下端对称设置有横向放置的活动梳齿53，活动梳齿53的上下两端分别设有通过支撑锚点键合于玻璃基底I上的外固定梳齿55和内固定梳齿54。
[0046]并且，两个谐振梁51之间的间距较小，外固定梳齿55为驱动端，而内固定梳齿54为检测端。
[0047]在四个谐振器5中，同一对角线上的两个谐振器5中心对称进而形成差分检测，提高检测精度；一侧的台肩52通过支撑锚点键合安装于玻璃基底1，另一侧的台肩52连接于杠杆61，而杠杆61属于整体杠杆机构6。
[0048]杠杆机构6包括杠杆61以及通过固定锚点设置于玻璃基底I上的U型梁62 ；X轴方向上的杠杆61纵向放置，且该方向上的杠杆61的一端通过梁杆8连接于敏感质量块框2的外侧，另一端连接于纵向放置的U型梁62，进而X轴方向上的杠杆61可在X方向上移动；同理，Y轴方向的杠杆61横向放置，且该方向上的杠杆61的一端通过梁杆8连接于敏感质量块框2的外侧，另一端连接于横向放置的U型梁62，进而Y轴方向上的杠杆61可在Y方向上移动。杠杆61上还设置有支杆7。
[0049]其中，由于梁杆8很窄，沿其宽度和高度方向的刚度小，在与U型梁62的共同作用下，能够实现三个正交方向的自解耦，提高加速度的灵敏度和分辨率。
[0050]玻璃基底I由硼硅酸盐玻璃制成，主结构均由单晶硅材料制成。
[0051]如图3所示，上述三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计的加工方法，包括以下步骤:
[0052](I)使用第一块掩膜板在玻璃基底I上光刻，将有信号引线的地方暴露出来；
[0053](2)溅射金属铝作为信号引线，然后采用剥离技术去除光刻胶；
[0054](3)在一块单晶硅片的背面使用第二块掩膜板进行光刻，并利用Bosch工艺刻蚀出锚点，然后去除光刻胶；
[0055](4)在通过步骤(3)刻蚀的硅结构层的背面利用第三块掩膜板进行光刻，并利用Bosch工艺刻蚀出一定深度的凹槽，然后去除光刻胶；
[0056](5)将通过步骤⑷刻蚀的硅结构层与玻璃基底I上的锚点直接键合；
[0057](6)在硅结构层上利用第四块掩膜板部分遮光进行光刻，并采用Bosch工艺刻蚀刻蚀深槽，深槽的深度与步骤(3)中刻蚀的锚点厚度相同；
[0058](7)将第五块掩膜板进行光刻，并采用Bosch工艺直到硅结构层上的深槽完全刻通停止，释放结构，最后去除光刻胶。
[0059]如图4所示，本发明中的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计的工作原理为:
[0060]在X方向的线性谐振器5的外侧驱动固定电极上施加带直流偏置的交流驱动电压后，产生交变驱动力，在交变驱动力的作用下，谐振梁51将沿Y轴发生相向的简谐振动，接着将内侧的固定电极简谐振动信号检测出来，然后再将该信号反馈给驱动电压，形成闭环自激控制系统，该闭环自激控制系统的频率将锁定在谐振梁51的固有频率
[0061]当敏感质量块框2受到沿X轴方向有加速度作用时，沿X轴方向运动，敏感质量块框2把加速度转换成惯性力，通过梁杆8传递到杠杆结构6进而放大输入力，被放大的输入力作用于谐振梁51上，使得谐振梁51的谐振频率fx发生变化。
[0062]由于对角线上的两个谐振器5结构是对称的，因此当一个谐振器5受到拉力，谐振频率fx+增大，则另一个肯定是受到压力，谐振频率f x_减小。通过检测频率的变化量，并将这两个谐振器5结构的频率信号fx+与f ^差分得到f x，进而可以得到需要测量的沿X轴方向输入加速度^的大小。这种完全对称的结构设计可以提高标度因数，并能消除温度等共模误差的影响。
[0063]本发明对Y轴方向的加速度的测量原理和X轴方向的加速度的测量原理是相同的。通过检测频率的变化量，并将这两个谐振器5结构的频率信号fy+与f ,_差分得到f y，进而可以得到需要测量的沿Y轴方向输入加速度\的大小。
[0064]其中，由于U型梁62通过梁杆8与杠杆61相连，当Y轴方向有输入加速度时，扭摆式质量块3不会对X轴方向的谐振器5结构产生影响。同样，当X轴方向有输入加速度时，扭摆式质量块3不会对Y轴方向的谐振器5结构产生影响，因此这种全解耦的三轴集成谐振、电容式硅微加速度计能很好地隔离三个轴向的交叉耦合影响，使得测量信号更准确。
[0065]在Z方向有加速度时，对称的扭摆式质量块3的两个质量摆31绕连接于其之间的扭杆32转动，非对称的扭摆式质量块3的两个质量摆31绕扭杆32转动，从而导致第一、三象限的两个电容梳齿的变化量C3+C4和第二、四象限的两个电容梳齿组4的变化量C1+C2大小相等，方向相反，便于差分，通过检测电容的变化Vz来检测加速度a zo
【主权项】
