一种谐振式微加速度计制造技术

本发明专利技术的一种谐振式微加速度计，包括基底层和结构层，结构层包括音叉谐振单元、连接块、驱动电极、检测电极、惯性单元和耦合电容。音叉谐振单元包括音叉振梁和振梁电极，音叉振梁悬空，一端通过锚点与基底固定连接，另一端为自由端，振梁电极与音叉振梁固定连接。惯性单元悬空并与连接块之间通过耦合电容耦合，耦合电容用于将惯性块所受的惯性力耦合到连接块上。有益效果在于对振梁上的残余应力进行了释放，避免了翘曲与扭曲变形；并且在振梁工作过程中，始终受到静电力作用下的轴向拉力，不存在拉、压应力转化，避免了残余应力的影响；同时输入惯性力通过耦合电容加载到音叉振梁上，传递过程中无其它机械结构变形，保证了能量传递精度。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术的一种谐振式微加速度计，包括基底层和结构层，结构层包括音叉谐振单元、连接块、驱动电极、检测电极、惯性单元和耦合电容。音叉谐振单元包括音叉振梁和振梁电极，音叉振梁悬空，一端通过锚点与基底固定连接，另一端为自由端，振梁电极与音叉振梁固定连接。惯性单元悬空并与连接块之间通过耦合电容耦合，耦合电容用于将惯性块所受的惯性力耦合到连接块上。有益效果在于对振梁上的残余应力进行了释放，避免了翘曲与扭曲变形；并且在振梁工作过程中，始终受到静电力作用下的轴向拉力，不存在拉、压应力转化，避免了残余应力的影响；同时输入惯性力通过耦合电容加载到音叉振梁上，传递过程中无其它机械结构变形，保证了能量传递精度。【专利说明】一种谐振式微加速度计
本专利技术属于微机械(MEMS)传感器的
，涉及MEMS微加速度检测器件，特别涉及一种谐振式微加速度计。
技术介绍
微加速度计是MEMS器件中应用最为广泛的传感器之一，在导航、医疗、电子、监测、汽车等军民用领域具有巨大前景，是目前科研院所、高校与企业的重点研发产品，尤其是高精度的加速度计研制成为抢占MEMS制高点的首选对象。谐振式微加速度计作为首选对象中的一员，具有许多其类型加速度计不可比拟的优点。此种类型的微加速度计通过震动结构的振动频率来反应外界加速度，器件的输出信号为频率。由于其具有数字信号特征，易于与数字电路结合，因此更容易实现微惯性器件的高稳定性与高精度性能。如上所述的通过频率来敏感器件加速度的方式可分为轴向应力式、截面惯性矩式和静电刚度式三种类型。该三种类型的加速度敏感方式在专利技术人的《谐振式微加速度计的发展现状》(周吴，何晓平，苏伟，李柏林.四川省电子学会2007年学术年会论文汇编，四川绵阳，2007.6.28)文献中具有详细论述；此外，还有南理工大学裘安萍等、南京信息工程大学刘恒等以及东南大学杨波等对现有谐振式加速度计进行了改进或研制了新颖的检测结构；这些研究成果对微加速度计的发展起了巨大的推动作用。然而残余应力与加工误差仍是阻碍当前谐振式微加速度计发展的主要因素，因为双端固定的谐振梁与双铰链微扭转结构都涉及到应力敏感机制，当正负惯性力交替时，器件输出受残余应力影响较大，因此此种类型的传感器件对工艺要求极高，不利于精度的大幅度提高。目前对谐振式微加速度计的研究大多数基于轴向力敏感机制，原因在于谐振器所使用的音叉梁具有结构简单、易于驱动以及模态易于控制等优点，且在采用广泛应用的静电驱动与电容检测时，电极的设计与加工具有较高的灵活性，驱动力与检测电容可以通过调整电极对数进行调节；当惯性力通过轴向应力的形式加载到振动梁上时，频率的变化量与输入应力具有良好的线性关系，其灵敏度可通过减小梁截面尺寸与增加力放大杠杆进行改进。但是，上述两种改进方法也具有一定的不足之处:当梁的截面尺寸减小后，梁的固有频率将降低，量程下降，且细梁的工艺误差依赖性大，振型不易控制；当利用杠杆进行力放大时，杠杆的结构与工艺设计具有相当大的难度，大大提高了制造成本，同时增加了系统的复杂性。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的轴向力敏感机制的谐振式微加速度计对工艺依赖性大、振型不易控制且制造成本高等一系列问题，提出了一种谐振式微加速度计。本专利技术的技术方案是，一种谐振式微加速度计，包括基底层和结构层，其特征在于，结构层包括音叉谐振单元、连接块、驱动电极、检测电极、惯性单元和耦合电容，所述音叉谐振单元包括音叉振梁和振梁电极，音叉振梁悬空，一端通过锚点与基底固定连接，另一端为自由端，振梁电极与音叉振梁固定连接；连接块包括连接块电极，所述连接块悬空并与音叉振梁的自由端固定连接；驱动电极和检测电极与振梁电极耦合连接，二者根据音叉振梁震动中的位置分别与振梁电极耦合；惯性单元悬空并与连接块之间通过耦合电容耦合，耦合电容用于将惯性块所受的惯性力耦合到连接块上。