专利名称：硅微谐振式加速度计的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子机械系统MEMS中的微惯性传感器技术，特别是一种硅微谐振 式加速度计。
背景技术：
微机电系统(Micro-electro-mechanical Systems,简称MEMS)是近年来发展起来的 一个多学科交叉的前沿性高技术领域。MEMS利用从半导体技术上发展起来的硅微机 械加工工艺，主要以硅为材料，在硅片上制作出尺寸在微米量级、悬浮可动的三维结 构，实现对外界信息的感知和控制，并可以与信号处理和控制电路集成，构成一个多 功能的微型系统。微机电系统具有体积小、成本低、可靠性高、易于批量生产等特点， 可广泛应用于航空航天、军事、通信、生物医学等诸多方面，被认为是面向21世纪的 新兴技术甚至主导技术之一。硅微加速度计是典型的MEMS惯性传感器，其研究始于20世纪70年代初，现有 电容式、压电式、压阻式、热对流、隧道电流式和谐振式等多种形式。硅微谐振式加 速度计的独特特点是其输出信号是频率信号，它的准数字量输出可直接用于复杂的数 字电路，具有很高的抗干扰能力和稳定性，而且免去了其它类型加速度计在信号传递 方面的诸多不便，直接与数字处理器相连。目前，硅微谐振式加速度计一般由谐振梁和敏感质量块组成，加速度经敏感质量 块转换为惯性力，惯性力作用在谐振梁的轴向，使谐振梁的频率发生变化，通过测试 谐振频率推算出被测加速度。1999年，美国Trey Roessing基于谐振频率检测原理发明了硅微谐振式加速度计， 并采用了杠杆放大机构(Tery Roessing, Roger T. Howe， et al.Resonant accelerometer with flexural lever leverage system. US 5969249)。这种结构将谐振器置于质量块的上下两侧， 因此材料不均匀和环境温度对器件影响较大，质量块利用率不高，体积相对较大，灵敏度较低，稳定性和抗冲击能力较差。2006年，北京航空航天大学樊尚春等针对以往的谐振式加速度计提出一种新的谐 振式加速度计(樊尚春，仁杰.一种谐振式微机械加速度计，北京航空航天大学，CN 1844931A)。该结构由质量块、支撑梁、音叉和力学放大系统组成，音叉位于质量块的 中间，且相邻上下对称布置，克服了材料不均匀和环境温度对器件影响大和质量块利 用率不高的缺点。但该结构的质量块由位于其中间的两根支撑梁支撑，则加速度计的稳定性和抗冲击能力较差。此外，该结构的支撑梁结构形式为悬臂梁，其释放残余应 力的能力较差。发明内容本发明的目的在于提供一种灵敏度较高、稳定性好和抗冲击能力强的硅微谐振式 加速度计。实现本发明目的的技术解决方案为 一种硅微谐振式加速度计，由上、下两层构 成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号 引线，加速度计上层机械结构由质量块和两个谐振器组成，该两个谐振器上下对称设 置在质量块的中间，该两个谐振器的一端分别与该两个谐振器之间的固定基座相连， 其中位于上方谐振器的另一端分别与位于其上方的两个杠杠放大机构的输出端连接， 该两个上方杠杠放大机构的支点端分别与位于其上方的固定基座相连，位于下方谐振 器的另一端分别与位于其下方的另外两个杠杠放大机构的输出端连接，该两个下方杠 杠放大机构的支点端分别与位于其下方的固定基座相连，四个杠杠放大机构的输入端 分别与所述的质量块连接，该质量块通过四根折叠梁分别与四个位于该质量块四角的 固定基座相连，所有的固定基座安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机 械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。本发明与现有技术相比，其显著优点为(1) 一对谐振器相邻布置在质量块的中 间，减小了材料不均匀和加工产生的不对称，减小了温度对加速度计的影响；(2)谐 振器由音叉和线状梳齿组成，线状梳齿分别对称布置在梁的两侧，釆用双边驱动方式驱动，确保了音叉的工作模态为反相振动模态；(3)杠杆放大机构有效地放大惯性力， 提高加速度计灵敏度；(4)谐振器位于质量块的中间，可充分利用空间，增大质量块 的面积，提高加速度计的灵敏度；(5)质量块通过折叠梁与其四角的固定基座相连， 有效地释放残余应力，提高了加速度计结构的稳定性和抗冲击能力。 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明的硅微谐振式加速度计的结构示意图。图2是本发明的谐振器、驱动输入信号引线和敏感输出信号引线的结构示意图。
具体实施方式
结合图l，本发明基于谐振式的硅微加速度计，用于测量平行于基座水平的测量仪 器，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作 在玻璃衬底上的信号引线，加速度计上层机械结构由质量块l和一对谐振器2a、 2b组 成，谐振器2a、 2b上下对称相邻位于质量块的中间，可以减小材料不均匀和加工产生 的不对称，谐振器2a、 2b的结构参数一致性好，有效地实现谐振频率的差动输出。该 谐振器2a、 2b的一端与该谐振器2a、 2b之间的固定基座4相连，其中位于上方谐振 器2a的另一端分别与位于其上方的两个杠杠放大机构3a、 3b的输出端连接，该两个 上方杠杠放大机构3a、 3b的支点端分别与位于其上方的固定基座5a相连，位于下方 谐振器2b的另一端分别与位于其下方的另外两个杠杠放大机构3c、 3d的输出端连接， 该两个下方杠杠放大机构3c、 3d的支点端分别与位于其下方的固定基座5b相连，四 个杠杠放大机构3a、 3b、 3c、 3d的输入端分别与所述的质量块1连接。