硅微谐振式加速度计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于一种微型机电系统，具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等特点，是结合机械、电子、控制技术为一体的机电一体化设备。
【背景技术】
[0002]国内对于硅微谐振式加速度计的研究工作起步于2000年左右。尽管处于起步阶段北京大学、清华大学、南京理工大学等多家单位以及研究所正在致力于这方面的研究，并不断地取得研究成果，具有很好的发展前景。
[0003]目前在理论研究方面，重庆大学和中国工程物理研究所进行了两级杠杆放大装置的研究，放大倍数达102倍，并给出了仿真验证，灵敏度为52Hz/g ;北京航空航天大学利用ISIGHT软件，采用遗传算法对杠杆结构参数进行优化；实现的放大倍数为9.67。在已报道的样品方面，天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室等单位开发的谐振式加速度计灵敏度为2Hz/g ;北京大学微电子实验室发表了关于使用体硅加工工艺制成样品的相关论文，其灵敏度为27.3Hz/g，分辨率为0.1678mg。
【发明内容】
[0004]I) DETF谐振器的设计与分析
主要包括对DETF谐振器的理论推导与仿真分析。理论部分包括:建立了谐振梁的固有频率、有轴向力作用时的谐振频率以及谐振梁的非线性振动的理论模型，并采用FEA进行了理论模型的仿真验证。对电学模型进行了详细分析，论述了其驱动检测方式，并推导了其等效电学模型。仿真部分包括对DETF谐振器的模态分析和静电驱动仿真分析。
[0005]2)微杠杆结构的设计与分析
结合工艺条件分析、设计并优化了微杠杆结构。本发明采用的微杠杆结构主要包括支点、输入端、杠杆、输出端和杠杆与谐振器的连接部分。根据力平衡和力矩平衡原理推导了微杠杆的放大倍数，并对其进行了理论分析。通过仿真验证微杠杆结构的各个组成部分对放大倍数的影响，实现对微杠杆结构的优化设计。
[0006]3)整体结构的设计与仿真验证
结合性能指标和加工工艺边界条件对硅微谐振式加速度计整体结构进行设计。针对加速度计的核心指标进行分析，主要包括标度因数、线性度、量程、噪声和带宽，结合设计要求进行加速度计的整体结构设计。运用ANSYS、MATLAB等仿真软件进行仿真验证，并完成版图的绘制工作。论文中设计的加速度计的谐振频率为28194Hz，标度因数为95Hz/g，量程为±50g，线性度为0.099%，带宽为3624.5Hz，结构噪声等效的加速度约为0.087mg。
[0007]4)加工工艺引起的误差分析
分析了硅微谐振式加速度计的加工工艺引起的误差。主要包括:DETF结构尺寸不等，厚度不等，梳齿间距不等，弹性系统不对称。根据分析可知，除了依赖工艺条件的改善，还需要合理优化设计弹性系统以及谐振梁等关键部分来减低加工工艺误差对加速度计性能的影响。
【附图说明】
[0008]图1是DETF谐振器闭环驱动回路。
【具体实施方式】
[0009]硅微谐振式加速度计工作机理与传统的振梁式加速度计类似，利用了振梁的力频特性，通过频率变化量的测量获取载体的加速度。硅微谐振式加速度计结构的主要组成部分，包括双端固定音叉(DETF)、驱动机构、杠杆放大结构、质量块和支撑系统等。
[0010]质量块在加速度作用下产生惯性力，该惯性力经微杠杆结构实现一定倍数的放大，随后传递到DETF谐振器上，使得DETF谐振梁的频率发生变化，通过检测谐振频率变化量即可得到加速度值。为降低干扰，提高测量精度，谐振器结构采用两个对称分布的DETF结构。当有加速度输入时，两个对称分布的DETF分别受到张力和压力，它们的谐振频率分别增大和减小。经过信号差分处理，可得到它们的差动频率。在一定输入加速度范围内，差动频率值与输入加速度值成正比关系。
【主权项】
1.一种新型硅微谐振式加速度计，其导体单晶硅的杂质浓度极低，设计灵活性高，MEMS传感器尺寸小、工艺廉价。
2.根据权利要求1所述基于新型硅微谐振式加速度计，其特征在于，所述硅微谐振式加速度计导体单晶硅的杂质浓度极低，是一种理想的弹性结构材料。
3.根据权利要求1所述新型硅微谐振式加速度计，其特征在于，基于电容的谐振器的静电驱动和检测比压电石英技术具有更大的设计灵活性。
4.根据权利要求1所述新型硅微谐振式加速度计，其特征在于，MEMS传感器固有的小尺寸特性使紧凑的再入结构型惯性测量器件(MU)的发展成为可能，并且具有廉价的特性，这为硅微谐振式加速度计的快速商业化的实现提供了可能。
【专利摘要】本发明公开了一种新型的硅微谐振式加速度计，其特征在于：除具备传统英谐振式传感器的特性外，还有杂质浓度低、更大的设计灵活性、输出信号为频率信号，具有精度高和抗干扰能力强等优点。其导体单晶硅的杂质浓度极低，设计灵活性高，MEMS传感器尺寸小、工艺廉价。所述硅微谐振式加速度计导体单晶硅的杂质浓度极低，是一种理想的弹性结构材料。基于电容的谐振器的静电驱动和检测比压电石英技术具有更大的设计灵活性。MEMS传感器固有的小尺寸特性使紧凑的再入结构型惯性测量器件(IMU)的发展成为可能,并且具有廉价的特性，这为硅微谐振式加速度计的快速商业化的实现提供了可能。
【IPC分类】G01P15-097
【公开号】CN104698221
【申请号】CN201310657426
【发明人】孙宝恒
【申请人】孙宝恒
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2013年12月9日