专利名称：基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机电系统(以下简称MEMS)中的微惯性传感技术领域，尤其涉及一种基于折叠梁结构的一体差动式的石英振梁加速度计。
背景技术：
石英振梁加速度计是一种基于石英力频特性的MEMS惯性传感器，具有成本低、体积小、量程大、灵敏度高、标度因数稳定性好、直接数字输出等优点，可广泛应用于战术导弹姿态控制、惯性导航、大地重力测量、地球资源勘探以及微型机器人中，有着重要的军用价值和民用价值。基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计是采用MEMS工艺将两个差动结构的传感头一体加工成型，与分体式石英振梁加速度计相比，能够有效隔离外界振动和热应力的影响。目前的一体式石英振梁加速度计(美国发明专利US6807872 B2)主要以两 个单传感头石英振梁加速度计通过装配形成差动式结构。单传感头一体式石英振梁加速度计是通过再次装配形成差动结构的，因而两个传感头之间有较大的机械耦合，会导致较大的测量盲区。另外，挠性铰链的弹性刚度很大，使质量块在感知加速度计变化时运动幅度和反应灵敏度受到限制，降低了石英振梁加速度计的灵敏度，不易实现高精度的加速度测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计改变了传统石英振梁加速度计的结构，以克服已有技术中两个差动传感头间的机械耦合导致的测量盲区问题，又由于所用的折叠梁结构在石英基片的Y轴上的弹性刚度较小，因此还能有效降低阈值，提高石英振梁加速度计的检测灵敏度，从而实现高精度的加速
度测量。本发明的一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计是在一石英基片上加工制得，其特征在于所述石英振梁加速度计上的左振梁(I)的一端与左质量块(2)连接，左振梁(I)的另一端与左固定框(3)连接；左质量块(2)的四个角分别通过第一折叠梁(7A)、第二折叠梁(7B)、第三折叠梁(7C)和第四折叠梁(7D)与左固定框(3)连接；左固定框(3)通过第二连接臂(6)与左隔离框(4)连接；左隔离框(4)通过第一连接臂(5)与安装框(IOD)连成一体；左振梁⑴与左质量块(2)之间通过第五空腔(105)、第六空腔(106)隔开；左质量块(2)的左侧与左固定框(3)之间通过第三空腔(103)隔开；左质量块(2)的右侧与左固定框(3)之间通过第四空腔(104)隔开；左质量块(2)的下方与左固定框(3)之间通过第七空腔(107)隔开；左固定框(3)与左隔离框(4)之间通过第二空腔(102)隔开；所述石英振梁加速度计上的右振梁(51)的一端与右质量块(52)连接，右振梁(51)的另一端与右固定框(53)连接；右质量块(52)的四个角分别通过第五折叠梁(57A)、第六折叠梁(57B)、第七折叠梁(57C)和第八折叠梁(57D)与右固定框(53)连接；右固定框(53)通过第四连接臂(56)与右隔离框(54)连接；右隔离框(54)通过第三连接臂(55)与安装框(IOD)连成一体；右振梁(51)与右质量块(52)之间通过第十一空腔(115)、第十二空腔(116)隔开；右质量块(52)的左侧与右固定框(53)之间通过第九空腔(113)隔开；右质量块(52)的右侧与右固定框(53)之间通过第十空腔(114)隔开；右质量块(52)的上方与右固定框(53)之间通过第十三空腔(117)隔开；右固定框(53)与右隔离框(54)之间通过第八空腔(112)隔开。本发明基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的优点在于I、本发明的石英振梁加速度计中，采用隔离框与连接臂的结构，能够有效隔离外界振动和热应力对振梁的影响。2、本发明的石英振梁加速度计中，两个结构相同的差动结构的传感头通过MEMS 加工技术一体加工而成，这种一体差动结构可以完全消除两个差动传感头间的机械耦合，消除测量盲区，降低测量误差，提高加速度计的检测精度。3、本发明的石英振梁加速度计中，质量块的四角采用的折叠梁结构，能够使质量块沿石英基片的Y轴做面内(石英基片平面)运动，这种面内运动方式便于石英振梁加速度计的单片集成和辅助功能的扩展(例如增加微杠杆结构等)，而且折叠梁结构可以进一步隔绝热应力和闻频干扰，从而提闻了石英振梁加速度计的精度。4、本发明的石英振梁加速度计中，采用折叠梁结构，因而省略了已有一体式石英振梁加速度计中的质量块支座，增大了质量块体积，这种折叠梁结构可以减小加速度计支承结构在石英基片的Y轴方向的弹性刚度，从而降低了阈值，提高加速度计的检测灵敏度，实现了对加速度计的高精度测量，能够满足航空航天和军事领域对高性能技术指标的要求。5、本发明的石英振梁加速度计中，整片结构采用同一种石英材料，避免了由于不同材料热膨胀系数不同导致的热应力的影响。本发明还避免了传统石英振梁加速度计振梁电极的环周布电极法，而只设置正反面电极，避免了侧面电极的制作，能有效降低工艺难度和加工成本，易于批量生产。
