本发明专利技术提供了一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，该加速度计（100）包括第一外部质量块（101）、设置在第一外部质量块（101）内部且与第一外部质量块（101）相连的第一平面谐振器（103a）、设置在第一外部质量块（101）右方且与第一外部质量块（101）相连的第二外部质量块（102）、设置在第二外部质量块（102）内部且与第二外部质量块（102）相连的第二平面谐振器（103b）；本发明专利技术结构简单、与平面工艺兼容，避免了常规谐振加速计中细长谐振梁的设计、加工等难点，同时降低了应力、温度对加速度计性能的影响，同时其平面式结构特征便于实现多轴集成。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子机械系统(MEMS)和微惯性测量
，特别涉及一种硅微谐振式加速度计。
技术介绍
硅微谐振式加速度计是一种高精度的微型加速度计。区别于一般电容检测式加速度计，硅谐振式加速度计将被测加速度转换为谐振器的频率变化，直接输出数字信号，具有灵敏度和分辨率高、动态范围宽、抗干扰能力强、稳定性好、信号处理方便等优点，使其成为新一代高精度微机械加速度计的发展方向。2005年美国德雷珀实验室研发了一款高精度硅微谐振式加速度计，其实验室的最好性能指标为偏置稳定性0. 19ug，标度因数稳定性 0. 14ppm，噪声水平4. 5ug Hz-172,已达到惯性级导航甚至战略级导航性能指标要求。由于平面(X-Y平面)线性谐振器(双端音叉)，以及平面内电容激励器和信号敏感器具有线性度好、精度高、温度特性好、工艺与常规硅微加工工艺兼容等优点，目前研发大部分为平面式硅微谐振式加速计(可敏感平面X轴或Y轴加速度)。然而，垂直平面的谐振器、电容激励器和信号敏感器，由于其线性度、工艺兼容性等缺陷，导致垂直轴硅微谐振式加速度计很难采用与平面内相同技术实现。极少数采用电磁激励和压阻检测等方式实现的垂直轴硅微谐振式加速度计，也具有工艺兼容性差、精度低、温度特性差等缺陷。另外，从多轴集成的角度，由于工艺不兼容，目前的垂直轴硅微谐振式加速度计很难与平面内硅微谐振式加速度计集成。
技术实现思路
技术问题针对上述目前存在的问题和不足，本专利技术的目的是提供一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，采用平面内谐振器、电容激励器和信号敏感器，具有结构简单、紧凑、与平面工艺兼容的垂直轴硅微谐振式加速度计。技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，该加速度计包括第一外部质量块、设置在第一外部质量块内部且与第一外部质量块相连的第一平面谐振器、设置在第一外部质量块右方且与第一外部质量块相连的第二外部质量块、设置在第二外部质量块内部且与第二外部质量块相连的第二平面谐振器；该加速度计还包括设置在第一质量块和第二质量块外表面且分别与第一质量块和第二质量块连接的上扭杆和下扭杆，上扭杆和下扭杆相对设置；还包括与上扭杆连接的第一锚点和与下扭杆连接的第二锚点；第一外部质量块和第二外部质量块外部分别通过上扭杆、下扭杆与第一锚点、第二锚点连接，使该加速度计悬置在玻璃基座之上；第一质量块和第二质量块质量不等。优选的，第一左上平面静电梳齿激励器、第一右上平面静电梳齿激励器、第一右下平面静电梳齿激励器、第一左下平面静电梳齿激励器、第一上平面梳齿电容信号器、第一下平面梳齿电容信号器；该第一谐振器质量块包括相互平行的第一左边线和第二右边线，分别连接第一左边线和第二右边线且相互平行的第三上边线和第四下边线；第一左上支撑梁、第一右上支撑梁、第一右下支撑梁、第一左下支撑梁分别布置在第一左边线和第二右边线外侧且分别与第一左边线和第二右边线的两端相连，其中，第一谐振器质量块分别通过第一左上支撑梁、第一右上支撑梁、第一右下支撑梁、第一左下支撑梁与第一外部质量块相连；第一左上平面静电梳齿激励器、第一右上平面静电梳齿激励器、第一右下平面静电梳齿激励器、第一左下平面静电梳齿激励器分别布置在第三上边线和第四下边线外侧且分别与第三上边线和第四下边线的两端连接；第一上平面梳齿电容信号器、第一下平面梳齿电容信号器分别布置在第一谐振器 质量块外侧且位于第三上边线和第四下边线中间位置；第二平面谐振器包括第二谐振器质量块、第二左上支撑梁、第二右上支撑梁、第二右下支撑梁、第二左下支撑梁、第二左上平面静电梳齿激励器、第二右上平面静电梳齿激励器、第二右下平面静电梳齿激励器、第二左下平面静电梳齿激励器、第二上平面梳齿电容信号器、第二下平面梳齿电容信号器；该第二谐振器质量块包括相互平行的第五左边线和第六右边线，分别连接第五左边线和第六右边线且相互平行的第七上边线和第八下边线；第二左上支撑梁、第二右上支撑梁、第二右下支撑梁、第二左下支撑梁分别设置在第五左边线和第六右边线外侧且分别与第五左边线和第六右边线的两端相连，其中，第二谐振器质量块分别通过第二左上支撑梁、第二右上支撑梁、第二右下支撑梁、第二左下支撑梁与第二外部质量块相连；第二左上平面静电梳齿激励器、第二右上平面静电梳齿激励器、第二右下平面静电梳齿激励器、第二左下平面静电梳齿激励器分别布置在第七上边线和第八下边线外侧且与分别与第七上边线和第八下边线两端相连；第二上平面梳齿电容信号器、第二下平面梳齿电容信号器分别布置在第七上边线和第八下边线的中间位置。