一种可同时测量水平方向加速度和角速度的微传感器的制作方法

本发明属于微机电系统和微惯性测量技术领域，涉及一种可同时测量水平方向加速度和角速度的微传感器。

背景技术：

微机械加速度传感器和微机械角速度传感器作为测量载体运动的传感器，广泛应用于测量、导航、定位和测控系统中。加速度传感器主要用来测量载体的加速度信息，角速度传感器是用于测量物体相对惯性空间转动的角度或角速度，它们广泛应用于方位确定、导航和姿态解算等方面。

目前，国内外对加速度检测模块和角速度检测模块的研究已取得较好的研究成果，而对集成化微传感器的研究还不够深入，大多数研究单位均采用将加速度传感器和角速度传感器分离开来，然后加工在同一个硅片上，该种方式集成度不高，且干扰严重。

一种可同时测量水平方向加速度和角速度的微传感器可以应用于导弹制导、卫星导航等军事方面和自动控制、工业自动化等民用方面，具有重大的发展前景。

技术实现要素：

发明目的：为了解决现有技术的不足，提供了一种可同时测量水平方向加速度和角速度的微传感器，其总体尺寸微小至2×10³μm数量级，可同时测量y方向的加速度和角速度。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种可同时测量水平方向加速度和角速度的微传感器，包括上层硅微结构和下层玻璃基座，硅微结构通过四角的第一锚区键合在玻璃基座上，硅微结构包括加速度检测模块和角速度检测模块，角速度检测模块和加速度检测模块共用一个质量块，角速度检测模块与质量块通过第一连接梁和第二连接梁相连，加速度检测模块与质量块直接相连，且角速度检测模块通过第三连接梁和第二锚区与玻璃基座相连；角速度检测模块驱动模态与角速度检测模块检测模态之间、加速度检测模块检测模态与角速度检测模块检测模态之间互相解耦，实现同时测量水平方向加速度和角速度。

可选的，角速度检测模块包括驱动模块和检测模块，驱动模块包括对称设置于质量块x方向两侧边的第一驱动模块和第二驱动模块，检测模块包括对称设置于质量块y方向两侧边的第一检测模块和第二检测模块；第一驱动模块和第二驱动模块的两端均通过第四连接梁与第一锚区相连，第一检测模块和第二检测模块的两端均通过第五连接梁与第一锚区相连，且第一检测模块和第二检测模块均通过第三连接梁和第二锚区与玻璃基座相连；加速度检测模块设置在质量块中间。

可选的，第一驱动模块包括第一驱动框架和第一驱动固定电极，第二驱动模块包括第二驱动框架和第二驱动固定电极；第一驱动框架和第二驱动框架设置于质量块x方向两侧，分别通过第一连接梁与质量块相连；第一驱动固定电极通过第一驱动梳齿与第一驱动框架相连，第二驱动固定电极通过第二驱动梳齿与第二驱动框架相连；

第一检测模块包括第一检测框架和第一检测固定电极，第二检测模块包括第二检测框架和第二检测固定电极；第一检测框架和第二检测框架设置于质量块y方向两侧，分别通过第二连接梁与质量块相连；且第一检测框架和第二检测框架分别通过第三连接梁和第二锚区与玻璃基座相连；第一检测固定电极通过第一检测梳齿与第一检测框架相连，第二检测固定电极通过第二检测梳齿与第二检测框架相连。

可选的，第二连接梁包括一个横向连接梁和一个纵向连接梁，横向连接梁一侧与第一检测框架或第二检测框架相连，另一侧与纵向连接梁一端相连，纵向连接梁另一端嵌合在质量块中。

可选的，第一驱动梳齿包括设置在第一驱动框架上的活动梳齿和设置在第一驱动固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二驱动梳齿结构与第一驱动梳齿结构相同；

第一检测梳齿包括设置在第一检测框架上的活动梳齿和设置在第一检测固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二检测梳齿结构与第一检测梳齿结构相同。

