一种新型硅微谐振加速度计的惯性力放大机构制造技术

一种新型硅微谐振加速度计的惯性力放大机构，由两种形式的单级杠杆放大机构组合而成。两级杠杆放大机构分别由杠杆输入梁、杠杆臂、杠杆支点梁和杠杆输出梁组成。第一级杠杆放大机构通过第一级杠杆输入梁与质量块相连，惯性力通过第一级杠杆输入梁施加到刚性杠杆臂上并进行放大。通过具有一定柔性的第一级杠杆支点梁和第一级杠杆输出梁将放大后的惯性力传递到第二级杠杆放大机构上。同样，第二级杠杆放大机构对惯性力进行再次放大后，通过二级杠杆输出梁将最终放大的惯性力施加到谐振器上。本发明专利技术通过单级杠杆的有效组合和梁的柔性设计，可有效隔离工作模态和干扰模态，实现惯性力的高效放大，提高加速度计的标度因数和整体性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微机械惯性力放大机构，特别是一种基于二级杠杆的硅微谐振式加速度计惯性力放大机构，可有效隔离工作模态和干扰模态，实现惯性力的高效放大，提高加速度计的标度因数和灵敏度。
技术介绍
硅微谐振式加速度计是一种利用振梁的力频特性，通过检测谐振频率变化量来获取载体加速度的微机械惯性器件。具有频率信号输出、稳定性好、灵敏度高、精度高和抗干扰等优点，已成为微传感器的研究热点之一。由微加工技术制作的MEMS加速度计尺寸微小，使敏感质量块的质量已降至mg量级。加速度经质量块转化的惯性力很小，严重制约了加速度计标度因数的提高。随着小型化、大标度因数、高灵敏度已成为当前硅微谐振式加速度计的发展方向，所以在质量块敏感结构和谐振器敏感结构之间引入可将惯性力放大的微机构就显得尤为重要。微杠杆是一种柔性机械，其通过柔性梁的弹性变形传递力或位移。在微机械系统中，由于加工和装配技术问题，实现可自由旋转铰链机构的设计和制造都非常困难。所以采用给予细直梁的微杠杆机构来实现力(或位移)的放大(或缩小)，杠杆支点、输入端、输出端均采用具有一定柔度的细直梁，利用细直梁的柔性使刚性连接的杠杆机构能够转动。目前，国内外研究机构对于硅惯性力放大机构的研究存在以下问题：1.普遍采用放大倍数较小的单级微机械杠杆机构放大惯性力，使得惯性力的放大倍数受到严重限制。2.多级杠杆结构相对复杂，结构中连接梁、支撑梁较多，在惯性力传递过程中容易形成应力集中，造成惯性力损失严重。3.各部分均为刚性连接的微杠杆机构，容易造成微杠杆机构输入输出的刚度不匹配，实际放大倍数与理想放大倍数差距较大。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：(1)克服当前微机械惯性力放大机构对惯性力放大不足的限制；(2)减小了惯性力在放大机构传递过程中的损失；(3)惯性力放大机构实现的实际放大倍数与理想放大倍数差距较小。本专利技术解决的技术方案是：一种新型硅微谐振加速度计的惯性力放大机构，包括：质量块支撑梁、质量块、惯性力放大机构、谐振器；惯性力放大机构，包括：第一级杠杆放大机构(1)、第二级杠杆放大机构(2)；第一级杠杆放大机构(1)分为对称的两部分，这两部分相对于谐振音叉所在的直线为轴对称分布；第二级杠杆放大机构(2)分为对称的两部分，这两部分相对于谐振音叉所在的直线为轴对称分布；第一级杠杆放大机构(1)的每一部分，包括：第一级杠杆输入梁(11)、第一级杠杆臂(12)、第一级杠杆支点梁(14)和第一级杠杆输出梁(13)；第二级杠杆放大机构(2)的每一部分包括：第二级杠杆输入梁(13)、第二级杠杆臂(21)、第二级杠杆支点梁(22)和第二级杠杆输出梁(23)；第一级杠杆输出梁即为第二级杠杆输入梁；第一级杠杆臂的一端通过第一级杠杆输入梁连接质量块，第一级杠杆支点梁的一端连接第一级杠杆臂的另一端，第一级杠杆支点梁的另一端连接第一级杠杆臂和第二级杠杆臂之间的锚区；第二级杠杆臂的一端通过第一级杠杆输出梁连接第一级杠杆臂，第二级杠杆输出梁的一端连接第二级杠杆臂的另一端，