一種聲表面波諧振器型加速度計結構及其測量方法與流程
2023-04-23 19:45:23
本發明涉及傳感技術領域，尤其涉及一種聲表面波諧振器型加速度計結構及其測量方法。
背景技術：
加速度計是一種測量物體運動加速度的傳感裝置，依據其所採用敏感元件的不同，分為電容式、電感式、壓阻式、壓電式、諧振式等。
電容式加速度計利用敏感質量塊與檢測電極間的相對運動導致的電容變化來測定加速度，具有精度高、噪聲和溫度特性好、功耗低、結構簡單等優點，缺點是反應速度慢。
壓阻式加速度計利用設置在懸臂梁應力變化最明顯部位的壓敏元件，檢測因敏感質量塊發生位移時，懸臂梁上應力的變化所產生的壓敏電阻阻值的變化來測定加速度。優點是體積小、低功耗，結構、製作工藝和檢測電路都相對簡單，易於集成在各種模擬和數字電路中。缺點是溫度敏感性大，穩定性差，靈敏度低。
諧振式加速度計利用振梁的力頻特性，通過檢測其諧振頻率的變化量來確定運動加速度的大小，其輸出信號為頻率信號，測量精度高，易於實現數位化，且體積小、重量輕、功耗低。
聲表面波諧振器由製作在壓電基片上的叉指換能器和反射器構成。反射器由兩組反射指陣列構成一個諧振腔，置於諧振腔內適當位置的叉指換能器所激發的聲表面波在兩個反射指陣列之間來回反射、加強而發生諧振，諧振頻率決定於構成叉指換能器和反射器的金屬指的材料參數、結構參數、聲表面波波速等。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供了一種聲表面波諧振器型加速度計結構及其測量方法。
本發明的目的是這樣實現的，一種聲表面波諧振器型加速度計結構，其特徵在於：包括壓電基片、製作於壓電基片上的聲表面波諧振器金屬指和疊加在聲表面波諧振器金屬指之上且與聲表面波諧振器金屬指同形的可浮動的質量載荷指，所述質量載荷指通過製作在聲表面波諧振器金屬指兩端聲表面波諧振器匯流電極上的錨錠支撐在聲表面波諧振器金屬指之上，質量載荷指中部下垂，與其下方的聲表面波諧振器金屬指局部接觸。
所述壓電基片的材料為ST切型石英單晶，或者YZ切型鈮酸鋰單晶。
所述聲表面波諧振器金屬指、匯流電極的材料為鋁、鋁銅合金或者金。
所述質量載荷指的材料為鋁、鋁銅合金、金、二氧化矽或者氮化矽；當質量載荷指的材料為鋁、鋁銅合金或金，錨錠的材料為二氧化矽或氮化矽；當質量載荷指的材料為二氧化矽或者氮化矽，錨錠的材料為鋁、鋁銅合金、金、二氧化矽或者氮化矽。
所述聲表面波諧振器金屬指包括聲表面波諧振器叉指換能器的金屬叉指、聲表面波諧振器反射器的金屬反射指。
所述聲表面波諧振器型加速度計結構包括壓電基片、製作於壓電基片上的聲表面波諧振器金屬指和疊加在聲表面波諧振器金屬指之上且與聲表面波諧振器金屬指同形的可浮動的質量載荷指，所述質量載荷指通過製作在聲表面波諧振器金屬指兩端聲表面波諧振器匯流電極上的錨錠支撐在聲表面波諧振器金屬指之上，質量載荷指中部下垂，與其下方的聲表面波諧振器金屬指局部接觸；
若聲表面波諧振器型加速度計結構作向下的加速運動，上層質量載荷指上浮，質量載荷指與其下方的聲表面波諧振器金屬指部分或全部脫離，質量載荷指對下層的聲表面波諧振器金屬指的壓力減小，聲表面波諧振器金屬指的等效質量因此而減小，聲表面波諧振器諧振頻率向高端偏移；
若聲表面波諧振器型加速度計結構作向上的加速運動，上層質量載荷指下沉，質量載荷指與其下方的聲表面波諧振器金屬指的接觸面增加，對聲表面波諧振器金屬指的壓力增大，聲表面波諧振器金屬指的等效質量因此而增大，聲表面波諧振器諧振頻率向低端偏移；
