帶有溫度隔離結構的矽基石英加速度傳感器的製作方法
2023-05-27 07:24:16
專利名稱：帶有溫度隔離結構的矽基石英加速度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於微機械電子技術領域，具體涉及一種帶有溫度隔離結構的石英加速度傳感器。
背景技術：
目前，以雙端固定石英音叉作為感知單元的加速度傳感器逐漸取得廣泛的應用。這類傳感器具有頻率輸出、信噪比高、容易激勵和測量等優點，可以應用在高精度數字導航系統中。這類加速度傳感器的原理主要是將雙端固定石英音叉粘貼在採用傳統工藝加工的金屬基礎上，該基礎上有撓性梁支撐的質量塊，當加速度施加到傳感器上時，質量塊受慣性力作用產生位移，從而拉或者壓雙端固定石英音叉，改變雙端固定石英音叉的振動頻率，實現對加速度的測量。為了減小傳感器的尺寸，金屬基礎要求足夠小，但這也同時增加了加工工藝的難度。矽作為目前微機械電子系統主要的加工材料，具有精度高、尺寸小、便於大批量生產等優點。為了克服普通石英加速度傳感器金屬基礎的不足，可以用矽作為基礎材料取代金屬。矽可以採用微機械電子相關的工藝加工，這樣就可以減小傳感器的尺寸和加工難度。但是矽晶體和石英晶體的熱膨脹係數差別很大，當溫度發生變化時，會在雙端固定石英音叉內產生熱應力，嚴重幹擾加速度信號的測量。
發明內容
為了克服上述現有雙端固定石英音叉加速度計的缺點，本發明的目的在於提供一種帶有溫度隔離結構的矽基石英加速度傳感器，具有體積小，溫度影響小，數位訊號輸出和解析度高等優點；此傳感器的雙端固定石英音叉貼在矽材料加工的基礎上，基礎帶有溫度隔離結構能夠有效的減小溫度對傳感器的影響。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為帶有溫度隔離結構的矽基石英加速度傳感器，包括矽基I和雙端固定石英音叉4，矽基I上的質量塊3通過兩個撓性梁2與矽基I相連，矽基I表面在撓性梁2同側刻蝕有槽5，槽5的兩端分別與質量塊3上位於撓性梁2 —側的腔體和溫度隔離結構6下方的腔體相連，溫度隔離結構6由固定座7和支撐梁8組成，固定座7通過支撐梁8連接到矽基I上，雙端固定石英音叉4的一端支座9固定在溫度隔離結構6的固定座7上,雙端固定石英音叉4的另一端支座9固定在質量塊3上，雙端固定石英音叉4的兩個叉齒11通過固定端10與支座9相連，叉齒11四周覆有電極。所述的溫度隔離結構6的支撐梁8在DA方向上的長度尺寸小於BA方向上的長度尺寸。所述的支撐梁8採用L型結構，DA方向上的長度尺寸小於BA方向上的長度尺寸。所述的支撐梁8 一端採用L型結構，另一端採用T型結構，DA方向上的長度尺寸小於BA方向上的長度尺寸。所述的槽5的深度、撓性梁2的厚度、支撐梁8的厚度分別和固定座7的厚度相同。
本發明的雙端固定石英音叉4的叉齒11其四周附有電極，可以採用電路激勵振動。當加速度沿敏感方向(SA)作用於由撓性矽梁2支撐的質量塊3時，質量塊受慣性力作用產生位移，從而拉或者壓雙端固定石英音叉4。雙端固定石英音叉4的振動頻率就會發生變化，這種變化可以通過激勵電路檢測出來，實現對加速度信號的感知和測量。本發明的溫度隔離結構要求在雙端固定石英音叉的叉齒11方向(DA)容易移動，同時保證雙端固定石英音叉難於繞撓性梁2支撐軸(BA)彎曲。該傳感器具有頻率輸出，體積小，敏感度高、溫度影響低等優點。
圖1為本發明的結構示意圖。圖2為本發明的矽基I截面示意圖。圖3為本發明的矽基I示意圖。圖4為雙端固定石英音叉4示意圖。圖5為溫度隔離結構6的第二種結構形式。圖6為溫度隔離結構6的第三種結構形式。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的結構與工作原理詳細說明。