1.一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，其特征在于:包括玻璃基底以及键合锚点悬浮设置于玻璃基底表面中心位置的主结构； 所述主结构包括敏感质量块框、安装于敏感质量块框中心位置的两个扭摆式质量块、电容梳齿组和四个谐振器； 所述两个扭摆式质量块纵向排列放置，且每个扭摆式质量块均由两个质量摆横向连接构成，且每个扭摆式质量块的左右两侧分别设置有电容梳齿组； 所述四个谐振器分别通过杠杆机构安装于敏感质量块框四个顶角的外侧； 所述玻璃基底上设有与主结构电极相连的信号引线。
2.根据权利要求1所述的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，其特征在于:所述电容梳齿组包括连接于扭摆式质量块的活动电容梳齿、以及通过支撑锚点键合于玻璃基底的固定电容梳齿，所述固定电容梳齿和活动电容梳齿的高度不同且共同构成变面积式电容检测，固定电容梳齿下方的玻璃基底上设有信号引线。
3.根据权利要求2所述的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计其特征在于:所述同一扭摆式质量块两侧的活动电容梳齿关于Y轴对称，不同扭摆式质量块两侧的活动电容梳齿关于X轴对称；两个扭摆式质量块上对角线上的电容梳齿组的电容相互差分，且同一扭摆式质量块的两个质量摆之间通过扭杆连接，所述扭杆通过锚点固定于玻璃基底。
4.根据权利要求1所述的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，其特征在于:所述谐振器包括支撑梁、安装于支撑梁两端部的台肩，所述支撑梁由两个横向设置的谐振梁组成，上谐振梁的上端和下谐振梁的下端对称设置有横向放置的活动梳齿，活动梳齿的两端分别设有通过支撑锚点键合于玻璃基底上的外固定梳齿和内固定梳齿。
5.根据权利要求4所述的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，其特征在于:在所述四个谐振器中，同一对角线上的两个谐振器中心对称进而形成差分检测，一侧的台肩通过支撑锚点键合安装于玻璃基底，另一侧的台肩连接于杠杆机构。
6.根据权利要求1所述的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，其特征在于:所述杠杆机构包括杠杆以及通过固定锚点设置于玻璃基底上的U型梁； 所述X轴方向上的杠杆纵向放置，且该方向上的杠杆的一端通过梁杆连接于敏感质量块框的外侧，另一端连接于纵向放置的U型梁，进而X轴方向上的杠杆可在X方向上移动； 所述Y轴方向的杠杆横向放置，且该方向上的杠杆的一端通过梁杆连接于敏感质量块框的外侧，另一端连接于横向放置的U型梁，进而Y轴方向上的杠杆可在Y方向上移动。
7.根据权利要求1所述的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，其特征在于:所述玻璃基底由硼硅酸盐玻璃制成，所述主结构均由单晶硅材料制成。
8.根据权利要求1?7任意一项所述的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计的加工方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)使用第一块掩膜板在玻璃基底上光刻，将有信号引线的地方暴露出来； (2)溅射金属铝作为信号引线，然后去除光刻胶； (3)在一块单晶硅片的背面使用第二块掩膜板进行光刻，并利用Bosch工艺刻蚀出锚点，然后去除光刻胶； (4)在通过步骤(3)刻蚀的硅结构层的背面利用第三块掩膜板进行光刻，并利用Bosch工艺刻蚀出一定深度的凹槽，然后去除光刻胶； (5)将通过步骤(4)刻蚀的硅结构层与玻璃基底上的锚点直接键合； (6)在硅结构层上利用第四块掩膜板部分遮光进行光刻，并采用Bosch工艺刻蚀刻蚀深槽，深槽的深度与步骤(3)中刻蚀的锚点厚度相同； (7)将第五块掩膜板进行光刻，并采用Bosch工艺直到硅结构层上的深槽完全刻通停止，释放结构，最后去除光刻胶。
【专利摘要】本发明公开一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，包括玻璃基底以及键合锚点悬浮设置于玻璃基底表面中心位置的主结构；主结构包括敏感质量块框、安装于敏感质量块框中心位置的两个扭摆式质量块、电容梳齿组和四个谐振器；两个扭摆式质量块纵向排列放置，且每个扭摆式质量块均由两个质量摆横向连接构成，且每个扭摆式质量块的左右两侧分别设置有电容梳齿组；四个谐振器分别通过杠杆机构安装于敏感质量块框四个顶角的外侧；玻璃基底上设有与主结构电极相连的信号引线。本发明在X、Y、Z三个方向的加速度测量时均进行了差分输出，提高检测精度，并且X、Y轴采用谐振式，Z轴采用电容式成本低，本发明中的加工方法简单可大批量生产。
【IPC分类】G01P15-125
【公开号】CN104698222
【申请号】CN201510083131
【发明人】夏敦柱, 高海珏, 孔伦
【申请人】东南大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月15日