基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計的製作方法

2023-05-30 08:44:56 2

基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，上層為真空封裝蓋板，下層為襯底，中層單晶矽上製作有加速度計機械結構；加速度計機械結構包括外框架、質量塊、兩個剛度調整組件、兩個測加速度諧振器、兩個測溫諧振器和四個一級槓桿放大機構，測加速度諧振器對稱布置在質量塊的上、下兩端，該兩個測加速度諧振器的一端與外框架相連，另一通過剛度調整組件與左右對稱的一級槓桿放大機構的輸出端相連；各一級槓桿放大機構的支點端均與外框架相連，輸入端分別與質量塊相連；測溫諧振器對稱布置在質量塊的左、右兩側，外框架通過固定基座使機械結構懸空在下層的單晶矽襯底之上。本發明提高了溫度補償的精度，且實時性好、靈敏度高。
【專利說明】基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計
【技術領域】
[0001]本發明屬於微機電系統MEMS中的微慣性傳感器【技術領域】，特別是一種基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計。
【背景技術】
[0002]矽微加速度計是典型的MEMS慣性傳感器，其研究始於20世紀70年代初，現有電容式、壓電式、壓阻式、熱對流、隧道電流式和諧振式等多種形式。矽微諧振梁加速度計的獨特特點是其輸出信號是頻率信號，它的準數字量輸出可直接用於複雜的數字電路，具有很高的抗幹擾能力和穩定性，而且免去了其它類型加速度計在信號傳遞方面的諸多不便，直接與數字處理器相連。目前美國Draper實驗室對諧振式加速度計的研究處於國際領先地位，研究開發的微機械加速度計主要應用於戰略飛彈，零偏穩定性和標度因數穩定性分別達到5yg和3ppm。因此矽微諧振式加速度計具有良好的發展前景。矽振梁加速度計結構一般由諧振梁和敏感質量塊組成，敏感質量塊將加速度轉換為慣性力，慣性力作用於諧振梁的軸向，使諧振梁的頻率發生變化，通過測試諧振頻率推算出被測加速度。
[0003]中國專利I (裘安萍，施芹，蘇巖.矽微諧振式加速度計，南京理工大學，申請號:2008100255749)公開了一種矽振梁加速度計結構，該結構機械結構由質量塊、諧振器和槓桿放大機構等組成，兩個諧振器位於質量塊中間，相鄰對稱布置，質量塊由位於其四角的摺疊梁支撐，提高了結構的穩定性和抗衝擊能力。但是由於加工誤差使得兩個諧振器的諧振頻率並不完全相等，作用在兩個諧振器上的熱應力也不相同，則無法通過差分檢測的方式消除熱應力的影響；而且該結構的兩個諧振器直接與固定基座相連，加工殘餘應力和熱應力對諧振頻率的影響很大；在全溫範圍內的溫度實驗發現，加速度計頻率的溫度係數高達160Hz/°C，標度因數的 溫度係數為0.67%/V ;此外在測試過程中發現該加速度計存在較大的電耦合，當兩個諧振器的諧振頻率相近時，會產生鄰頻幹擾，從而無法識別所作用的加速度信號。
[0004]中國專利2 (裘安萍，施芹，蘇巖.矽微諧振式加速度計，南京理工大學，專利號:201010293127.9)公開了一種矽振梁加速度計的新結構，該結構由上下兩層構成，上層為製作在單晶矽片上的加速度計機械結構，下層為製作在玻璃襯底上的信號引線，機械結構由質量塊、外框架、諧振器、導向機構和槓桿放大機構等組成，質量塊位於結構中間，通過四根軸對稱多折梁與外框架相連，提高了加速度計結構的穩定性和抗衝擊能力，並在一定程度上提高了加速度計的靈敏度。兩個完全相同的諧振器在質量塊上下對稱布置，大大減小電耦合，且兩根諧振梁的中間相連，降低了高階模態的幹擾。諧振器、槓桿、導向機構和質量塊都通過外框架與固定基座相連，減小了加工殘餘應力和工作環境溫度變化產生的熱應力對結構振動頻率的影響。在全溫範圍內的溫度實驗發現，該加速度計頻率的溫度係數從原來結構的160Hz/°C降至24?25Hz/°C，降低了 84.4% ;由於加工誤差以及殘餘應力分布不均勻，兩個諧振器的溫度係數差為3?5Hz/°C，性能試驗表明該加速度計的零偏穩定性優於50 μ g，標度因數穩定性優於lOOppm。由此可見，減小溫度誤差是提高諧振式加速度計精度的關鍵。減小溫度誤差的方法有結構合理設計、優化工藝和溫度補償，其中溫度補償精度受到測溫精度的影響。目前，測溫方法通常採用加速度計內部的鉬電阻或外部的溫度測量，這兩種方法受溫度梯度和溫度延時的影響，且測溫精度不高，從而溫度補償精度不高，無法滿足高精度諧振式加速度計的要求。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於提供一種實時性好、溫度係數低的基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，該矽振梁加速度計靈敏度高、穩定性好、抗衝擊能力強且易於實現高精度測量。
