一種諧振式微加速度計制造技術

本發明專利技術的一種諧振式微加速度計，包括基底層和結構層，結構層包括音叉諧振單元、連接塊、驅動電極、檢測電極、慣性單元和耦合電容。音叉諧振單元包括音叉振梁和振梁電極，音叉振梁懸空，一端通過錨點與基底固定連接，另一端為自由端，振梁電極與音叉振梁固定連接。慣性單元懸空并與連接塊之間通過耦合電容耦合，耦合電容用于將慣性塊所受的慣性力耦合到連接塊上。有益效果在于對振梁上的殘余應力進行了釋放，避免了翹曲與扭曲變形；并且在振梁工作過程中，始終受到靜電力作用下的軸向拉力，不存在拉、壓應力轉化，避免了殘余應力的影響；同時輸入慣性力通過耦合電容加載到音叉振梁上，傳遞過程中無其它機械結構變形，保證了能量傳遞精度。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術的一種諧振式微加速度計，包括基底層和結構層，結構層包括音叉諧振單元、連接塊、驅動電極、檢測電極、慣性單元和耦合電容。音叉諧振單元包括音叉振梁和振梁電極，音叉振梁懸空，一端通過錨點與基底固定連接，另一端為自由端，振梁電極與音叉振梁固定連接。慣性單元懸空并與連接塊之間通過耦合電容耦合，耦合電容用于將慣性塊所受的慣性力耦合到連接塊上。有益效果在于對振梁上的殘余應力進行了釋放，避免了翹曲與扭曲變形；并且在振梁工作過程中，始終受到靜電力作用下的軸向拉力，不存在拉、壓應力轉化，避免了殘余應力的影響；同時輸入慣性力通過耦合電容加載到音叉振梁上，傳遞過程中無其它機械結構變形，保證了能量傳遞精度。【專利說明】一種諧振式微加速度計
本專利技術屬于微機械(MEMS)傳感器的
，涉及MEMS微加速度檢測器件，特別涉及一種諧振式微加速度計。
技術介紹
微加速度計是MEMS器件中應用最為廣泛的傳感器之一，在導航、醫療、電子、監測、汽車等軍民用領域具有巨大前景，是目前科研院所、高校與企業的重點研發產品，尤其是高精度的加速度計研制成為搶占MEMS制高點的首選對象。諧振式微加速度計作為首選對象中的一員，具有許多其類型加速度計不可比擬的優點。此種類型的微加速度計通過震動結構的振動頻率來反應外界加速度，器件的輸出信號為頻率。由于其具有數字信號特征，易于與數字電路結合，因此更容易實現微慣性器件的高穩定性與高精度性能。如上所述的通過頻率來敏感器件加速度的方式可分為軸向應力式、截面慣性矩式和靜電剛度式三種類型。該三種類型的加速度敏感方式在專利技術人的《諧振式微加速度計的發展現狀》(周吳，何曉平，蘇偉，李柏林.四川省電子學會2007年學術年會論文匯編，四川綿陽，2007.6.28)文獻中具有詳細論述；此外，還有南理工大學裘安萍等、南京信息工程大學劉恒等以及東南大學楊波等對現有諧振式加速度計進行了改進或研制了新穎的檢測結構；這些研究成果對微加速度計的發展起了巨大的推動作用。然而殘余應力與加工誤差仍是阻礙當前諧振式微加速度計發展的主要因素，因為雙端固定的諧振梁與雙鉸鏈微扭轉結構都涉及到應力敏感機制，當正負慣性力交替時，器件輸出受殘余應力影響較大，因此此種類型的傳感器件對工藝要求極高，不利于精度的大幅度提高。目前對諧振式微加速度計的研究大多數基于軸向力敏感機制，原因在于諧振器所使用的音叉梁具有結構簡單、易于驅動以及模態易于控制等優點，且在采用廣泛應用的靜電驅動與電容檢測時，電極的設計與加工具有較高的靈活性，驅動力與檢測電容可以通過調整電極對數進行調節；當慣性力通過軸向應力的形式加載到振動梁上時，頻率的變化量與輸入應力具有良好的線性關系，其靈敏度可通過減小梁截面尺寸與增加力放大杠桿進行改進。但是，上述兩種改進方法也具有一定的不足之處:當梁的截面尺寸減小后，梁的固有頻率將降低，量程下降，且細梁的工藝誤差依賴性大，振型不易控制；當利用杠桿進行力放大時，杠桿的結構與工藝設計具有相當大的難度，大大提高了制造成本，同時增加了系統的復雜性。
技術實現思路
