和转动，柔性支撑梁4与支撑框架1和敏感质量块2相交位置设置有倒角，减少应力集中带来的破坏；敏感质量块2上刻蚀第一空槽3a和第二空槽3b，敏感质量块2上设置有石英音叉梁的第一安装对准标记5a、第二安装对准标记5b，支撑框架1上设置有第三安装对准标记6a、第四安装对准标记6b，第一安装对准标记5a、第二安装对准标记5b沿轴a对称分布，第三安装对准标记6a、第四安装对准标记6b沿轴a对称分布，刻蚀深度为200um左右；第一空槽3a和第二空槽3b对称于轴线a，用来为石英音叉梁提供足够的运动空间，宽度为500um，深度为200um左右，两空槽之间的距离为1000um；

参照图2和图3，所述的石英音叉梁安装于硅基底上，石英音叉梁的第一音叉9a、第二音叉9b分别在第一空槽3a、第二空槽3b中振动，第一安装对准标记5a、第三安装对准标记6a与石英音叉梁的第一底座8a、第二底座10a对齐，第二安装对准标记5b、第四安装对准标记6b分别与石英音叉梁的第三底座8b、第四底座10b对齐，保证两根石英音叉梁平行于对角线a方向且恰好位于第一空槽3a、第二空槽3b的中心位置，石英音叉梁敏感方向为b方向，b方向和对角线a垂直。

参照图4，所述的过载止挡结构7为多级台阶，由支撑框架1上的第一止挡结构7a和敏感质量块2上的第二止挡结构7b组成，第一止挡结构7a和第二止挡结构7b之间设置有供敏感质量块2正常测量范围内运动的预留缝隙，预留缝隙的大小自顶角位置沿c方向开始逐级递减，大小为15um-24um不等，并根据过载数量级的要求，设置不用的台阶数目和预留缝隙的大小，c方向为支撑框架1棱边方向，以支撑框架1的顶点为起点，向两棱边延伸，与对角线a成45°角。

参照图5，所述的石英音叉梁由第一音叉9a和第一底座8a、第二底座10a组成，第一音叉9a的每个插齿上四面镀有电极，电极之间相互电连接，用以石英音叉起振，在逆压电效应作用下，通交变电压，石英音叉梁处于预设振动模态，第一底座8a、第二底座10a上设置有与外部电路相连接的焊盘。

第二音叉9b、第三底座8b、第四底座10b的结构跟上述第一音叉9a、第一底座8a、第二底座10a的结构相同。

本发明的工作原理是：

参照图2，石英音叉梁的逆压电效应被施加的交变电压激励后，按照其预定的固有模态振型振动，在b方向受到加速度的影响后，敏感质量块2由于惯性力，带动石英音叉梁发生形变，且其中一根石英音叉梁受到拉应力频率升高，另一根石英音叉梁受到压应力频率降低，两者的频率差与加速度成比例关系，通过测量频率差，进而获得所测加速度的大小。当受到外界突变的过载加速度作用时，柔性支撑梁4和石英音叉梁的形变增大，此时敏感质量块2上的第二止挡结构7b会与支撑框架1上的第一止挡结构7a发生硬接触，进而阻止敏感质量块2的进一步位移，避免石英音叉梁和柔性支撑梁4变形超过材料的极限强度引起破坏，传感器进入自我保护状态。当加速度恢复到正常测量范围时，敏感质量块2回到原来位置，石英音叉梁恢复其原有振动模态，传感器正常工作。