可选的，第一检测框架和第二检测框架上的活动梳齿与第一检测固定电极和第二检测固定电极上的固定梳齿采用不等厚度设计，第一驱动框架和第二驱动框架上的活动梳齿与第一驱动固定电极和第二驱动固定电极上的固定梳齿为等厚设计。

可选的，y+侧的第一检测框架和第二检测框架上的活动梳齿比第一检测固定电极和第二检测固定电极上的固定梳齿厚，y-侧的第一检测固定电极和第二检测固定电极上的固定梳齿比第一检测框架和第二检测框架上的活动梳齿厚。

可选的，加速度检测模块包括四个沿y方向平行设置的第三检测框架、第四检测框架、第五检测框架和第六检测框架，以及八个结构相同的第三检测固定电极，八个第三检测固定电极平均分为三组，各组之间沿y方向平行设置，且分别位于第三检测框架和第四检测框架之间，第四检测框架和第五检测框架之间，第五检测框架和第六检测框架之间；第三检测固定电极通过第一检测梳齿组分别与第三检测框架、第四检测框架、第五检测框架和第六检测框架相连；加速度检测模块通过第三检测框架、第四检测框架、第五检测框架和第六检测框架与质量块直接连接。

可选的，第一检测梳齿组包括六个沿第三检测固定电极对称设置的检测梳齿，检测梳齿包括设置在第三检测框架、第四检测框架、第五检测框架或第六检测框架上的活动梳齿和对称设置在第三检测固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第一检测梳齿组中的活动梳齿与固定梳齿均为等厚设计。

可选的，角速度检测模块的第一检测框架和第二检测框架与第一锚区连接的第五连接梁采用z型结构，以减少角速度检测模块各检测框架z方向刚度，保证质量块顺利带动角速度检测模块各检测框架z方向的运动。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种可同时测量水平方向加速度和角速度的微传感器，可同时测量y方向的加速度和角速度。该发明具有以下优点：(1)加速度检测模块和角速度检测模块共用一个质量块，大大减小结构的体积；(2)角速度检测模块驱动模态和角速度检测模块检测模态是解耦的，减小了角速度检测时两种模态的互相干扰；(3)加速度检测模块检测模态与角速度检测模块驱动模态和角速度检测模块检测模态是解耦的，保证了y方向所测角速度的准确度；(4)通过对将加速度检测模块检测梳齿组设计为差动输出结构，避免了角速度检测模块驱动模态和角速度检测模块检测模态对加速度检测的干扰。

附图说明

图1是本发明结构俯视图；

图2是本发明的角速度检测模块驱动梳齿结构示意图；

图3是本发明的角速度检测模块检测梳齿结构示意图；

图4是本发明的加速度检测模块检测梳齿结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

一种可同时测量水平方向加速度和角速度的微传感器，包括上层硅微结构和下层玻璃基座，硅微结构通过四角的第一锚区键合在玻璃基座上，硅微结构包括加速度检测模块和角速度检测模块，角速度检测模块和加速度检测模块共用一个质量块，角速度检测模块与质量块通过第一连接梁和第二连接梁相连，加速度检测模块与质量块直接相连，且角速度检测模块通过第三连接梁和第二锚区与玻璃基座相连；角速度检测模块驱动模态与角速度检测模块检测模态之间、加速度检测模块检测模态与角速度检测模块检测模态之间互相解耦，实现同时测量水平方向加速度和角速度。

x方向为角速度检测模块的驱动方向，y方向为加速度检测模块的检测方向，z方向为角速度检测模块的检测方向；当角速度检测模块驱动框架带动质量块沿x方向运动时，角速度检测模块检测框架在x方向为静止状态，当质量块带动角速度检测模块检测框架沿z方向振动时，角速度检测模块驱动框架在z方向为静止状态，当质量块带动加速度检测模块检测框架沿y方向运动时，角速度检测模块驱动框架和角速度检测模块检测框架在y方向是静止状态。即角速度检测模块驱动模态与角速度检测模块检测模态之间、加速度检测模块检测模态与角速度检测模块检测模态之间互相解耦。