第二级杠杆输出梁的另一端连接谐振器的一端，即输入端，谐振器的另一端通过锚区固定；第二级杠杆支点梁的一端连接第二级杠杆臂，第二级杠杆支点梁的另一端连接第一级杠杆臂和第二级杠杆臂之间的锚区；第一级杠杆输入梁与第一级杠杆臂的连接点到第一级杠杆支点梁的一端的距离，与第一级杠杆输出梁到第一级杠杆支点梁的一端的距离，作为第一级杠杆的动阻比，第一级杠杆的动阻比为至少为3；第二级杠杆输入梁与第二级杠杆臂连接点到第二级杠杆支点梁的一端的距离，与第二级杠杆输入梁到第二级杠杆支点梁的一端的距离，作为第二级杠杆的动阻比，第二级杠杆的动阻比至少为4；质量块支撑梁，位于质量块的两侧，质量块支撑梁包括上下两部分，上下两部分相对于谐振音叉所在的直线为轴对称分布；质量块支撑梁的一端连接质量块，质量块支撑梁的另一端连接位于质量块外部的锚区。所述谐振器，包括：谐振音叉(5)、驱动单元(6)、和检测单元(7)；所述谐振音叉的一端，即输入端，连接第二级杠杆输出梁的另一端，所述谐振音叉的另一端通过锚区固定；驱动单元位于谐振音叉中部，用于驱动谐振音叉按工作频率振动；检测单元用于检测谐振音叉频率的变化。所述质量块支撑梁、质量块、惯性力放大机构、谐振器均为硅材质。所述的微机械惯性力放大结构，一级杠杆输入梁为“几”字型柔性细折叠梁，a尺寸为600～620μm，b尺寸为14～16μm，c尺寸为44～46μm，d尺寸为560～570μm，e尺寸为14～16μm，f尺寸为28～32μm，g尺寸为9～11μm。所述的第一级杠杆臂为刚性直梁，长度1990～2010μm，宽度245～255μm。所述第一级杠杆输出梁为一柔性细长直梁，长度495～505μm，宽度9～11μm。所述的第一级杠杆支点梁为一底部固定并垂直于第一级杠杆臂的柔性细直梁，长度375～385μm，宽度7.3～7.7μm。所述第二级杠杆臂为刚性直梁，长度945～955μm，宽度145～155μm；二级杠杆支点也为一底部固定并垂直于杠杆臂的柔性细直梁，位于二级杠杆输入端和二级杠杆输出端之间，长度145～155μm，宽度7.3～7.7μm。所述的第二级杠杆输出端为一短直梁，长度95～105μm，宽度7.3～7.7μm，与第二级杠杆臂之间设置有间隙，间隙宽度为18～22μm，对称的两根第二级杠杆输出梁之间设置一根垂直于两根第二级杠杆输出梁的横梁，长度95～105μm，宽度8～12μm。本专利技术与现有技术相比所产生的有益效果在于：(1)通过两种结构形式的单级杠杆有效组合，实现了惯性力的二次放大，有效提高了惯性力放大机构对惯性力的放大倍数，通过对连接梁、支撑梁的结构形式和长宽比的优化设计，使整体的惯性力放大机构具有很好的刚度匹配，使得音叉同向振动模态，即工作模态；音叉反向振动模态，即干扰模态，工作模态和工作模态之间保持较大频差，从而提高了谐振加表的标度因数和整体性能。(2)通过一级杠杆输入梁的“几”字型折叠设计，减小了惯性力在质量块与一级杠杆之间传递过程中的损失。(3)通过对输入输出梁、支点梁的长宽比的优化设计，使惯性力放大机构整体具有较小的扭转刚度和较大的拉压刚度，极大的减小了惯性力在惯性力放大机构间传递过程中的损失。(4)通过设置一根垂直于两根第二级杠杆输出梁的横梁，增加了整个惯性力放大机构的稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型硅微谐振加速度计的惯性力放大机构，其特征在于：包括：质量块支撑梁、质量块、惯性力放大机构、谐振器；惯性力放大机构，包括：第一级杠杆放大机构(1)、第二级杠杆放大机构(2)；第一级杠杆放大机构(1)分为对称的两部分，这两部分相对于谐振音叉所在的直线为轴对称分布；第二级杠杆放大机构(2)分为对称的两部分，这两部分相对于谐振音叉所在的直线为轴对称分布；第一级杠杆放大机构(1)的每一部分，包括：第一级杠杆输入梁(11)、第一级杠杆臂(12)、第一级杠杆支点梁(14)和第一级杠杆