一种新型硅微谐振加速度计的惯性力放大机构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微机械惯性力放大机构，特别是一种基于二级杠杆的硅微谐振式 加速度计惯性力放大机构，可有效隔离工作模态和干扰模态，实现惯性力的高效放大，提高 加速度计的标度因数和灵敏度。
【背景技术】
[0002] 硅微谐振式加速度计是一种利用振梁的力频特性，通过检测谐振频率变化量来获 取载体加速度的微机械惯性器件。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，已成为微传感器的研究热点之一。由微加工技术制作的MEMS加速度计尺寸微 小，使敏感质量块的质量已降至mg量级。加速度经质量块转化的惯性力很小，严重制约了 加速度计标度因数的提高。
[0003] 随着小型化、大标度因数、高灵敏度已成为当前硅微谐振式加速度计的发展方向， 所以在质量块敏感结构和谐振器敏感结构之间引入可将惯性力放大的微机构就显得尤为 重要。微杠杆是一种柔性机械，其通过柔性梁的弹性变形传递力或位移。在微机械系统中， 由于加工和装配技术问题，实现可自由旋转铰链机构的设计和制造都非常困难。所以采用 给予细直梁的微杠杆机构来实现力（或位移）的放大（或缩小），杠杆支点、输入端、输出端 均采用具有一定柔度的细直梁，利用细直梁的柔性使刚性连接的杠杆机构能够转动。
[0004] 目前，国内外研究机构对于硅惯性力放大机构的研究存在以下问题：
[0005] 1.普遍采用放大倍数较小的单级微机械杠杆机构放大惯性力，使得惯性力的放大 倍数受到严重限制。
[0006] 2.多级杠杆结构相对复杂，结构中连接梁、支撑梁较多，在惯性力传递过程中容易 形成应力集中，造成惯性力损失严重。
[0007] 3.各部分均为刚性连接的微杠杆机构，容易造成微杠杆机构输入输出的刚度不匹 配，实际放大倍数与理想放大倍数差距较大。
【发明内容】
[0008] 本发明解决的技术问题是：（1)克服当前微机械惯性力放大机构对惯性力放大不 足的限制；（2)减小了惯性力在放大机构传递过程中的损失；(3)惯性力放大机构实现的实 际放大倍数与理想放大倍数差距较小。
[0009] 本发明解决的技术方案是：一种新型硅微谐振加速度计的惯性力放大机构，包括： 质量块支撑梁、质量块、惯性力放大机构、谐振器；
[0010] 惯性力放大机构，包括：第一级杠杆放大机构（1)、第二级杠杆放大机构（2); [0011] 第一级杠杆放大机构（1)分为对称的两部分，这两部分相对于谐振音叉所在的直 线为轴对称分布；
[0012] 第二级杠杆放大机构（2)分为对称的两部分，这两部分相对于谐振音叉所在的直 线为轴对称分布；
[0013] 第一级杜杆放大机构（1)的每一部分，包括：第一级杜杆输入梁（11)、第一级杜杆 臂（12)、第一级杠杆支点梁（14)和第一级杠杆输出梁（13);
[0014] 第二级杠杆放大机构（2)的每一部分包括：第二级杠杆输入梁（13)、第二级杠杆 臂（21)、第二级杠杆支点梁（22)和第二级杠杆输出梁（23);第一级杠杆输出梁即为第二级 杜杆输入梁；
[0015] 第一级杠杆臂的一端通过第一级杠杆输入梁连接质量块，第一级杠杆支点梁的一 端连接第一级杠杆臂的另一端，第一级杠杆支点梁的另一端连接第一级杠杆臂和第二级杠 杆臂之间的锚区；
[0016] 第二级杠杆臂的一端通过第一级杠杆输出梁连接第一级杠杆臂，第二级杠杆输出 梁的一端连接第二级杠杆臂的另一端，第二级杠杆输出梁的另一端连接谐振器的一端，即 输入端，谐振器的另一端通过锚区固定；
[0017] 第二级杠杆支点梁的一端连接第二级杠杆臂，第二级杠杆支点梁的另一端连接第 一级杠杆臂和第二级杠杆臂之间的锚区；
[0018] 第一级杠杆输入梁与第一级杠杆臂的连接点到第一级杠杆支点梁的一端的距离， 与第一级杠杆输出梁到第一级杠杆支点梁的一端的距离，作为第一级杠杆的动阻比，第一 级杠杆的动阻比为至少为3;