[0006]實現本發明目的的技術解決方案為:一種基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，由上、中、下三層單晶矽構成，上層單晶矽為布置有信號輸入和輸出線的加速度計真空封裝蓋板，下層單晶矽為加速度計的襯底，中層單晶矽上製作有加速度計機械結構，並且加速度計機械結構通過固定基座與下層單晶矽相連；所述加速度計機械結構包括外框架以及位於外框架內的質量塊、兩個剛度調整組件、兩個測加速度諧振器、兩個測溫諧振器和四個一級槓桿放大機構，其中質量塊位於整體結構的中間，第一、二測加速度諧振器對稱布置在質量塊的上、下兩端，該第一測加速度諧振器的上端與外框架相連，第一測加速度諧振器的下端通過第一剛度調整組件與左右對稱的第一、二一級槓桿放大機構的輸出端相連，第二測加速度諧振器的下端與外框架相連，第二測加速度諧振器的上端通過第二剛度調整組件與左右對稱的第三、四一級槓桿放大機構的輸出端相連；各個一級槓桿放大機構的支點端均與外框架相連，各個一級槓桿放大機構的輸入端分別通過一根對應直梁與質量塊相連，質量塊通過四根多折梁與外框架相連；第一、二測溫諧振器對稱布置在質量塊的左、右兩側，該兩個測溫諧振器所在直線與敏感軸向I垂直，各個測溫諧振器的兩端均與外框架相連；外框架通過十二根與質量塊的中心對稱的固定基座使加速度計的機械結構部分懸空在下層的單晶矽襯底部分之上。
[0007]本發明與現有技術相比，其顯著優點為:(1)兩個測溫諧振器位於質量塊左右兩偵牝測溫諧振器提供了加速度計內部的實時溫度；兩個測溫點反映了加速度計結構的溫度梯度，有利於建立較高精度的溫度模型，從而提高了溫度補償的精度；(2) —級槓桿放大機構的輸出端通過剛度調整組件與測加速度諧振器連接，剛度調整組件抑制了加速度計的側向靈敏度，同時剛度調整組件具有的質量特性，提高了加速度計靈敏度；(3) —級槓桿放大機構的輸入端採用細梁結構，降低了加工誤差導致的槓桿力傳遞誤差的放大；剛度調整組件的I方向剛度大，減少了槓桿輸出效率的損耗；(4)使用多個分立的固定基座與外框架相連，有效的減少了幹擾模態，並提高了加速度計結構的穩定性和抗衝擊能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發明基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計的結構示意圖。
[0009]圖2是本發明的諧振器、剛度調整組件和一級槓桿放大機構的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。[0011]本發明基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，採用SOI工藝製備，用於測量平行於基座水平的測量儀器，結合圖1，該基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，由上、中、下三層單晶矽構成，上層單晶矽為布置有信號輸入和輸出線的加速度計真空封裝蓋板，下層單晶矽為加速度計的襯底，中層單晶矽上製作有加速度計機械結構，並且加速度計機械結構通過固定基座與下層單晶矽相連；所述加速度計機械結構包括外框架2以及位於外框架2內的質量塊1，兩個剛度調整組件3a、3b，兩個測加速度諧振器4a、4b，兩個測溫諧振器4c、4d和四個一級槓桿放大機構5a、5b、5c、5d,其中質量塊I位於整體結構的中間，第一、二測加速度諧振器4a、4b對稱布置在質量塊I的上、下兩端，該第一測加速度諧振器4a的上端與外框架2相連，第一測加速度諧振器4a的下端通過第一剛度調整組件3a與左右對稱的第一、二一級槓桿放大機構5a、5b的輸出端相連,第二測加速度諧振器4b的下端與外框架2相連，第二測加速度諧振器4b的上端通過第二剛度調整組件3b與左右對稱的