图I是以构形空腔特征表示的本发明基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的主视图。图IA是带有灰度表示的图I。图2是本发明基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的主视图。图2A是带有灰度表示的图2。图2B是本发明基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的前视等轴结构图。图2C是本发明基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的后视等轴结构图。图3是不同极性的电极结构图。图4是在加速度作用下传感头单元的运动示意图。
权利要求
1.一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计是在一石英基片上加工制得，其特征在于所述石英振梁加速度计上的左振梁(I)的一端与左质量块(2)连接，左振梁(I)的另一端与左固定框(3)连接；左质量块(2)的四个角分别通过第一折叠梁(7A)、第二折叠梁(7B)、第三折叠梁(7C)和第四折叠梁(7D)与左固定框(3)连接；左固定框⑶通过第二连接臂(6)与左隔离框⑷连接；左隔离框⑷通过第一连接臂(5)与安装框(IOD)连成一体；左振梁(I)与左质量块(2)之间通过第五空腔(105)、第六空腔(106)隔开；左质量块⑵的左侧与左固定框⑶之间通过第三空腔(103)隔开；左质量块(2)的右侧与左固定框(3)之间通过第四空腔(104)隔开；左质量块(2)的下方与左固定框(3)之间通过第七空腔(107)隔开；左固定框⑶与左隔离框⑷之间通过第二空腔(102)隔开； 所述石英振梁加速度计上的右振梁(51)的一端与右质量块(52)连接，右振梁(51)的另一端与右固定框(53)连接；右质量块(52)的四个角分别通过第五折叠梁(57A)、第六折叠梁(57B)、第七折叠梁(57C)和第八折叠梁(57D)与右固定框(53)连接；右固定框(53)通过第四连接臂(56)与右隔离框(54)连接；右隔离框(54)通过第三连接臂(55)与安装框(IOD)连成一体；右振梁(51)与右质量块(52)之间通过第十一空腔(115)、第十二空腔(116)隔开；右质量块(52)的左侧与右固定框(53)之间通过第九空腔(113)隔开；右质量块(52)的右侧与右固定框(53)之间通过第十空腔(114)隔开；右质量块(52)的上方与右固定框(53)之间通过第十三空腔(117)隔开；右固定框(53)与右隔离框(54)之间通过第八空腔(112)隔开。
2.根据权利要求I所述的基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于左振梁(I)、左质量块(2)和左固定框(3)构成左传感头；右振梁(51)、右质量块(52)和右固定框(53)构成右传感头。
3.根据权利要求I所述的基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于左振梁(I)的前视面上镀有左金属前电极(8)，左振梁(I)的后视面上镀有左金属后电极(9);右振梁(51)的前视面上镀有右金属前电极(58)，右振梁(51)的后视面上镀有右金属后电极(58);左金属前电极(8)、左金属后电极(9)、右金属前电极(58)和右金属后电极(59)的结构相同。
4.根据权利要求3所述的基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于左金属前电极(8)、左金属后电极(9)、右金属前电极(58)和右金属后电极(59)的结构为两种不同极性的电极构成，中间部分称为中间电极(801)，所述中间电极(801)的两侧分别是左侧电极(802)、右侧电极(803);当所述中间电极(801)为正极时，则左侧电极(802)、右侧电极(803)均为负电极。反之，当所述中间电极(801)为负极时，则左侧电极(802)、右侧电极(803)均为正电极。
5.根据权利要求I所述的基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，其特征在于质量块的四角采用折叠梁结构，能够使质量块沿石英基片的Y轴方向做同一平面内的运动。
全文摘要
本发明公开了一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，其振梁上镀有金属电极，振梁的一端与质量块连接，振梁的另一端与固定框连接；质量块的四个角分别通过四个折叠梁与固定框连接；固定框通过一连接臂与隔离框连接；隔离框通过另一连接臂与安装框连成一体。振梁与质量块之间通过两个空腔隔开；质量块的左右两侧与固定框之间通过空腔隔开；折叠梁与质量块的上下方和固定框之间通过空腔隔开；固定框与隔离框之间通过空腔隔开。该加速度计是在石英基片上采用常规的湿法腐蚀加工工艺去除构形空腔后得到。本发明设计的加速度计克服了已有技术中两个差动传感头间的机械耦合导致的测量盲区问题。
文档编号G01P15/097GK102721831SQ201210173100
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者冯丽爽, 周震, 姚保寅, 杨功流, 王文璞, 谭斌 申请人:北京航空航天大学