基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計的製作方法

2023-09-21 17:53:45 2

專利名稱：基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計的製作方法
技術領域：
本發明涉及微機電系統(以下簡稱MEMS)中的微慣性傳感技術領域，尤其涉及一種基於摺疊梁結構的一體差動式的石英振梁加速度計。
背景技術：
石英振梁加速度計是一種基於石英力頻特性的MEMS慣性傳感器，具有成本低、體積小、量程大、靈敏度高、標度因數穩定性好、直接數字輸出等優點，可廣泛應用於戰術飛彈姿態控制、慣性導航、大地重力測量、地球資源勘探以及微型機器人中，有著重要的軍用價值和民用價值。基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計是採用MEMS工藝將兩個差動結構的傳感頭一體加工成型，與分體式石英振梁加速度計相比，能夠有效隔離外界振動和熱應力的影響。目前的一體式石英振梁加速度計(美國發明專利US6807872 B2)主要以兩 個單傳感頭石英振梁加速度計通過裝配形成差動式結構。單傳感頭一體式石英振梁加速度計是通過再次裝配形成差動結構的，因而兩個傳感頭之間有較大的機械耦合，會導致較大的測量盲區。另外，撓性鉸鏈的彈性剛度很大，使質量塊在感知加速度計變化時運動幅度和反應靈敏度受到限制，降低了石英振梁加速度計的靈敏度，不易實現高精度的加速度測量。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計，該加速度計改變了傳統石英振梁加速度計的結構，以克服已有技術中兩個差動傳感頭間的機械耦合導致的測量盲區問題，又由於所用的摺疊梁結構在石英基片的Y軸上的彈性剛度較小，因此還能有效降低閾值，提高石英振梁加速度計的檢測靈敏度，從而實現高精度的加速
度測量。本發明的一種基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計，該加速度計是在一石英基片上加工製得，其特徵在於所述石英振梁加速度計上的左振梁(I)的一端與左質量塊(2)連接，左振梁(I)的另一端與左固定框(3)連接；左質量塊(2)的四個角分別通過第一摺疊梁(7A)、第二摺疊梁(7B)、第三摺疊梁(7C)和第四摺疊梁(7D)與左固定框(3)連接；左固定框(3)通過第二連接臂(6)與左隔離框(4)連接；左隔離框(4)通過第一連接臂(5)與安裝框(IOD)連成一體；左振梁⑴與左質量塊(2)之間通過第五空腔(105)、第六空腔(106)隔開；左質量塊(2)的左側與左固定框(3)之間通過第三空腔(103)隔開；左質量塊(2)的右側與左固定框(3)之間通過第四空腔(104)隔開；左質量塊(2)的下方與左固定框(3)之間通過第七空腔(107)隔開；左固定框(3)與左隔離框(4)之間通過第二空腔(102)隔開；所述石英振梁加速度計上的右振梁(51)的一端與右質量塊(52)連接，右振梁(51)的另一端與右固定框(53)連接；右質量塊(52)的四個角分別通過第五摺疊梁(57A)、第六摺疊梁(57B)、第七摺疊梁(57C)和第八摺疊梁(57D)與右固定框(53)連接；右固定框(53)通過第四連接臂(56)與右隔離框(54)連接；右隔離框(54)通過第三連接臂(55)與安裝框(IOD)連成一體；右振梁(51)與右質量塊(52)之間通過第十一空腔(115)、第十二空腔(116)隔開；右質量塊(52)的左側與右固定框(53)之間通過第九空腔(113)隔開；右質量塊(52)的右側與右固定框(53)之間通過第十空腔(114)隔開；右質量塊(52)的上方與右固定框(53)之間通過第十三空腔(117)隔開；右固定框(53)與右隔離框(54)之間通過第八空腔(112)隔開。本發明基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計的優點在於I、本發明的石英振梁加速度計中，採用隔離框與連接臂的結構，能夠有效隔離外界振動和熱應力對振梁的影響。2、本發明的石英振梁加速度計中，兩個結構相同的差動結構的傳感頭通過MEMS 加工技術一體加工而成，這種一體差動結構可以完全消除兩個差動傳感頭間的機械耦合，消除測量盲區，降低測量誤差，提高加速度計的檢測精度。3、本發明的石英振梁加速度計中，質量塊的四角採用的摺疊梁結構，能夠使質量塊沿石英基片的Y軸做面內(石英基片平面)運動，這種面內運動方式便於石英振梁加速度計的單片集成和輔助功能的擴展(例如增加微槓桿結構等)，而且摺疊梁結構可以進一步隔絕熱應力和聞頻幹擾，從而提聞了石英振梁加速度計的精度。4、本發明的石英振梁加速度計中，採用摺疊梁結構，因而省略了已有一體式石英振梁加速度計中的質量塊支座，增大了質量塊體積，這種摺疊梁結構可以減小加速度計支承結構在石英基片的Y軸方向的彈性剛度，從而降低了閾值，提高加速度計的檢測靈敏度，實現了對加速度計的高精度測量，能夠滿足航空航天和軍事領域對高性能技術指標的要求。5、本發明的石英振梁加速度計中，整片結構採用同一種石英材料，避免了由於不同材料熱膨脹係數不同導致的熱應力的影響。本發明還避免了傳統石英振梁加速度計振梁電極的環周布電極法，而只設置正反面電極，避免了側面電極的製作，能有效降低工藝難度和加工成本，易於批量生產。


