微机械数字式差频加速度计制造技术

本发明专利技术微机械数字式差频加速度计，特点是由半导体衬底、柔性杆、框架结构、检测质量；框架结构上下两侧的共振音叉驱动与感应电极等构成两级自振荡装置。两极共振音叉用来驱动整个结构并且输出信号；在没有受到垂直方向加速度时，一级、二级框架结构会以不同的频率在水平方向作简谐运动，此时系统将输出他们的频率差；当受到垂直方向向上的加速度后，一级框架结构内的检测质量受到压力向下运动，导致整个框架结构质心下移，使得一级框架结构的振动频率增加；同理，二级框架结构质心上升振动频率降低；因此，两极共振音叉驱动整个结构输出频率发生变化；当受到垂直方向向下的加速度后，情况相反。它具有较强的抗干扰能力，检测灵敏度高和精度高；结构紧凑，强度好，使用寿命较长。输出数字信号可直接与数字处理器相连接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，特别涉及梳齿式微机械数字式差频加速度计。
技术介绍
在机械、物理及仪表的检测和自动化控制中加速度计是一种常用的传感器。当前，随着微电子技术和微机械加工技术的快速发展，微机械加速度计已经于1993年形成产品及应用。最初的加速度计为力平衡式。采用在硅片表面微机械加工工艺制成，敏感轴与基片平行，检测质量块为“H”形。检测质量可以自由地沿垂直于梁的方向运动。采用梳齿结构，每个梳齿为可变电容的一个活动电极或固定电极，固定电极与活动电极交错配置。检测电路为电桥方案，在检测电容的固定电极上施加频率为1HZ的载波信号，加速度计的输出电压与检测电容的值成正比。该输出信号经缓冲放大，同步解调，反馈给力矩器的电容极板，产生静电力，使得检测质量回到零位。加速度计的整个电路与微结构集成在一片硅基片上。用一个5V电源供电。传感器输出电压模拟量。1998年美国AD公司推出了双轴加速度计产品系列，量程从±2g到±100g。如ADXL202型加速度计，量程从±2g，带宽可以通过外电容调整。采用脉冲调制占容比输出，数字输出信号直接可以进入计算机处理，或通过滤波可以转换模拟量。现在梳齿微机械结构是加速度计的一种典型结构，如美国专利US005969249A公开了一种具有柔性杆(弹簧)系统的谐振加速度计。它是一种由一个质量块、连接支撑质量块的柔性杆系统(弹簧)、两个柔性杆的固定点、及两个梳齿结构的谐振装置等组成的加速度计。上部(第1)谐振装置自振荡，柔性杆系统增大在加速度力作用到质量块上引起的向上的拉力，下部(第2)谐振装置自振荡，柔性杆系统增大在加速度力作用到质量块上引起的向下的压力。这种加速度计是用硅基片由微机械加工制作而成的。加速度计中的谐振装置采用梳齿结构，每个梳齿为可变电容的一个活动电极或固定电极，固定电极与活动电极交错配置并形成一对驱动电极。谐振装置把检测的加速度转换成为频率信号。质量块在加速度力的作用下，上下两个谐振装置的输出频率信号经过放大器放大后相乘，再经低通滤波器滤除高频干扰信号后输出一个频率信号。即f＝f1-f2。输出频率与加速度的变化相对应。输出频率信号可直接使用计算机进行数字处理。因此，它又称为数字加速度计。这种加速度计结构较为简单，其主要的工作原理是当加速度计受到向下的加速度后，该结构的频率降低；反之，当加速度计受到向上的加速度后，它的输出频率上升。
技术实现思路
本专利技术的目的在于使用与以上
技术介绍
完全不同工作原理，经过对梳齿结构、柔性杆和检测质量块，及相互连接等结构的研究，提供一种具有结构新而紧凑，强度好，使用寿命较长，检测灵敏度和精度高的微机械数字式差频加速度计。本专利技术的微机械数字式差频加速度计，包括一个半导体衬底；其特点在于·一个一端与半导体衬底连接的一级柔性杆及一个一端与半导体衬底连接的二级柔性杆，这两级柔性杆将支撑一级框架结构、二级框架结构平行悬浮于半导体衬底上；·两个分别与柔性杆另一端连接的一级框架结构和二级框架结构；在一级框架结构内左右两侧对称排列有柔性杆；在二级框架结构内左右两侧对称排列有柔性杆；·在一级框架结构内与柔性杆相连的一个一级检测质量，一个在二级框架结构内与柔性杆连接的二级检测质量；·在一级框架结构上下两侧的一级共振音叉和二级框架结构上下两侧的二级共振音叉，两极共振音叉用来驱动整个结构并且输出信号；在没有受到垂直方向加速度时，一级、二级框架结构会以不同的频率在水平方向作简谐运动，此时系统将输出他们的频率差；当受到垂直方向向上的加速度后，一级框架结构内的检测质量受到压力向下运动，导致整个框架结构质心下移，使得一级框架结构的振动频率增加；同理，二级框架结构质心上升振动频率降低；因此，由两极共振音叉输出端的频率发生变化；反之，当受到垂直方向向下的加速度后，情况相反。本专利技术提供的微机械数字式差频加速度计。主要包含了由半导体衬底、柔性杆、框架结构、框架结构内的柔性杆、检测质量、及框架结构上下两侧的共振音叉等构成的两级独立的自振荡装置。假设它们的振荡频率分别有f1和f2，当它们受到一个向上的加速度作用时，上面振荡体的质量块就会向下运动，整体结构质心下移，由k=Ebω3L3]]>和f=km]]>可知，上面振荡块的振荡频率f1就会增加；同理，下面质量块的振荡频率f2就会减小。这样就使加速度的变化对应到频率的变化上了。输出频率Δf＝f1-f2也会增加，这样就使加速度的变化对应到频率的变化。本专利技术的微机械数字式差频加速度计与