第三、四一級槓桿放大機構5c、5d的輸出端相連,該兩個測加速度諧振器4a、4b的一端均通過外框架2與固定基座6a?6n相連,減小了殘餘應力以及熱應力對諧振器諧振頻率的影響，大大減小頻率的溫度係數；各個一級槓桿放大機構的支點端均與外框架2相連，各個一級槓桿放大機構的輸入端分別通過一根對應直梁與質量塊I相連，質量塊I通過四根用作支撐梁的多折梁7a、7b、7c、7d與外框架2相連，增加了加速度計的穩定性，並提高其抗衝擊能力，且軸對稱的多折梁7a、7b、7c、7d不僅有效地釋放殘餘應力，而且降低了交叉軸靈敏度；第一、二測溫諧振器4c、4d對稱布置在質量塊I的左、右兩側，該兩個測溫諧振器4c、4d所在直線與敏感軸向I垂直，各個測溫諧振器的兩端均與外框架2相連，兩個測溫諧振器4c、4d提供了加速度計內部的實時溫度，兩個測溫點反映了加速度計結構的溫度梯度，有利於建立較高精度的溫度模型，從而提高了溫度補償的精度；外框架2通過十二根與質量塊I的中心對稱的固定基座6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、6j、6k、6m、6n使加速度計的機械結構部分懸空在下層的單晶娃襯底部分之上，多個分立的固定基座6a?6n與外框架相連，可以有效的減少幹擾模態，並提高加速度計結構的穩定性和抗衝擊能力。
[0012]所述兩個測加速度諧振器4a、4b，兩個測溫諧振器4c、4d，四個一級槓桿放大機構5a、5b、5c、5d和四根多折梁7a、7b、7c、7d均通過外框架2與對應位置的固定基座相連，大大減小了加工殘餘應力以及環境變化產生的熱應力對加速度計性能的影響；所述四根多折梁7a、7b、7c、7d是軸對稱結構，在x方向具有很大的剛度，而在y方向剛度較小。
[0013]結合圖2，本發明的測加速度諧振器、剛度調整組件和一級槓桿放大機構的具體結構如下:
[0014](I)兩個測加速度諧振器4a、4b和兩個測溫諧振器4c、4d的結構相同，每個測加速度諧振器由兩根諧振梁17a、17b,兩個固定驅動電極14a、14b,四個固定檢測電極15a、15b、15c、15d以及活動梳齒16組成，其中兩根諧振梁17a、17b的中間部分相連，減小了幹擾模態，採用雙邊驅動，在兩根諧振梁17a、17b的兩側布置活動梳齒16，在活動梳齒16的外側布置固定驅動電極14a、14b，活動梳齒16的內側布置四個固定檢測電極15a、15b、15c、15d，活動梳齒16與固定驅動電極14a、14b上的固定梳齒對插形成驅動電容，在固定驅動電極14a、14b上施加帶直流偏置的反相交流電壓，活動梳齒16與固定檢測電極15a、15b、15c、15d上的固定梳齒對插形成檢測電容。
[0015](2)兩個剛度調整組件3a、3b結構相同，每個剛度調整組件均由懸臂梁8和剛性構件9組成，剛度調整組件3a、3b具有的質量特性提高了加速度計靈敏度，且其y方向剛度很大，可以有效地將槓桿輸出的慣性力傳遞給諧振梁；
[0016](3)四個一級槓桿放大機構5a、5b、5c、5d的結構相同，每個一級槓桿放大機構由槓桿13、支點端11、輸入端10和輸出端12組成，其中支點端11、輸入端10和輸出端12均採用細梁結構，可以降低加工誤差導致的槓桿力傳遞誤差的放大，且經過合理設計可以使得力放大倍數接近槓桿放大機構的理想值；所述一級槓桿放大機構5a、5b、5c、5d的輸出端12均通過剛度調整組件與測加速度諧振器相連，剛度調整組件3a、3b的懸臂梁8兩端均與外框架2相連，在X方向具有很大的剛度，而在y方向剛度較小，較好地隔離了 X方向運動對諧振器的影響。
[0017]本發明基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計用於測量y方向的輸入加速度，當有沿I方向的加速度a輸入時，在質量塊Hi1上產生慣性力F1=Hiia,該慣性力分別作用於四個一級槓桿放大機構上，在剛性構件m2上產生慣性力F2=m2a，在槓桿及小質量塊的作用下，作用於諧振器每根諧振梁上的作用力為:
【權利要求】