檢測聲表面波諧振器諧振頻率的偏移量，就可以測定聲表面波諧振器型加速度計結構的運動加速度。
本發明結構合理簡單、方法先進科學，通過本發明，一種聲表面波諧振器型加速度計結構，採用複合指結構的聲表面波諧振器作為加速度敏感元件，複合指結構由常規聲表面波諧振器金屬指和疊加在金屬指之上的同形的可浮動的質量載荷指構成。當加速度計結構作向上或向下的加速運動時，質量載荷指因慣性產生向下或向上的位移，其與下層聲表面波諧振器金屬指的接觸面積和作用力發生變化，聲表面波諧振器金屬指的等效質量因此而發生變化，最終聲表面波諧振器的諧振頻率發生變化，據此可以測量加速度計結構的運動加速度，具體實施步驟如下：
在壓電基片上製作聲表面波諧振器金屬指結構，包括聲表面波諧振器叉指換能器的金屬叉指、聲表面波諧振器反射器的金屬反射指；在聲表面波諧振器匯流電極上製作錨錠；在聲表面波諧振器金屬指上方製作支撐在錨錠之上的質量載荷指，質量載荷指的圖形結構與聲表面波諧振器金屬指的圖形結構同形；
靜態時，質量載荷指中部下垂，與其下方的聲表面波諧振器金屬指局部接觸；
當加速度計結構作向下的加速運動時，上層質量載荷指因慣性上浮，部分或全部脫離下層聲表面波諧振器金屬指，對下層聲表面波諧振器金屬指的壓力減小，下層聲表面波諧振器金屬指的等效質量因此而減小，聲表面波諧振器的諧振頻率向高端偏移。
當加速度計結構作向上的加速運動時，上層質量載荷指因慣性下沉，與下層聲表面波諧振器金屬指的接觸面增加，對下層聲表面波諧振器金屬指的壓力增大，下層聲表面波諧振器金屬指的等效質量因此而增大，聲表面波諧振器的諧振頻率向低端偏移；
通過檢測聲表面波諧振器諧振頻率的偏移量，依據聲表面波諧振器諧振頻率偏移量與加速度計結構所作加速運動的加速度之間的相關關係，確定加速度計結構的運動加速度；
優選的，加速度計結構中的壓電基片材料為溫度特性較好的ST切型石英單晶，以減小環境溫度變化的影響；結構中的下層聲表面波諧振器金屬指、匯流電極和錨錠的材料為鋁、或者鋁銅合金、或者金；結構中的上層質量載荷指的材料為鋁、或者鋁銅合金、或者金等金屬材料，也可以為二氧化矽，或者氮化矽等非金屬材料。
加速度計結構中的壓電基片材料也可為YZ切型鈮酸鋰單晶。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
本發明採用複合指結構的聲表面波諧振器作為加速度敏感元件，所包含的質量載荷指的結構、材料、加工方法與下層聲表面波諧振器金屬指相同或相似，結構新穎，工藝兼容性好，製作方便。
對市場實施可能性和經濟效益預測分析：
目前很多國家都投入了巨大的人力物力對加速度傳感器進行研究，並不斷取得技術上的突破和應用上的拓展。加速度計的最大用戶還是汽車的防撞系統，其次就是手機和筆記本電腦。在消費電子產品中，加速度計更多地被用來檢測跌落前的衝擊，並且提前停止筆記本電腦磁頭的工作以防止碰撞損壞，而隨著手機應用的加入，這一市場還將擴大。
附圖說明
圖1是本發明中的聲表面波諧振器金屬指結構示意圖；
圖2是本發明中的疊加在聲表面波諧振器金屬指之上的質量載荷指結構示意圖；
圖3是本發明中的加速度計結構處於靜態，質量載荷指下垂，局部接觸下層聲表面波諧振器金屬指時的狀態示意圖；