进一步的，连接块通过两个支撑梁支撑悬空，支撑梁通过锚点锚固到基底上。进一步的，所述耦合电容为平行板电容器。进一步的，为了使惯性单元与连接块之间力的传递更均匀，所述耦合电容为多组梳齿状平行板电容器，并优选为四组。进一步的，所述惯性单元包括惯性块和折叠梁，所述惯性块由多个折叠梁支撑悬空，折叠梁由锚点固定连接到基底上。进一步的，所述折叠梁为多折叠梁，优选为三折叠梁。进一步的，为了保证电极的可靠性，所述驱动电极、检测电极和振梁电极的电极板为梳齿状电极板。进一步的，所述驱动电极和振梁电极分别与静电电源相连接。本专利技术的有益效果:1、本专利技术采用的音叉振梁一端固定，一端由弹性的支撑梁支撑，对振梁上的残余应力进行了释放，避免了翘曲与扭曲变形；2、在振梁工作过程中，始终受到静电力作用下的轴向拉力，不存在拉、压应力转化，避免了残余应力的影响；3、输入惯性力通过耦合电容加载到音叉振梁上，传递过程中无其它机械结构变形，减少了能量损失，提高了力转换效率，保证了能量传递精度；4、本振梁的振动频率与转换电容器的力传递倍数受到惯性块与音叉振梁间的电压影响，因此可以通过调节电压实现频率、灵敏度及量程的调节，提高了结构设计的灵活性；5、所述加速度计的残余应力与工艺误差依赖性小，灵敏度可调节，且制造难度低。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术实施例的谐振式微加速度计剖视图；图2为本谐振式微加速度计的结构层示意图；图3为图2所示的结构层中音叉谐振单元及连接块结构示意图；图4为图2所示的结构层中惯性单元结构示意图；图5为f禹合电各f禹合关系不意图；图6、图7分别为左右折叠梁结构示意图。图中标号说明:基底层1，锚点2，结构层3，音叉谐振器31，音叉振梁311，锚点312，振梁电极313，连接块32，连接块电极321，支撑梁322，锚点323，驱动电极33，检测电极34，惯性单元35，惯性块351，折叠梁352，锚点353，电极4，耦合电容5，电容极板51，电容极板52。【具体实施方式】下面结合本专利技术的谐振式微加速度计的实施例及其附图对本专利技术做进一步详述。如图1、图2及图3所示，本专利技术实施例的一种谐振式微加速度计，包括基底层I和结构层3，基底层可以采用玻璃基底，结构层设置功能单元，结构层和基底层通过锚点2相连接，在基底层上还设置有电极4。为了实现加速度传感功能，在结构层3上设置有音叉谐振单元31、连接块32、驱动电极33、检测电极34、惯性单元35和耦合电容5。音叉谐振单元31具体包括音叉振梁311和振梁电极313，音叉振梁悬空，一端通过锚点312与基底I固定连接，另一端为自由端，振梁电极与音叉振梁固定连接。音叉谐振单元的作用在于通过一定的驱动力以一定频率谐振，当装置处于加速度非零的环境中时谐振器以频率响应所受惯性力的大小进而反应加速度大小。其工作原理如下:音叉振梁由两根平行的矩形截面梁组成，振梁的中部有沿垂直于轴线方向向外伸展的梳齿状电极，称作振梁电极。同时还存在一组与振梁电极耦合的驱动电极。当振梁电极和驱动电极同时连接静电电源时，驱动电极与振梁电极由于静电力而产生相互，驱使与振梁电极固定连接的音叉振梁轴向震动。为了使音叉振梁的振动稳定持续，上述连接块32的详细结构如连接块电极321，所述连接块电极321悬空并与音叉振梁的自由端固定连接；上述检测电极34与振梁电极耦合连接，其中检测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐振式微加速度计，包括基底层和结构层，其特征在于，结构层包括音叉谐振单元、连接块、驱动电极、检测电极、惯性单元和耦合电容，所述音叉谐振单元包括音叉振梁和振梁电极，音叉振梁悬空，一端通过锚点与基底固定连接，另一端为自由端，振梁电极与音叉振梁固定连接；连接块包括连接块电极，所述连接块悬空并与音叉振梁的自由端固定连接；驱动电极和检测电极与振梁电极耦合连接，二者根据音叉振梁震动中的位置分别与振梁电极耦合；惯性单元悬空并与连接块之间通过耦合电容耦合，耦合电容用于将惯性块所受的惯性力耦合到连接块上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周吴，陈余，丁子乔，于慧君，彭倍，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：