1.一種基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，其特徵在於:由上、中、下三層單晶矽構成，上層單晶矽為布置有信號輸入和輸出線的加速度計真空封裝蓋板，下層單晶矽為加速度計的襯底，中層單晶矽上製作有加速度計機械結構，並且加速度計機械結構通過固定基座與下層單晶矽相連；所述加速度計機械結構包括外框架(2)以及位於外框架(2)內的質量塊(I)、兩個剛度調整組件(3a、3b)、兩個測加速度諧振器(4a、4b)、兩個測溫諧振器(4c、4d)和四個一級槓桿放大機構(5a、5b、5c、5d),其中質量塊(I)位於整體結構的中間，第一、二測加速度諧振器(4a、4b)對稱布置在質量塊(I)的上、下兩端，該第一測加速度諧振器(4a)的上端與外框架(2)相連，第一測加速度諧振器(4a)的下端通過第一剛度調整組件(3a)與左右對稱的第一、二一級槓桿放大機構(5a、5b)的輸出端相連，第二測加速度諧振器(4b)的下端與外框架(2)相連，第二測加速度諧振器(4b)的上端通過第二剛度調整組件(3b)與左右對稱的第三、四一級槓桿放大機構(5c、5d)的輸出端相連；各個一級槓桿放大機構的支點端均與外框架(2)相連，各個一級槓桿放大機構的輸入端分別通過一根對應直梁與質量塊(I)相連，質量塊(I)通過四根多折梁(7a、7b、7c、7d)與外框架(2)相連；第一、二測溫諧振器(4c、4d)對稱布置在質量塊(I)的左、右兩側，該兩個測溫諧振器(4c、4d)所在直線與敏感軸向I垂直，各個測溫諧振器的兩端均與外框架(2)相連；外框架(2)通過十二個與質量塊(I)的中心對稱的固定基座(6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、6j、6k、6m、6n)使加速度計的機械結構部分懸空在下層的單晶矽襯底部分之上。
2.根據權利要求1所述基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，其特徵在於:所述兩個剛度調整組件(3a、3b)結構相同，每個剛度調整組件均由懸臂梁(8)和剛性構件(9)組成。
3.根據權利要求1所述基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，其特徵在於:所述兩個測加速度諧振器(4a、4b)、兩個測溫諧振器(4c、4d)、四個一級槓桿放大機構(5a、5b、5c、5d)和四根多折梁(7a、7b、7c、7d)均通過外框架(2)與對應位置的固定基座相連。
4.根據權利要求1所述基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，其特徵在於:所述四個一級槓桿放大機構(5a、5b、5c、5d)的結構相同，每個一級槓桿放大機構由槓桿(13)、支點端(11)、輸入端(10)和輸出端(12)組成，其中支點端(11)、輸入端(10)和輸出端(12)均採用細梁結構。
5.根據權利要求1所述基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，其特徵在於:所述兩個測加速度諧振器(4a、4b)的結構相同，每個測加速度諧振器(4a、4b)由兩根諧振梁(17a、17b)、兩個固定驅動電極(14a、14b)、四個固定檢測電極(15a、15b、15c、15d)以及活動梳齒(16)組成，其中兩根諧振梁(17a、17b)的中間部分相連，採用雙邊驅動，即在兩根諧振梁(17a、17b)的兩側布置活動梳齒(16)，在活動梳齒(16)的外側布置固定驅動電極(14a、14b)，活動梳齒(16)的內側布置四個固定檢測電極(15a、15b、15c、15d)，活動梳齒(16 )與固定驅動電極(14a、14b )上的固定梳齒對插形成驅動電容、活動梳齒(16 )與固定檢測電極(15a、15b、15c、15d)上的固定梳齒對插形成檢測電容。
6.根據權利要求1所述基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，其特徵在於:所述四根多折梁(7a、7b、7c、7d)是軸對稱結構。
7.根據權利要求4所述基於片式集成高精度測溫結構的矽振梁加速度計，其特徵在於:所述一級槓桿放大機構(5a、5b、5c、5d)的輸出端(12)均通過剛度調整組件與測加速度諧振器相連，剛度調 整組件(3a、3b)的懸臂梁(8)兩端均與外框架(2)相連。
【文檔編號】G01P15/125GK103439529SQ201310398892
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2013年9月4日
【發明者】夏國民, 裘安萍, 施芹, 張晶, 蘇巖, 丁衡高 申請人:南京理工大學