角速度检测模块包括驱动模块和检测模块，驱动模块包括对称设置于质量块x方向两侧边的第一驱动模块和第二驱动模块，检测模块包括对称设置于质量块y方向两侧边的第一检测模块和第二检测模块；第一驱动模块和第二驱动模块的两端均通过第四连接梁与第一锚区相连，第一检测模块和第二检测模块的两端均通过第五连接梁与第一锚区相连，且第一检测模块和第二检测模块均通过第三连接梁和第二锚区与玻璃基座相连；加速度检测模块设置在质量块中间。

第一驱动模块包括第一驱动框架和第一驱动固定电极，第二驱动模块包括第二驱动框架和第二驱动固定电极；第一驱动框架和第二驱动框架设置于质量块x方向两侧，分别通过第一连接梁与质量块相连；第一驱动固定电极通过第一驱动梳齿与第一驱动框架相连，第二驱动固定电极通过第二驱动梳齿与第二驱动框架相连；

第一检测模块包括第一检测框架和第一检测固定电极，第二检测模块包括第二检测框架和第二检测固定电极；第一检测框架和第二检测框架设置于质量块y方向两侧，分别通过第二连接梁与质量块相连；且第一检测框架和第二检测框架分别通过第三连接梁和第二锚区与玻璃基座相连；第一检测固定电极通过第一检测梳齿与第一检测框架相连，第二检测固定电极通过第二检测梳齿与第二检测框架相连。

第二连接梁包括一个横向连接梁和一个纵向连接梁，横向连接梁一侧与第一检测框架或第二检测框架相连，另一侧与纵向连接梁一端相连，纵向连接梁另一端嵌合在质量块中。

第一驱动梳齿包括设置在第一驱动框架上的活动梳齿和设置在第一驱动固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二驱动梳齿结构与第一驱动梳齿结构相同；

第一检测梳齿包括设置在第一检测框架上的活动梳齿和设置在第一检测固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二检测梳齿结构与第一检测梳齿结构相同。

加速度检测模块包括四个沿y方向平行设置的第三检测框架、第四检测框架、第五检测框架和第六检测框架，以及八个结构相同的第三检测固定电极，八个第三检测固定电极平均分为三组，各组之间沿y方向平行设置，且分别位于第三检测框架和第四检测框架之间，第四检测框架和第五检测框架之间，第五检测框架和第六检测框架之间；第三检测固定电极通过第一检测梳齿组分别与第三检测框架、第四检测框架、第五检测框架和第六检测框架相连；加速度检测模块通过第三检测框架、第四检测框架、第五检测框架和第六检测框架与质量块直接连接。

第一检测梳齿组包括六个沿第三检测固定电极对称设置的检测梳齿，检测梳齿包括设置在第三检测框架、第四检测框架、第五检测框架或第六检测框架上的活动梳齿和对称设置在第三检测固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配。

结合图1，本发明的一种可同时测量水平方向加速度和角速度的微传感器，用于测量y轴输入的加速度和角速度，由上下两层构成，下层1为玻璃基座，上层2为硅微结构。硅微结构2包括：质量块9，x方向两侧边角速度检测模块驱动框架14a、14b，角速度检测模块驱动固定电极15a、15b，y方向两侧边角速度检测模块检测框架4a、4b，角速度检测模块检测固定电极8a、8b，与质量块相连的加速度检测模块检测框架12a、12b、12c、12d，加速度检测模块检测固定电极13a、13b、13c、13d，13e，13f，8个锚区16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16h，角速度检测模块驱动框架与锚区的8个连接梁10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h，角速度检测模块检测框架与锚区的8个连接梁3a、3b、3c、3d与7a、7b、7c、7d，质量块与角速度检测模块驱动框架的连接梁11a、11b、11c、11d，质量块与角速度检测模块检测框架的连接梁5a、5b、5c、5d、6a、6b、6c、6d。

