阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构制造技术

本发明专利技术公开了一种阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，加速度结构设置在三层单晶硅的中层单晶硅片上，该结构包括质量块、两个谐振器、四个微杠杆放大机构、应力释放机构、多个支撑梁、多个阻尼调节机构和多个固定基座；阻尼调节机构均匀布在质量块上；两个谐振器关于x轴对称布置在质量块中间，微杠杆放大机构位于两个谐振器之间；两个谐振器内侧的一端分别与两个微杠杆的输出端相连，与同一个谐振器相连的两个微杠杆的支点端连接到同一个应力释放机构，再与固定基座相连；微杠杆机构的输入端与质量块相连，质量块通过支撑梁与固定基座相连，固定基座与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连。本发明专利技术减小了频率的温度系数，阻尼可调。

【技术实现步骤摘要】
阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构
本专利技术属于微机电系统MEMS中的微惯性传感器
，特别是一种阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构。
技术介绍
硅微加速度计是典型的MEMS惯性传感器，其研究始于20世纪70年代初，现有电容式、压电式、压阻式、热对流、隧道电流式和谐振式等多种形式。硅微谐振式加速度计的独特特点是其输出信号是频率信号，它的准数字量输出可直接用于复杂的数字电路，具有很高的抗干扰能力和稳定性，而且免去了其它类型加速度计在信号传递方面的诸多不便，直接与数字处理器相连。目前美国Draper实验室对谐振式加速度计的研究处于国际领先地位，研制的加速度计主要应用于战略导弹，零偏月稳定性达2μg，标度因数月稳定性达0.73ppm。因此硅微谐振式加速度计具有良好的发展前景。硅微谐振式加速度计结构一般由谐振梁和敏感质量块组成，敏感质量块将加速度转换为惯性力，惯性力作用于谐振梁的轴向，使谐振梁的频率发生变化，通过测试谐振频率推算出被测加速度。硅微谐振式加速度计都采用真空封装提高Q值，降低其结构噪声，谐振器Q值一般>10万。与此同时，硅微谐振式加速度计的质量块在敏感轴的Q值也比较大，可达1～5万。当硅微谐振式加速度计工作环境存在冲击或振动时，质量块在敏感轴的模态被激发后，质量块产生很大的振动位移，从而产生很大的输出，甚至造成结构损坏。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，以提高加速度计抗冲击能力，减小频率的温度系数，实现阻尼可调。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，由上层单晶硅、中间层单晶硅和下层单晶硅构成；所述上层单晶硅为布置有信号输入、输出线、吸气剂以及固定基座的硅微音叉谐振式加速度计封装盖板，所述下层单晶硅为布置有固定基座的硅微音叉谐振式加速度计衬底，所述中间层单晶硅片上制作有阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构，中间层单晶硅密封在由上层单晶硅和下层单晶硅形成的密闭空腔中；所述阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构包括质量块、两个谐振器、四个微杠杆放大机构、多个支撑梁、多个阻尼调节机构和多个固定基座、分别对应于两个谐振器的第一应力释放机构、第二应力释放机构；多个阻尼调节机构均匀布在质量块四周上，用于增大加速度计在检测轴的阻尼系数；两个谐振器关于x轴对称布置在质量块中间，四个微杠杆放大机构位于两个谐振器之间，并两两关于x轴和y轴对称布置；两个谐振器内侧的一端分别与两个微杠杆的输出端相连，与同一个谐振器相连的两个微杠杆的支点端连接到同一个应力释放机构，应力释放机构再一个固定基座相连，第二应力释放机构与另外一个固定基座相连，第一应力释放机构以及与其相连的固定基座位于该侧两个微杠杆之间，第二应力释放机构以及与其相连的固定基座位于对应侧的两个微杠杆之间；微杠杆机构的输入端与质量块相连，质量块通过多个支撑梁和与多个固定基座相连，所有固定基座均与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：(1)质量块上布置了阻尼调节机构，利用了变间距梳齿，通过梳齿数调节加速度计敏感方向的阻尼系数，从而减小了在振动或冲击环境下质量块振动位移，提高了结构的抗振动和冲击能力；(2)采用了分立的固定基座，增加了加速度计结构芯片厚度方向的刚度，减小了MEMS工艺和封装过程中产生的翘曲，减小了固定基座上的残余应力，从而减小了谐振梁上的轴向应力，减小了加速度计的温度系数；(3)对于单个谐振器而言，其两端的锚点位置接近，则温度变化时，这两个锚点的变形和应力变化接近相同，则温度变化时谐振梁上的轴向的应力变化小，即谐振器温度系数小；(4)两个谐振器接近，MEMS工艺在小尺寸范围内的加工一致性好，则两个谐振器的结构尺寸和残余应力接近，经过差分后，可消除大部分的温度系数；(5)谐振器采用细长梁，隔离了音叉的同相和相向模态。附图说明图1是本专利技术的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构剖面图。图2是本专利技术的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构示意图。图3是本专利技术的阻尼调节机构结构示意图。图4是本专利技术的谐振器结构示意图。图5是本专利技术的微杠杆放大机构的结构示意图。图6是第一应力释放结构示意图。图7是第三应力释放结构示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的介绍。结合图1，本专利技术的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，用于测量平行于基座水平线加速度，由上层单晶硅51、中间层单晶硅52和下层单晶硅53构成，上层单晶硅51为布置有信号输入/出的引线54、吸气剂55以及固定基座56的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计封装盖板，中间层单晶硅52上制作的为阻尼可调型硅微音叉式谐振式加速度计机械结构，下层单晶硅53为布置有固定基座57的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计衬底，中间层单晶硅52密封在由上层单晶硅51和下层单晶硅53形成的密闭空腔中。图2为中间层单晶硅俯视图，整个中间层单晶硅52关于中心十字轴对称(关于x轴和y轴均对称)，中间层单晶硅52上的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构由质量块1、第一、二、三、四阻尼调节机构2a、2b、2c、2d、第一、二谐振器3a、3b和四个完全相同的第一、二、三、四微杠杆放大机构4a、4b、4c、4d、第一、二、三、四、五、六支撑梁5a、5b、5c、5d、5e、5f、第一、二应力释放机构6a、6b和第一、二、三、四、五、六、七、八固定基座7a、7b、7c、7d、7e、7f、7g、7h组成。第一、二、三、四阻尼调节机构2a、2b、2c、2d均匀布置在质量块1的周边，用于增加质量块在检测轴(y轴)的阻尼系数，降低其品质因数。第一、二谐振器3a、3b关于x轴对称布置在质量块1的中间，第一、二、三、四微杠杆放大机构4a、4b、4c、4d位于第一、二谐振器3a、3b中间，第一、二微杠杆放大机构4a、4b分别与第四、三微杠杆放大机构4d、4c关于x轴对称，第一、四微杠杆放大机构4a、4d与第二、三微杠杆放大机构4b、4c关于检测轴对称；第一谐振器3a与第二谐振器3b相邻的一端与第一、二微杠杆放大机构4a、4b的输出端相连，第二谐振器3b与第一谐振器3a相邻的一端与第三、四微杠杆放大机构4c、4d的输出端相连，第一、二微杠杆放大机构4a、4b的支点端通过第一应力释放机构6a与第一固定基座7a相连，第三、四微杠杆放大机构3c、3d的支点端通过第二应力释放机构6b与第二固定基座7b相连，第一应力释放机构6a和第一固定基座7a位于第一、二微杠杆放大机构4a、4b之间，第二应力释放机构6b和第二固定基座7b位于第三、四微杠杆放大机构4c、4d之间，第一固定基座7a与第一谐振器3a的固定基座和第二固定基座7b与第二谐振器3b之间的距离减小，减小了两个谐振器各自的温度系数，第一固定基座7a与第二固定基座7b距离小，从而减小两个谐振器温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，其特征在于，由上层单晶硅、中间层单晶硅和下层单晶硅构成；所述上层单晶硅为布置有信号输入、输出线、吸气剂以及固定基座的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计封装盖板，所述下层单晶硅为布置有固定基座的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计衬底，所述中间层单晶硅片上制作有阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构，中间层单晶硅密封在由上层单晶硅和下层单晶硅形成的密闭空腔中；/n所述阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构包括质量块、两个谐振器、四个微杠杆放大机构、多个支撑梁、多个阻尼调节机构和多个固定基座、分别对应于两个谐振器的第一应力释放机构、第二应力释放机构；多个阻尼调节机构均匀布在质量块四周上，用于增大加速度计在检测轴的阻尼系数；两个谐振器关于x轴对称布置在质量块中间，四个微杠杆放大机构位于两个谐振器之间，并两两关于x轴和y轴对称布置；两个谐振器内侧的一端分别与两个微杠杆的输出端相连，与同一个谐振器相连的两个微杠杆的支点端连接到同一个应力释放机构，第一应力释放机构与一个固定基座相连，第二应力释放机构与另外一个固定基座相连，第一应力释放机构以及与其相连的固定基座位于该侧两个微杠杆之间，第二应力释放机构以及与其相连的固定基座位于对应侧的两个微杠杆之间；微杠杆机构的输入端与质量块相连，质量块通过多个支撑梁和与多个固定基座相连，所有固定基座均与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间。/n...