[0019] 第二级杠杆输入梁与第二级杠杆臂连接点到第二级杠杆支点梁的一端的距离，与 第二级杠杆输入梁到第二级杠杆支点梁的一端的距离，作为第二级杠杆的动阻比，第二级 杠杆的动阻比至少为4;
[0020] 质量块支撑梁，位于质量块的两侧，质量块支撑梁包括上下两部分，上下两部分相 对于谐振音叉所在的直线为轴对称分布；质量块支撑梁的一端连接质量块，质量块支撑梁 的另一端连接位于质量块外部的锚区。
[0021] 所述谐振器，包括：谐振音叉（5)、驱动单元（6)、和检测单元（7);
[0022] 所述谐振音叉的一端，即输入端，连接第二级杠杆输出梁的另一端，所述谐振音叉 的另一端通过锚区固定；
[0023] 驱动单元位于谐振音叉中部，用于驱动谐振音叉按工作频率振动；检测单元用于 检测谐振音叉频率的变化。
[0024] 所述质量块支撑梁、质量块、惯性力放大机构、谐振器均为硅材质。
[0025] 所述的微机械惯性力放大结构，一级杠杆输入梁为"几"字型柔性细折叠梁，a尺 寸为600~620 μ m，b尺寸为14~16 μ m，c尺寸为44~46 μ m，d尺寸为560~570 μ m， e尺寸为14~16 μ m，f尺寸为28~32 μ m，g尺寸为9~11 μ m。
[0026] 所述的第一级杠杆臂为刚性直梁，长度1990~2010 μ m，宽度245~255 μ m。
[0027] 所述第一级杠杆输出梁为一柔性细长直梁，长度495~505 μ m，宽度9~11 μ m。
[0028] 所述的第一级杠杆支点梁为一底部固定并垂直于第一级杠杆臂的柔性细直梁，长 度 375 ~385 μ m，宽度 7. 3 ~7. 7 μ m。
[0029] 所述第二级杠杆臂为刚性直梁，长度945~955 μ m，宽度145~155 μ m ;二级杠杆 支点也为一底部固定并垂直于杠杆臂的柔性细直梁，位于二级杠杆输入端和二级杠杆输出 端之间，长度145~155 μ m，宽度7. 3~7. 7 μ m。
[0030] 所述的第二级杠杆输出端为一短直梁，长度95~105 μ m，宽度7· 3~7· 7 μ m，与 第二级杠杆臂之间设置有间隙，间隙宽度为18~22 μπι，对称的两根第二级杠杆输出梁之 间设置一根垂直于两根第二级杜杆输出梁的横梁，长度95~105 μ m，宽度8~12 μ m。
[0031] 本发明与现有技术相比所产生的有益效果在于：
[0032] (1)通过两种结构形式的单级杠杆有效组合，实现了惯性力的二次放大，有效提高 了惯性力放大机构对惯性力的放大倍数，通过对连接梁、支撑梁的结构形式和长宽比的优 化设计，使整体的惯性力放大机构具有很好的刚度匹配，使得音叉同向振动模态，即工作模 态；音叉反向振动模态，即干扰模态，工作模态和工作模态之间保持较大频差，从而提高了 谐振加表的标度因数和整体性能。
[0033] (2)通过一级杠杆输入梁的"几"字型折叠设计，减小了惯性力在质量块与一级杠 杆之间传递过程中的损失。
[0034] (3)通过对输入输出梁、支点梁的长宽比的优化设计，使惯性力放大机构整体具有 较小的扭转刚度和较大的拉压刚度，极大的减小了惯性力在惯性力放大机构间传递过程中 的损失。
[0035] (4)通过设置一根垂直于两根第二级杠杆输出梁的横梁，增加了整个惯性力放大 机构的稳定性，避免了其他振动模态对工作模态的影响。
[0036] (5)惯性力放大机构结构形式简单，易于加工，其整体结构嵌在加速度计质量块内 部，节省设计空间。在实际应用中，可根据谐振加速度计实际需要，调整两级杠杆动力臂和 阻力臂的长度来实现不同的放大倍数。
【附图说明】
[0037] 图1为带有惯性力放大机构的硅微谐振式加速度计结构示意图；
[0038] 图2为惯性力放大机构结构示意图；
[0039] 图3为第一级杠杆输入梁结构示意图。
【具体实施方式】
[0040] 本发明的基本思路为：一种新型硅微谐振式加速度计的惯性力放大机构，由两种 形式的单级杠杆放大机构组合而成。两级杠杆放大机构分别由杠杆输入梁、杠杆臂、杠杆支 点梁和杠杆