硅微结构是通过连接梁10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、3a、3b、3c、3d、7a、7b、7c、7d悬空在玻璃基底之上，连接梁3a、3b、3c、3d、7a、7b、7c、7d、11a、11b、11c、11d比结构厚度要薄。角速度检测模块驱动模态在x方向，角速度检测模块检测模态在z方向，加速度检测模块检测模态在y方向。角速度检测模块驱动框架14a、14b与锚区16a、16d、16e、16h的连接梁10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h在x方向刚度小，在y方向与z方向刚度大，使角速度检测模块驱动框架仅能在x方向运动，在其他方向静止，避免了角速度检测模块检测模态和加速度检测模块检测模态对角速度检测模块驱动模态造成干扰；角速度检测模块检测框架4a、4b与锚区16a、16d、16e、16h的连接梁3a、3b、3c、3d在y方向与z方向刚度小，在x方向刚度大，使角速度检测模块检测框架在x方向保持静止，避免了角速度检测模块驱动模态对角速度检测模块检测模态造成干扰；角速度检测模块检测框架4a、4b与锚区16b、16c、16f、16g的连接梁7a、7b、7c、7d，使角速度检测模块检测框架在y方向静止；质量块9与角速度检测模块驱动框架的连接梁11a、11b、11c、11d在z方向刚度远小于连接梁10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h，使质量块在z方向运动时角速度检测模块驱动框架保持静止；质量块9与角速度检测模块检测框架的连接梁5a、5b、5c、5d、6a、6b、6c、6d在z方向刚度远大于连接梁11a、11b、11c、11d、3a、3b、3c、3d、7a、7b、7c、7d，使质量块可通过连接梁5a、5b、5c、5d、6a、6b、6c、6d带动角速度检测模块检测框架沿z方向运动；由于连接梁11a、11b、11c、11d、5a、5b、5c、5d在y方向刚度小，可使质量块9在带动加速度检测模块检测框架12a、12b、12c、12d在y方向运动。将加速度检测模块检测梳齿组角速度检测模块检测均设计成差动输出结构，可避免共模干扰。

硅微结构x方向两侧边和y方向两侧边分别对称，加速度检测模块和角速度检测模块共用的一个质量块，以减少硅微结构的体积；质量块中间为加速度检测模块检测框架和检测梳齿，质量块x方向两侧为角速度检测模块驱动框架和驱动梳齿，质量块y方向两侧为角速度检测模块检测框架和检测梳齿。

加速度检测模块检测框架上的活动梳齿与质量块中间固定电极上的固定梳齿，作为加速度检测模块的检测梳齿组；角速度检测模块驱动框架上的活动梳齿与x方向两侧固定电极上的固定梳齿，作为角速度检测模块的驱动梳齿组；角速度检测模块检测框架上的活动梳齿与y方向两侧固定电极上的固定梳齿，作为角速度检测模块的检测梳齿组。

加速度检测模块检测框架直接与质量块相连，角速度检测模块驱动框架和角速度检测模块检测框架通过连接梁与质量块和八个锚区相连；所述连接梁有一共分为五组，分别包括角速度检测模块驱动框架与锚区的连接梁、角速度检测模块检测框架与结构顶角锚区的连接梁、角速度检测模块检测框架与结构y方向两侧锚区的连接梁、角速度检测模块驱动框架与质量块的连接梁、质量块检测框架和角速度检测模块检测框架的连接梁。

为了实现差动输出，角速度检测模块检测框架的活动梳齿与固定电极上的固定梳齿采用不等厚度设计，其中y+侧的检测梳齿组中活动梳齿比固定梳齿厚10μm，y-侧的检测梳齿组中固定梳齿比活动梳齿厚10μm，而其余组件的活动梳齿与固定梳齿之间配合均为等厚设计。