圖4是本發明中的加速度計結構作向上的加速運動時，質量載荷指大部與聲表面波諧振器金屬指相接觸時的狀態示意圖；
圖5是本發明中的加速度計結構作向下的加速運動，質量載荷指部分脫離下層聲表面波諧振器金屬指時的狀態示意圖；
圖6是本發明中的加速度計結構作向下的加速運動，質量載荷指完全脫離下層聲表面波諧振器金屬指時的狀態示意圖。
圖中，1 壓電基片、2 聲表面波諧振器金屬指、21聲表面波諧振器叉指換能器金屬叉指、22 聲表面波諧振器反射器金屬反射指、3 聲表面波諧振器匯流電極、4 質量載荷指、5 錨錠。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的說明。
具體實施例：
如圖1和圖2所示的一種基於聲表面波諧振器的加速度感測結構和方法，其具體實施步驟為：
（1）選用溫度特性較好的ST切型石英單晶材質的壓電基片1；
（2）在壓電基片1上製作鋁質雙端對聲表面波諧振器金屬指2和匯流電極3；
①在壓電基片1上濺射鋁膜；
② 在濺射於壓電基片1表面的鋁膜上塗覆光刻膠；
③ 對塗覆於壓電單晶基片1上鋁膜表面的光刻膠膠膜進行曝光、顯影，形成與聲表面波諧振器金屬指2及其匯流電極3同形的光刻膠膠膜圖形；
④ 腐蝕、去膠，得到鋁質指結構，即得到鋁質雙端對聲表面波諧振器金屬指2和聲表面波諧振器匯流電極3。
（3）在鋁質聲表面波諧振器匯流電極3上製作鋁銅合金錨錠5；
① 在上述鋁質聲表面波諧振器金屬指和匯流電極表面塗覆光刻膠；
② 曝光、顯影僅去除錨錠製作位置的光刻膠膠膜；
③ 濺射覆蓋鋁銅合金厚膜層；
④ 去膠剝離，得到鋁銅合金材質的錨錠5。
（4）在鋁質聲表面波諧振器金屬指2上方製作支撐在錨錠5之上的質量載荷指4，質量載荷指4的圖形結構與鋁質聲表面波諧振器金屬指2的圖形結構同形；
① 在鋁質聲表面波諧振器金屬指2和帶錨錠5的聲表面波諧振器匯流電極3表面塗覆光刻膠；
② 曝光、顯影僅去除錨錠5上表面處的光刻膠膠膜；
③ 濺射覆蓋鋁銅合金厚膜層；
④ 再次塗覆光刻膠；
⑤ 曝光、顯影，形成與鋁質聲表面波諧振器金屬指2同形的質量載荷指4的光刻膠膠膜圖形；
⑥ 腐蝕、去膠釋放，得到兩端固定在錨錠5之上的浮空的鋁銅合金質量載荷指4。
（5）靜態時，鋁銅合金質量載荷指4的中部下垂，與其下方的鋁質聲表面波諧振器金屬指2局部接觸；
（6）當加速度計結構處於向下的加速運動狀態時，上層的鋁銅合金質量載荷指4上浮，部分或全部脫離下層鋁質聲表面波諧振器金屬指2，對下層鋁質聲表面波諧振器金屬指2的壓力減小，下層鋁質聲表面波諧振器金屬指的等效質量因此而減小，聲表面波諧振器的諧振頻率向高端偏移；
（7）當加速度計結構處於向上的加速運動狀態時，上層的鋁銅合金質量載荷指4下沉，與下層鋁質聲表面波諧振器金屬指2的接觸面增加，對下層鋁質聲表面波諧振器金屬指2的壓力增大，下層鋁質聲表面波諧振器金屬指2的等效質量因此而增大，聲表面波諧振器的諧振頻率向低端偏移。
（8）檢測聲表面波諧振器諧振頻率的偏移量，確定加速度計結構的運動加速度。
（9）加速度計結構中壓電基片材料也可以為YZ鈮酸鋰壓電單晶；下層金屬指結構的材料也可以為鋁，或者金；上層質量載荷指結構的材料也可以為鋁，或者金，或者二氧化矽，或者氮化矽。
熟知本領域的人士將理解，雖然這裡為了便於解釋已描述了具體實施例，但是可在不背離本發明精神和範圍的情況下做出各種改變。因此，除了所附權利要求之外，不能用於限制本發明。