【技术特征摘要】
1.一种阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，其特征在于，由上层单晶硅、中间层单晶硅和下层单晶硅构成；所述上层单晶硅为布置有信号输入、输出线、吸气剂以及固定基座的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计封装盖板，所述下层单晶硅为布置有固定基座的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计衬底，所述中间层单晶硅片上制作有阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构，中间层单晶硅密封在由上层单晶硅和下层单晶硅形成的密闭空腔中；
所述阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计机械结构包括质量块、两个谐振器、四个微杠杆放大机构、多个支撑梁、多个阻尼调节机构和多个固定基座、分别对应于两个谐振器的第一应力释放机构、第二应力释放机构；多个阻尼调节机构均匀布在质量块四周上，用于增大加速度计在检测轴的阻尼系数；两个谐振器关于x轴对称布置在质量块中间，四个微杠杆放大机构位于两个谐振器之间，并两两关于x轴和y轴对称布置；两个谐振器内侧的一端分别与两个微杠杆的输出端相连，与同一个谐振器相连的两个微杠杆的支点端连接到同一个应力释放机构，第一应力释放机构与一个固定基座相连，第二应力释放机构与另外一个固定基座相连，第一应力释放机构以及与其相连的固定基座位于该侧两个微杠杆之间，第二应力释放机构以及与其相连的固定基座位于对应侧的两个微杠杆之间；微杠杆机构的输入端与质量块相连，质量块通过多个支撑梁和与多个固定基座相连，所有固定基座均与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间。


2.根据权利要求1所述的阻尼可调型硅微音叉谐振式加速度计结构，其特征在于，所述阻尼调节机构包括布置在质量块上的活动梳齿、固定梳齿和固定基座；所述固定梳齿设置在固定基座上，所述固定基座与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，固定梳齿布置在固定基座上，固定梳齿和活动梳齿对插，阻尼调节机构的固定基座与上层单晶硅和下...

【专利技术属性】
技术研发人员：裘安萍，施芹，夏国明，赵阳，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32