杠杠放大机构 3a、 3b、 3c、 3d将惯性力有效放大，增加了硅微谐振式加速度计的灵敏度。该质量块 1通过四根折叠梁6a、 6b、 6c、 6d分别与四个位于该质量块1四角的固定基座7a、 7b、 7c、 7d相连，所有的固定基座4、 5a、 5b、 7a、 7b、 7c、 7d安装在玻璃衬底上的固定 基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上，这样增加了 加速度计的稳定性，并提高其抗冲击能力，且四根折叠梁6a、 6b、 6c、 6d能有效地释放残余应力。本发明一对谐振器2a、 2b的结构参数完全相同，并采用双边驱动方式驱动，确保音叉的工作模态为反相振动模态。如图2所示，以其中一个谐振器2a的结构为例来说明，即谐振器2a由音叉8和位于音叉8两侧的八组线性梳状梳齿9a、 9b、 9c、 9d、 10a、10b、 10c、 10d组成，其中靠近音叉8的四组梳齿10a、 10b、 10c、 10d为检测梳齿，另外四组梳齿9a、 9b、 9c、 9d为驱动梳齿。其中一个驱动电极lla给每个谐振器2a的两组驱动梳齿9a、 9d施加带直流偏置的交流电压，另一个驱动电极llb给该谐振器2a的另外两组驱动梳齿9b、 9c施加带直流偏置的反相交流电压，两根敏感输出信号引线12a、 12b分别将谐振器2a上的检测梳齿10a、 10b、 10c、 10d的信号输出。本发明硅微谐振式加速度计工作时，两根驱动输入信号引线lla在谐振器2a、 2b的驱动梳齿9a、 9d上施加带直流偏置的交流电压，两根驱动输入信号引线llb在每个谐振器2a、 2b的驱动梳齿9b、 9c上施加带直流偏置的反相交流电压，使得两个谐振器2a、 2b的音叉8做相向的简谐运动。当有加速度输入时，质量块l将加速度转化为惯性力，惯性力通过杠杆放大机构3a、 3b、 3c、 3d放大后，作用到两个谐振器2a、 2b的音叉8上。其中一个谐振器2a的音叉8受拉力时，其谐振频率增加，则另一个谐振器2b的音叉8受压力，其谐振频率减小。两对四根敏感输出信号引线12a、 12b分别将谐振器2a、 2b上的检测梳齿10a、 10b、 10c、 10d的信号输出，再经过差分运算放大器，实现谐振频率的差分输出，由测得的谐振频率推算出被测加速度。
权利要求
1. 一种硅微谐振式加速度计，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，其特征在于加速度计上层机械结构由质量块(1)和两个谐振器(2a、2b)组成，该两个谐振器(2a、2b)上下对称设置在质量块(1)的中间，该两个谐振器(2a、2b)的一端分别与该两个谐振器(2a、2b)之间的固定基座(4)相连，其中位于上方谐振器(2a)的另一端分别与位于其上方的两个杠杠放大机构(3a、3b)的输出端连接，该两个上方杠杠放大机构(3a、3b)的支点端分别与位于其上方的固定基座(5a)相连，位于下方谐振器(2b)的另一端分别与位于其下方的另外两个杠杠放大机构(3c、3d)的输出端连接，该两个下方杠杠放大机构(3c、3d)的支点端分别与位于其下方的固定基座(5b)相连，四个杠杠放大机构(3a、3b、3c、3d)的输入端分别与所述的质量块(1)连接，该质量块(1)通过四根折叠梁(6a、6b、6c、6d)分别与四个位于该质量块(1)四角的固定基座(7a、7b、7c、7d)相连，所有的固定基座(4、5a、5b、7a、7b、7c、7d)安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。
2、 根据权利要求1所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于 一对谐振器(2a、 2b)的结构参数完全相同，并釆用双边驱动方式驱动。
3、 根据权利要求2所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于 一对谐振器(2a、 2b)都由音叉(8)和位于音叉(8)两侧的八组线性梳状梳齿(9a、 9b、 9c、 9d、 10a、 10b、 10c、 10d)组成，其中靠近音叉(8)的四组梳齿(10a、 10b、 10c、 10d)为检 测梳齿，另外四组梳齿(9a、 9b、 9c、 9d)为驱动梳齿。
4、 根据权利要求2所述的硅微谐振式加速度计，其特征在于 一个驱动电极(lla) 给每个谐振器(2a)的两组驱动梳齿(9a、 9d)施加带直流偏置的交流电压，另一个 驱动电极(lib)给每个谐振器(2a)的另外两组驱动梳齿(9b、 9c)施加带直流偏置 的反相交流电压，两根敏感输出信号引线(12a、 12b)分别将每个谐振器(2a)上的 检测梳齿(10a、 10b、 10c、 10d)的信号输出。
全文摘要
本发明公开了一种硅微谐振式加速度计，它由制作在单晶硅片上的加速度计结构的上层部分和制作在玻璃衬底上的信号线的下层部分所组成，加速度计上层机械结构由质量块、一对完全相同的谐振器和杠杠组成，谐振器上下对称布置在质量块的中间，谐振器的一端与固定基座连接，另一端通过杠杠与质量块连接，质量块通过四根折叠梁与其四角的固定基座连接，该固定基座安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。本发明是一种具有灵敏度高、稳定性好和抗冲击能力强的硅微谐振式加速度计。
文档编号G01P15/097GK101266259SQ20081002557
公开日2008年9月17日 申请日期2008年5月8日 优先权日2008年5月8日
发明者芹 施, 岩 苏, 裘安萍 申请人:南京理工大学