推拉全差动式单轴硅微谐振式加速度计的制作方法

本发明涉及mems（微机电系统）谐振式加速度传感器，具体为推拉全差动式单轴硅微谐振式加速度计。

背景技术：

微机械谐振式加速度传感器（mmra）是一种基于谐振器的典型的微机械惯性器件，其可以把加速度转化为频率输出，有效避免了幅值测量的误差，从而减小环境噪声带来的干扰，由于其准数字输出，可以简化接口电路，减小传输和处理的误差。当然兼备了微机械加速度计的体积小，重量轻，功耗低，成本低，易于集成和可批量生产的特点。谐振式加速度传感器可以广泛应用于航空航天、武器制导，医疗医学等领域，是一种具有广泛应用前景的高精度加速度传感器。mmra的具体工作原理是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，随后传递到双端固定音叉（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。在一定输入加速度范围内，频率值与输入加速度值成正比关系。通过检测detf谐振器固有频率的变化量就可以计算得到输入的加速度值。现有的差分谐振式加速度传感器的杠杆机构分别独立的作用于两个detf谐振器，由于在加工过程中很难保证每个detf谐振器对应的杠杆机构的尺寸完全相同，因此造成两个detf谐振器所受到的惯性力大小不一致，从而造成差分输出的误差，限制了传感器的测量精度、线性度等。因此，设计一种推拉全差动式单轴硅微谐振式加速度计，实现频率结果和惯性力的差分输出，以解决差分谐振式加速度传感器的受力不一致的问题是很有必要的。

技术实现要素：

本发明解决现有差分式谐振式加速度传感器受力不一致的问题，提供一种推拉全差动式单轴硅微谐振式加速度计。

本发明是采用如下技术方案实现的：推拉全差动式单轴硅微谐振式加速度计，包括轴对称结构的外边框，所述外边框内设有沿外边框的对称轴对称的质量块，所述质量块与外边框之间通过沿外边框的对称轴对称分布的多对折叠梁连接；所述质量块上镂空有一个连接梁，两个detf谐振器，四个杠杆机构，八个固定锚点，十二个连接臂，所述连接梁的长度方向沿外边框的对称轴的垂直方向设置，且关于该对称轴对称；所述detf谐振器沿外边框的对称轴方向分列连接梁的宽度方向两侧，一端头通过连接臂与连接梁长度方向的中点连接，另一端头通过连接臂与固定锚点连接；所述连接梁的两端头分别设置有固定锚点，所述连接梁的四角分别设置有杠杆机构，所述杠杆机构包括沿外边框的对称轴的垂直方向设置的杠杆臂，所述杠杆臂与连接梁端头的固定锚点之间设置有支点梁，所述杠杆臂一端与连接梁之间设置有输出梁，所述杠杆臂另一端与质量块之间设置有输入梁；相对于连接梁两端头的固定锚点，所述杠杆臂宽度方向的外侧还设置有固定锚点，该固定锚点的两端分别与质量块之间设置有连接臂；四个所述杠杆机构、八个所述固定锚点、十二个所述连接臂均沿外边框的对称轴对称分布。轴对称结构的外边框和质量块确保对称轴两侧的各机构所受惯性力相等，连接梁受一定比例放大或缩小的惯性力作用时，只对两侧的detf谐振器施加拉应力或压应力，而连接梁不发生扭转，即连接梁两端所受输入梁的惯性力相等。外边框和固定锚点用于与外部基板键合，对质量块和detf谐振器起支撑和固定作用，同时连接梁两端头的固定锚点还为杠杆机构的支点梁提供固定支撑点。杠杆机构将质量块的惯性力进行一定比例的放大后施加到连接梁上。连接梁将受到的惯性力施加到两侧的detf谐振器上，进而使detf谐振器发生形变，改变其固有频率。一侧的detf谐振器的谐振频率增大，另一侧的谐振频率减小，经信号差分输出，可以得到它们的差分频率，在一定加速度范围内，差分频率值与输入加速度成正比关系，由此可得到敏感方向，及外边框的对称轴方向的加速度。