输出梁(13)；第二级杠杆放大机构(2)的每一部分包括：第二级杠杆输入梁(13)、第二级杠杆臂(21)、第二级杠杆支点梁(22)和第二级杠杆输出梁(23)；第一级杠杆输出梁即为第二级杠杆输入梁；第一级杠杆臂的一端通过第一级杠杆输入梁连接质量块，第一级杠杆支点梁的一端连接第一级杠杆臂的另一端，第一级杠杆支点梁的另一端连接第一级杠杆臂和第二级杠杆臂之间的锚区；第二级杠杆臂的一端通过第一级杠杆输出梁连接第一级杠杆臂，第二级杠杆输出梁的一端连接第二级杠杆臂的另一端，第二级杠杆输出梁的另一端连接谐振器的一端，即输入端，谐振器的另一端通过锚区固定；第二级杠杆支点梁的一端连接第二级杠杆臂，第二级杠杆支点梁的另一端连接第一级杠杆臂和第二级杠杆臂之间的锚区；第一级杠杆输入梁与第一级杠杆臂的连接点到第一级杠杆支点梁的一端的距离，与第一级杠杆输出梁到第一级杠杆支点梁的一端的距离，作为第一级杠杆的动阻比，第一级杠杆的动阻比为至少为3；第二级杠杆输入梁与第二级杠杆臂连接点到第二级杠杆支点梁的一端的距离，与第二级杠杆输入梁到第二级杠杆支点梁的一端的距离，作为第二级杠杆的动阻比，第二级杠杆的动阻比至少为4；质量块支撑梁，位于质量块的两侧，质量块支撑梁包括上下两部分，上下两部分相对于谐振音叉所在的直线为轴对称分布；质量块支撑梁的一端连接质量块，质量块支撑梁的另一端连接位于质量块外部的锚区。...

【技术特征摘要】
1.一种新型硅微谐振加速度计的惯性力放大机构，其特征在于：包括：质
量块支撑梁、质量块、惯性力放大机构、谐振器；
惯性力放大机构，包括：第一级杠杆放大机构(1)、第二级杠杆放大机构(2)；
第一级杠杆放大机构(1)分为对称的两部分，这两部分相对于谐振音叉所
在的直线为轴对称分布；
第二级杠杆放大机构(2)分为对称的两部分，这两部分相对于谐振音叉所
在的直线为轴对称分布；
第一级杠杆放大机构(1)的每一部分，包括：第一级杠杆输入梁(11)、第
一级杠杆臂(12)、第一级杠杆支点梁(14)和第一级杠杆输出梁(13)；
第二级杠杆放大机构(2)的每一部分包括：第二级杠杆输入梁(13)、第
二级杠杆臂(21)、第二级杠杆支点梁(22)和第二级杠杆输出梁(23)；第一
级杠杆输出梁即为第二级杠杆输入梁；
第一级杠杆臂的一端通过第一级杠杆输入梁连接质量块，第一级杠杆支点梁
的一端连接第一级杠杆臂的另一端，第一级杠杆支点梁的另一端连接第一级杠
杆臂和第二级杠杆臂之间的锚区；
第二级杠杆臂的一端通过第一级杠杆输出梁连接第一级杠杆臂，第二级杠杆
输出梁的一端连接第二级杠杆臂的另一端，第二级杠杆输出梁的另一端连接谐
振器的一端，即输入端，谐振器的另一端通过锚区固定；
第二级杠杆支点梁的一端连接第二级杠杆臂，第二级杠杆支点梁的另一端连
接第一级杠杆臂和第二级杠杆臂之间的锚区；
第一级杠杆输入梁与第一级杠杆臂的连接点到第一级杠杆支点梁的一端的
距离，与第一级杠杆输出梁到第一级杠杆支点梁的一端的距离，作为第一级杠
杆的动阻比，第一级杠杆的动阻比为至少为3；
第二级杠杆输入梁与第二级杠杆臂连接点到第二级杠杆支点梁的一端的距
离，与第二级杠杆输入梁到第二级杠杆支点梁的一端的距离，作为第二级杠杆

\t的动阻比，第二级杠杆的动阻比至少为4；
质量块支撑梁，位于质量块的两侧，质量块支撑梁包括上下两部分，上下两
部分相对于谐振音叉所在的直线为轴对称分布；质量块支撑梁的一端连接质量
块，质量块支撑梁的另一端连接位于质量块外部的锚区。
2.根据权利要求1所述的一种新型硅微谐振加速度计的惯性力放大机构，
其特征在于：所述谐振器，包括：谐振音叉(5)、驱动单元(6)、和检测单...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，王岩，胡启方，徐宇新，邢朝洋，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11