优选的，所述平面静电梳齿激励器包括梳齿架，分别设置在梳齿架两侧且与该梳齿架连接的第一梳齿电容、第二梳齿电容，布置在第一梳齿电容另一端且与该第一梳齿电容连接的第一固定基座，布置在第二梳齿电容另一端且与该第二梳齿电容连接的第二固定基座，其中第一梳齿电容、第二梳齿电容为变间距的平板电容；其中，第一梳齿电容和第二梳齿电容的ー个基本梳齿电容激励器单兀包括第一固定梳齿和第二固定梳齿，以及设置在第一固定梳齿和第二固定梳齿之间的活动梳齿；活动梳齿与第一固定梳齿的距离比活动梳齿与第二固定梳齿的距离近；第一固定梳齿和第二固定梳齿的上表面在同一平面，第一固定梳齿和第二固定梳齿的下表面在同一平面；活动梳齿上表面高于第一固定梳齿和第二固定梳齿的上表面，活动梳齿下表面低于第一固定梳齿和第二固定梳齿的下表面。优选的，所述平面梳齿电容信号器包括梳齿电容，设置在梳齿电容上方且与其连接的固定基座，布置在梳齿电容下方且与其连接的第一谐振器质量块，其中梳齿电容为变面积的平板电容；其中，梳齿电容的ー个基本梳齿电容信号器单元包括活动梳齿、对称布置在活动梳齿两侧的第一固定梳齿和第二固定梳齿，第一固定梳齿和第二固定梳齿的上表面在同一平面，第一固定梳齿和第二固定梳齿的下表面在同一平面；活动梳齿的上表面高于第一固定梳齿和第二固定梳齿的上表面；活动梳齿的下表面高于第一固定梳齿和第二固定梳齿的下表面。有益效果 (I)毋需垂直轴向的谐振器，该垂直轴硅微谐振式加速度计采用平面内谐振器、梳齿电容静电激励器和梳齿电容信号敏感器，结合扭摆式结构实现了垂直轴向输入的加速度的频率测量，结构简単，エ艺兼容。(2)相对于常规的基于机械刚度改变的硅微谐振式加速度计，该垂直轴硅微谐振式加速度计基于静电梳齿电容激励器的负刚度效应实现加速度的频率测量，避免了常规谐振加速计中细长谐振梁的设计、加工等难点，同时降低了应力、温度对其性能的影响。(3)该垂直轴硅微谐振式加速度计的平面式结构特征，与现有的平面内硅微谐振式加速度计加工エ艺兼容，便于实现多轴集成。附图说明图I是本专利技术基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计结构示意图；图2a是浄电梳齿电容激励器平面不意图；图2b是静电梳齿电容激励器的梳齿截面示意图；图3a是梳齿电容/[目号器平面不意图；图3b是梳齿电容/[目号器的梳齿截面意图；图4是本专利技术垂直轴硅微谐振式加速度计下层玻璃基座上的引线示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进ー步说明。在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。如图I所示，一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，其特征在于：该加速度计（100）包括第一外部质量块（101）、设置在第一外部质量块（101）内部且与第一外部质量块（101）相连的第一平面谐振器（103a）、设置在第一外部质量块（101）右方且与第一外部质量块（101）相连的第二外部质量块（102）、设置在第二外部质量块（102）内部且与第二外部质量块（102）相连的第二平面谐振器（103b）；该加速度计还包括设置在第一质量块（101）和第二质量块（102）外表面且分别与第一质量块（101）和第二质量块（102）连接的上扭杆（105a）和下扭杆（105b），上扭杆（105a）和下扭杆（105b）相对设置；还包括与上扭杆（105a）连接的第一锚点（104a）和与下扭杆（105b）连接的第二锚点（104b）；第一外部质量块(101）和第二外部质量块（102）外部分别通过上扭杆（105a）、下扭杆（105b）与第一锚点（104a）、第二锚点（104b）连接,使该加速度计悬置在玻璃基座（200）之上；第一质量块（101）和第二质量块（102）质量不等。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，王寿荣，赵辉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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