角速度检测模块检测框架与四角第一锚区的四个连接梁分别采用z型结构，以减少角速度检测模块检测框架z方向刚度，保证质量块顺利带动角速度检测模块检测框架z方向的运动。

角速度检测模块驱动模态在x方向，角速度检测模块检测模态在z方向，加速度检测模块检测模态在y方向，加速度检测模块检测梳齿组与角速度检测模块检测梳齿组均为差动输出结构。当y轴输入加速度时，质量块带动加速度检测模块检测框架沿y方向运动，若要检测y轴输入的角速度，需在角速度检测模块驱动框架上施加x方向的交变驱动力，使驱动框架带动质量块沿x轴作交变的线振动。当y轴有角速度输入时，质量块在哥式力的作用下带动角速度检测模块检测框架沿z轴做周期性交错振动。通过检测加速度检测模块和角速度检测模块检测梳齿的电容变化量可得输入的加速度和角速度。

如图2所示角速度检测模块驱动梳齿结构包括固定梳齿和活动梳齿，只需增加或减少梳齿的数量就可以有效增大或减小驱动力。驱动梳齿在结构对角速度检测灵敏度及其重要。驱动结构既要为驱动提供较大的驱动力，也要为驱动提供一定的稳定度。如图2，在电极固定梳齿上施加电压，会使得活动梳齿的x方向产生切向驱动力，从而驱动活动梳齿的运动，其中d为活动梳齿与固定梳齿间的距离，d0是固定梳齿与活动梳齿间的交叉距离，单个电容梳齿的单侧面积变化δs＝d0*δd。

角速度检测模块检测梳齿结构如图3所示。角速度检测模块检测位移一般比驱动位移小，合理设计检测梳齿结构是提高角速度检测灵敏度的关键。如图3所示的角速度检测模块检测梳齿基于不等高梳齿的变面积梳齿电容的检测方式，其结构也包括固定梳齿和活动梳齿，角速度检测模块检测框架带动梳齿沿z方向运动。当角速度输入时，检测框架带动检测梳齿产生z方向上的位移，使固定梳齿与活动梳齿电容面积发生变化。其中，c1为上检测梳齿电容，c2为下检测梳齿电容，d是固定梳齿与活动梳齿间的交叉距离，δd是活动梳齿间的位移距离，则单个电容梳齿的单侧面积变化δs＝d*δd。

加速度检测模块检测梳齿结构如图4所示，其中，d1和d2分别是y方向两侧固定梳齿与活动梳齿间的交叉距离。加速度检测模块检测梳齿采用变面积式梳齿电容检测方式。当加速度输入时，加速度检测框架带动梳齿沿y方向运动，使y方向检测框架中的活动梳齿和固定梳齿之间电容一侧增大一侧减小，形成差动输出结构形式。该梳齿结构减少角速度检测模块与加速度检测模块之间的干扰，当质量块带动加速度检测框架x方向和z方向运动时，加速度检测模块检测框架y方向两侧电容变化均相同，差分后y方向两侧活动梳齿与固定梳齿间的总电容恒为零。

本发明的微传感器用于测量y轴输入的加速度和角速度，当加速度输入时，通过对加速度检测模块检测固定电极13a、13b、13c、13d、13e、13f上的固定梳齿与加速度检测模块检测框架12a、12b、12c、12d上的活动梳齿之间的电容变化量进行解算，可得到输入的加速度大小；当角速度输入时，通过对角速度检测模块检测固定电极8a、8b上的固定梳齿与角速度检测模块检测框架4a、4b上的活动梳齿之间的电容变化量进行解算，可得输入的角速度大小。通过该两种方式，该新型y轴加速度检测模块角速度检测模块一体化微传感器达到精确测量y轴输入加速度和角速度的目的。

通过连接梁的合理设计，使角速度检测模块驱动模态与检测模态之间、加速度检测模块检测模态与角速度检测模块检测模态之间互相解耦。加速度检测模块的检测梳齿的结构设计消除了角速度检测模块驱动模态和检测模态对加速度检测模块检测造成的干扰影响，从而增加了该微传感器在水平方向(y方向)加速度和角速度的测量精度。