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相比较，虽然也是利用加速度计受到不同加速度后其振动频率发生改变，但是，基本工作原理完全不同。微机械数字式差频加速度计当加速度计受到向上的加速度后，整个结构的质心产生向下的位移，导致加速度计的输出频率增加；反之，当加速度计受到向下的加速度后，结构的质心上移，此时加速度计的输出频率减少。调频信号只与频率有关，与信号的幅值无关。因此，具有较强的抗干扰能力，这对于提高加速度的精度具有重要的意义。本专利技术微机械数字式差频加速度计具有突出优点和显著进步是·加速度计具有较强的抗干扰能力，检测灵敏度高和精度高；·加速度计的框架结构、柔性杆及检测质量块，及相互连接关系等结构紧凑，强度好，使用寿命较长；·加速度计的输出数字信号可直接与数字处理器相连接，如计算机等。附图说明图1是微机械数字式差频加速度计bb剖视图；图2是微机械数字式差频加速度计结构示意图；图3是微机械数字式差频加速度计力学模型；图4是加速度计中杆梁简化为弹簧等效示意图；图5是微机械数字式差频加速度计的ANSYS结构仿真图；图6是带外接电路的微机械数字式差频加速度计结构图；图7是微机械数字式差频加速度计受到向下的加速度时频率输出波形图；图8是微机械数字式差频加速度计受到正常(加速度为零)时频率输出波形图；图9是微机械数字式差频加速度计受到向上的加速度时频率输出波形图；图10是微机械数字式差频加速度计受到向下的加速度时，ANSYS仿真出的检测质量的形变图；图11是微机械数字式差频加速度计没受到加速度时的ANSYS仿真图；图12是微机械数字式差频加速度计受到向上的加速度时，ANSYS仿真出的检测质量的形变图。具体实施例方式以下结合附图详细说明本专利技术的具体实施方式。图1和图2所示，本专利技术的微机械数字式差频加速度计，包括·一个半导体衬底4；·一个一端与半导体衬底连接的一级柔性杆3及一个一端与半导体衬底连接的二级柔性杆5，这两级柔性杆将支撑一级框架结构6、二级框架结构7平行悬浮于半导体衬底上； ·两个分别与柔性杆另一端连接的一级框架结构和二级框架结构；在一级框架结构内左右两侧对称排列有三根柔性杆8且相互平行；在二级框架结构内左右两侧对称排列有三根柔性杆9且相互平行；·在一级框架结构内与柔性杆相连的一个一级检测质量10，一个在二级框架结构内与柔性杆连接的二级检测质量11；·在一级框架结构上下两侧的一级共振音叉12和二级框架结构上下两侧的二级共振音叉13，两极共振音叉用来驱动整个结构并且输出信号；在没有受到垂直方向加速度时，一级、二级框架结构会以不同的频率在水平方向作简谐运动，此时系统将输出他们的频率差；当受到垂直方向向上的加速度后，一级框架结构内的检测质量受到压力向下运动，导致整本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机械数字式差频加速度计，包括：一个半导体衬底（４）；其特征在于：一个一端与半导体衬底连接的一级柔性杆（３）及一个一端与半导体衬底连接的二级柔性杆（５），这两级柔性杆将支撑一级、二级框架结构平行悬浮于半导体衬底上；两个分 别与柔性杆另一端连接的一级框架结构（６）和二级框架结构（７）；在一级框架结构内左右两侧对称排列有柔性杆（８）；在二级框架结构内左右两侧对称排列有柔性杆（９）；在一级框架内与柔性杆相连的一个一级检测质量（１０），一个在二级框架结构内与 柔性杆连接的二级检测质量（１１）；在一级框架上下两侧的一级共振音叉（１２）和二级框架上下两侧的二级共振音叉（１３），两极共振音叉用来驱动整个结构并且输出信号；在没有受到垂直方向加速度时，一级、二级框架结构会以不同的频率在水平方向作简 谐运动，此时系统将输出他们的频率差；当受到垂直方向向上的加速度后，一级框架结构内的检测质量受到压力向下运动，导致整个框架结构质心下移，使得一级框架结构的振动频率增加；同理，二级框架结构质心上升振动频率降低；因此，两极共振音叉驱动整个结构输出频率发生变化；反之，当受到垂直方向向下的加速度后，情况相反。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李锦明，张文栋，李林，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]