圖I是以構形空腔特徵表示的本發明基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計的主視圖。圖IA是帶有灰度表示的圖I。圖2是本發明基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計的主視圖。圖2A是帶有灰度表示的圖2。圖2B是本發明基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計的前視等軸結構圖。圖2C是本發明基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計的後視等軸結構圖。圖3是不同極性的電極結構圖。圖4是在加速度作用下傳感頭單元的運動示意圖。
權利要求
1.一種基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計，該加速度計是在一石英基片上加工製得，其特徵在於所述石英振梁加速度計上的左振梁(I)的一端與左質量塊(2)連接，左振梁(I)的另一端與左固定框(3)連接；左質量塊(2)的四個角分別通過第一摺疊梁(7A)、第二摺疊梁(7B)、第三摺疊梁(7C)和第四摺疊梁(7D)與左固定框(3)連接；左固定框⑶通過第二連接臂(6)與左隔離框⑷連接；左隔離框⑷通過第一連接臂(5)與安裝框(IOD)連成一體；左振梁(I)與左質量塊(2)之間通過第五空腔(105)、第六空腔(106)隔開；左質量塊⑵的左側與左固定框⑶之間通過第三空腔(103)隔開；左質量塊(2)的右側與左固定框(3)之間通過第四空腔(104)隔開；左質量塊(2)的下方與左固定框(3)之間通過第七空腔(107)隔開；左固定框⑶與左隔離框⑷之間通過第二空腔(102)隔開； 所述石英振梁加速度計上的右振梁(51)的一端與右質量塊(52)連接，右振梁(51)的另一端與右固定框(53)連接；右質量塊(52)的四個角分別通過第五摺疊梁(57A)、第六摺疊梁(57B)、第七摺疊梁(57C)和第八摺疊梁(57D)與右固定框(53)連接；右固定框(53)通過第四連接臂(56)與右隔離框(54)連接；右隔離框(54)通過第三連接臂(55)與安裝框(IOD)連成一體；右振梁(51)與右質量塊(52)之間通過第十一空腔(115)、第十二空腔(116)隔開；右質量塊(52)的左側與右固定框(53)之間通過第九空腔(113)隔開；右質量塊(52)的右側與右固定框(53)之間通過第十空腔(114)隔開；右質量塊(52)的上方與右固定框(53)之間通過第十三空腔(117)隔開；右固定框(53)與右隔離框(54)之間通過第八空腔(112)隔開。
2.根據權利要求I所述的基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計，其特徵在於左振梁(I)、左質量塊(2)和左固定框(3)構成左傳感頭；右振梁(51)、右質量塊(52)和右固定框(53)構成右傳感頭。
3.根據權利要求I所述的基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計，其特徵在於左振梁(I)的前視面上鍍有左金屬前電極(8)，左振梁(I)的後視面上鍍有左金屬後電極(9);右振梁(51)的前視面上鍍有右金屬前電極(58)，右振梁(51)的後視面上鍍有右金屬後電極(58);左金屬前電極(8)、左金屬後電極(9)、右金屬前電極(58)和右金屬後電極(59)的結構相同。
4.根據權利要求3所述的基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計，其特徵在於左金屬前電極(8)、左金屬後電極(9)、右金屬前電極(58)和右金屬後電極(59)的結構為兩種不同極性的電極構成，中間部分稱為中間電極(801)，所述中間電極(801)的兩側分別是左側電極(802)、右側電極(803);當所述中間電極(801)為正極時，則左側電極(802)、右側電極(803)均為負電極。反之，當所述中間電極(801)為負極時，則左側電極(802)、右側電極(803)均為正電極。
5.根據權利要求I所述的基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計，其特徵在於質量塊的四角採用摺疊梁結構，能夠使質量塊沿石英基片的Y軸方向做同一平面內的運動。
全文摘要
本發明公開了一種基於摺疊梁結構的一體差動式石英振梁加速度計，其振梁上鍍有金屬電極，振梁的一端與質量塊連接，振梁的另一端與固定框連接；質量塊的四個角分別通過四個摺疊梁與固定框連接；固定框通過一連接臂與隔離框連接；隔離框通過另一連接臂與安裝框連成一體。振梁與質量塊之間通過兩個空腔隔開；質量塊的左右兩側與固定框之間通過空腔隔開；摺疊梁與質量塊的上下方和固定框之間通過空腔隔開；固定框與隔離框之間通過空腔隔開。該加速度計是在石英基片上採用常規的溼法腐蝕加工工藝去除構形空腔後得到。本發明設計的加速度計克服了已有技術中兩個差動傳感頭間的機械耦合導致的測量盲區問題。
文檔編號G01P15/097GK102721831SQ201210173100
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月29日 優先權日2012年5月29日
發明者馮麗爽, 周震, 姚保寅, 楊功流, 王文璞, 譚斌 申請人:北京航空航天大學