參見圖1-圖4，帶有溫度隔離結構的矽基石英加速度傳感器，包括矽基I和雙端固定石英音叉4，矽基I上的質量塊3通過兩個撓性梁2與矽基I相連，矽基I表面在撓性梁2同側刻蝕有槽5，槽5的兩端分別與質量塊3撓性梁2 —側的腔體和溫度隔離結構6下方的腔體相連，槽5為雙端固定石英音叉4提供運動和振動空間；溫度隔離結構6由固定座7和支撐梁8組成，固定座7通過支撐梁8連接到矽基I上，雙端固定石英音叉4的一端支座9固定在溫度隔離結構6的固定座7上，雙端固定石英音叉4的另一端支座9固定在質量塊3上，雙端固定石英音叉4的兩個叉齒11通過固定端10與支座9相連，叉齒11四周覆有電極，溫度隔離結構6，能夠保證雙端固定石英音叉沿叉齒11方向(DA)容易移動，同時保證叉齒11不能繞撓性梁2支撐軸(BA)彎曲。所述的溫度隔離結構6的支撐梁8在DA方向上的長度尺寸小於BA方向上的長度尺寸。所述的槽5的深度、撓性梁2的厚度、支撐梁8的厚度分別和固定座7的厚度相同。參見圖5，溫度隔離結構6的支撐梁8採用L型結構，DA方向上的長度尺寸遠小於BA方向上的長度尺寸。參見圖6，溫度隔離結構6的支撐梁8 一端採用L型結構，另一端採用T型結構，DA方向上的長度尺寸遠小於BA方向上的長度尺寸。矽基I的溫度隔離結構6亦可以採用此結構形式。本發明的工作原理是本發明的雙端固定石英音叉4存在逆壓電效應，其四周附有電極，可以採用電路激勵振動。當有加速度沿敏感方向(SA)作用於由撓性矽梁2支撐的質量塊3時，雙端固定石英音叉4產生軸向力。從而雙端固定石英音叉4的振動頻率發生變化，這種變化可以通過電路檢測出來，實現對加速度信號的感知和測量。本發明的溫度隔離結構保證雙端固定石英音叉方向在叉齒11方向(DA)容易移動，同時阻礙叉齒11繞撓性梁2支撐軸(BA)彎曲。這種溫度隔離結構既能減小溫度對檢測信號的影響又能保證傳感器的靈敏度。該傳感器具有頻率輸出，體積小，敏感度高、溫度影響低等優點。
權利要求
1.帶有溫度隔離結構的矽基石英加速度傳感器，其特徵在於，包括矽基(I)和雙端固定石英音叉(4)，矽基(I)上的質量塊(3)通過兩個撓性梁(2)與矽基(I)相連，矽基(I)表面在撓性梁(2)同側刻蝕有槽(5)，槽(5)的兩端分別與質量塊(3)上位於撓性梁(2) —側的腔體和溫度隔離結構(6)下方的腔體相連，溫度隔離結構(6)由固定座(7)和支撐梁(8)組成，固定座(7 )通過支撐梁(8 )連接到矽基(I)上，雙端固定石英音叉(4 )的一端支座(9 )固定在溫度隔離結構(6)的固定座(7)上,雙端固定石英音叉(4)的另一端支座(9)固定在質量塊(3)上，雙端固定石英音叉(4)的兩個叉齒(11)通過固定端(10)與支座(9)相連，叉齒(11)四周覆有電極。
2.根據權利要求1所述的帶有溫度隔離結構的矽基石英加速度傳感器，其特徵在於，所述的溫度隔離結構(6)的支撐梁(8)在DA方向上的長度尺寸小於BA方向上的長度尺寸。
3.根據權利要求1所述的帶有溫度隔離結構的矽基石英加速度傳感器，其特徵在於，所述的支撐梁(8)採用L型結構，DA方向上的長度尺寸小於BA方向上的長度尺寸。
4.根據權利要求1所述的帶有溫度隔離結構的矽基石英加速度傳感器，其特徵在於，所述的支撐梁(8) —端採用L型結構，另一端採用T型結構，DA方向上的長度尺寸小於BA方向上的長度尺寸。
5.根據權利要求1所述的帶有溫度隔離結構的矽基石英加速度傳感器，其特徵在於，所述的槽(5)的深度、撓性梁(2)的厚度、支撐梁(8)的厚度和固定座(7)的厚度相同。
全文摘要
帶有溫度隔離結構的矽基石英加速度傳感器，包括矽基和雙端固定石英音叉，矽基上的質量塊通過兩個撓性梁與矽基相連，矽基表面在撓性梁同側刻蝕有槽，槽的兩端分別與質量塊撓性梁和溫度隔離結構下方的腔體相連，溫度隔離結構由固定座和支撐梁組成，雙端固定石英音叉的一端支座固定在溫度隔離結構的固定座上，雙端固定石英音叉的另一端支座固定在質量塊上，雙端固定石英音叉的兩個叉齒通過固定端與支座相連，叉齒四周覆有電極；當有加速度作用傳感器時，撓性梁支撐的質量塊產生位移，對雙端固定石英音叉拉或者壓，從而改變其振動頻率，石英對加速度的測量；本發明中的溫度隔離結構能夠降低溫度對傳感器靈的影響。
文檔編號G01P15/14GK103063877SQ20121056865
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者趙玉龍, 李村, 饒浩 申請人:西安交通大學