所述外边框和质量块为中心轴对称结构，所述连接梁、detf谐振器、固定锚点和杠杆机构均沿对称中心对称分布。中心轴对称结构保证四个杠杆机构对惯性力的放大比例相同，同时尽可能消除连接梁两侧质量块结构不对称而带来的传感器非敏感方向（左右方向）的受力影响，减小测量误差。

所述输入梁位于杠杆臂宽度方向的外侧。输入梁位于杠杆臂外侧确保输入梁受惯性力更加均衡。

本发明具有以下优点：通过巧妙地设计使作用在两detf谐振器上的拉应力或压应力是由同一个连接梁位移引起的，因此使作用在谐振器上的力完全相等，不再会由于结构加工误差导致引起杠杆机构输出的力的大小不一致性；其次此种结构不仅实现了频率上的差分输出，而且实现了杠杆机构放大惯性力上的差分输出，用两组分离的一级杠杆同时作用连接梁使其一侧受到拉应力，另一侧受到压应力，有效实现了连接梁上驱动力的放大。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1局部放大图；

图中：1-外边框，2-质量块，3-折叠梁，4-连接梁，5-detf谐振器，6-固定锚点，7-连接臂，8-杠杆臂，9-支点梁，10-输出梁，11-输入梁。

具体实施方式

推拉全差动式单轴硅微谐振式加速度计，包括轴对称结构的外边框1，所述外边框1内设有沿外边框1的对称轴对称的质量块2，所述质量块2与外边框1之间通过沿外边框1的对称轴对称分布的多对折叠梁3连接；所述质量块2上镂空有一个连接梁4，两个detf谐振器5，四个杠杆机构，八个固定锚点6，十二个连接臂7，所述连接梁4的长度方向沿外边框1的对称轴的垂直方向设置，且关于该对称轴对称；所述detf谐振器5沿外边框1的对称轴方向分列连接梁4的宽度方向两侧，一端头通过连接臂7与连接梁4长度方向的中点连接，另一端头通过连接臂7与固定锚点6连接；所述连接梁4的两端头分别设置有固定锚点6，所述连接梁4的四角分别设置有杠杆机构，所述杠杆机构包括沿外边框1的对称轴的垂直方向设置的杠杆臂8，所述杠杆臂8与连接梁4端头的固定锚点6之间设置有支点梁9，所述杠杆臂8一端与连接梁4之间设置有输出梁10，所述杠杆臂8另一端与质量块2之间设置有输入梁11；相对于连接梁4两端头的固定锚点6，所述杠杆臂8宽度方向的外侧还设置有固定锚点6，该固定锚点6的两端分别与质量块2之间设置有连接臂7；四个所述杠杆机构、八个所述固定锚点6、十二个所述连接臂7均沿外边框1的对称轴对称分布。

具体实施时，所述外边框1和质量块2为中心轴对称结构，所述连接梁4、detf谐振器5、固定锚点6和杠杆机构均沿对称中心对称分布。所述输入梁11位于杠杆臂8宽度方向的外侧。

安装使用时，将外边框1、八个固定锚点6的下表面与外部基板键合。当没有加速度输入时，梳状谐振器5均在自身固有频率的模态下工作。当在本发明的敏感方向，即外边框1的对称轴平行方向有加速度输入时，质量块2在惯性力的作用下发生位移，惯性力通过输入梁11施加在杠杆臂8上，受固定锚点6支撑的支点梁9提供支点作用，将惯性力通过杠杆臂8等比例放大后，通过输出梁10将惯性力施加在连接梁4上，此时连接梁4受四个杠杆机构的输出梁10作用，他们的惯性力大小相等、方向相同。连接梁4将惯性力传递给两侧的两个detf谐振器5，使得其中一个受拉应力，另一个受压应力，力的大小相同，方向相同。detf谐振器5在受力状态下发生形变，其固有频率发生变化。它们的谐振频率分别增大和减小，经信号差分输出，可以得到二者的差分频率，其中在一定加速度范围内，差分频率值与输入的加速度成正比关系。由此可以得到敏感方向的加速度。本领域技术人员可以根据实际需要，调节杠杆机构的输入力臂与输出力臂的比值，进而调节惯性力放大的比例。