本專利技術為了解決現有的軸向力敏感機制的諧振式微加速度計對工藝依賴性大、振型不易控制且制造成本高等一系列問題，提出了一種諧振式微加速度計。本專利技術的技術方案是，一種諧振式微加速度計，包括基底層和結構層，其特征在于，結構層包括音叉諧振單元、連接塊、驅動電極、檢測電極、慣性單元和耦合電容，所述音叉諧振單元包括音叉振梁和振梁電極，音叉振梁懸空，一端通過錨點與基底固定連接，另一端為自由端，振梁電極與音叉振梁固定連接；連接塊包括連接塊電極，所述連接塊懸空并與音叉振梁的自由端固定連接；驅動電極和檢測電極與振梁電極耦合連接，二者根據音叉振梁震動中的位置分別與振梁電極耦合；慣性單元懸空并與連接塊之間通過耦合電容耦合，耦合電容用于將慣性塊所受的慣性力耦合到連接塊上。進一步的，連接塊通過兩個支撐梁支撐懸空，支撐梁通過錨點錨固到基底上。進一步的，所述耦合電容為平行板電容器。進一步的，為了使慣性單元與連接塊之間力的傳遞更均勻，所述耦合電容為多組梳齒狀平行板電容器，并優選為四組。進一步的，所述慣性單元包括慣性塊和折疊梁，所述慣性塊由多個折疊梁支撐懸空，折疊梁由錨點固定連接到基底上。進一步的，所述折疊梁為多折疊梁，優選為三折疊梁。進一步的，為了保證電極的可靠性，所述驅動電極、檢測電極和振梁電極的電極板為梳齒狀電極板。進一步的，所述驅動電極和振梁電極分別與靜電電源相連接。本專利技術的有益效果:1、本專利技術采用的音叉振梁一端固定，一端由彈性的支撐梁支撐，對振梁上的殘余應力進行了釋放，避免了翹曲與扭曲變形；2、在振梁工作過程中，始終受到靜電力作用下的軸向拉力，不存在拉、壓應力轉化，避免了殘余應力的影響；3、輸入慣性力通過耦合電容加載到音叉振梁上，傳遞過程中無其它機械結構變形，減少了能量損失，提高了力轉換效率，保證了能量傳遞精度；4、本振梁的振動頻率與轉換電容器的力傳遞倍數受到慣性塊與音叉振梁間的電壓影響，因此可以通過調節電壓實現頻率、靈敏度及量程的調節，提高了結構設計的靈活性；5、所述加速度計的殘余應力與工藝誤差依賴性小，靈敏度可調節，且制造難度低。【專利附圖】【附圖說明】圖1為本專利技術實施例的諧振式微加速度計剖視圖；圖2為本諧振式微加速度計的結構層示意圖；圖3為圖2所示的結構層中音叉諧振單元及連接塊結構示意圖；圖4為圖2所示的結構層中慣性單元結構示意圖；圖5為f禹合電各f禹合關系不意圖；圖6、圖7分別為左右折疊梁結構示意圖。圖中標號說明:基底層1，錨點2，結構層3，音叉諧振器31，音叉振梁311，錨點312，振梁電極313，連接塊32，連接塊電極321，支撐梁322，錨點323，驅動電極33，檢測電極34，慣性單元35，慣性塊351，折疊梁352，錨點353，電極4，耦合電容5，電容極板51，電容極板52。【具體實施方式】下面結合本專利技術的諧振式微加速度計的實施例及其附圖對本專利技術做進一步詳述。如圖1、圖2及圖3所示，本專利技術實施例的一種諧振式微加速度計，包括基底層I和結構層3，基底層可以采用玻璃基底，結構層設置功能單元，結構層和基底層通過錨點2相連接，在基底層上還設置有電極4。為了實現加速度傳感功能，在結構層3上設置有音叉諧振單元31、連接塊32、驅動電極33、檢測電極34、慣性單元35和耦合電容5。音叉諧振單元31具體包括音叉振梁311和振梁電極313，音叉振梁懸空，一端通過錨點312與基底I固定連接，另一端為自由端，振梁電極與音叉振梁固定連接。音叉諧振單元的作用在于通過一定的驅動力以一定頻率諧振，當裝置處于加速度非零的環境中時諧振器以頻率響應所受慣性力的大小進而反應加速度大小。其工作原理如下:音叉振梁由兩根平行的矩形截面梁組成，振梁的中部有沿垂直于軸線方向向外伸展的梳齒狀電極，稱作振梁電極。同時還存在一組與振梁電極耦合的驅動電極。當振梁電極和驅動電極同時連接靜電電源時，驅動電極與振梁電極由于靜電力而產生相互，驅使與振梁電極固定連接的音叉振梁軸向震動。為了使音叉振梁的振動穩定持續，上述連接塊32的詳細結構如連接塊電極321，所述連接塊電極321懸空并與音叉振梁的自由端固定連接；上述檢測電極34與振梁電極耦合連接，其中檢測本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種諧振式微加速度計，包括基底層和結構層，其特征在于，結構層包括音叉諧振單元、連接塊、驅動電極、檢測電極、慣性單元和耦合電容，所述音叉諧振單元包括音叉振梁和振梁電極，音叉振梁懸空，一端通過錨點與基底固定連接，另一端為自由端，振梁電極與音叉振梁固定連接；連接塊包括連接塊電極，所述連接塊懸空并與音叉振梁的自由端固定連接；驅動電極和檢測電極與振梁電極耦合連接，二者根據音叉振梁震動中的位置分別與振梁電極耦合；慣性單元懸空并與連接塊之間通過耦合電容耦合，耦合電容用于將慣性塊所受的慣性力耦合到連接塊上。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：周吳，陳余，丁子喬，于慧君，彭倍，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：