一種微型差動式全石英諧振加速度計的製作方法

2023-05-05 13:07:01

本發明屬於微型機械電子(MEMS)技術領域，具體涉及一種微型差動式全石英諧振加速度計。

背景技術：

隨著科學技術的進步，加速度計在飛行控制、武器的穩姿穩瞄系統、無人駕駛系統、汽車狀態監測、自動化控制和機械特性檢測等領域有著廣泛多的應用。處於當今這樣一個信息大爆炸的時代，信息獲取的速度和準確度，對整個系統的高精度控制和可靠運轉都起著重要的作用。加速度信號作為其中的重要信息之一，為整個系統提供必需的重要信息，因此加速度計的精度對整個系統的高精度運轉起著舉足輕重的作用。諧振式加速度計具有靈敏度高、帶寬大以及響應速度快等獨特的優勢，能夠滿足對設備系統在線運行狀態監測的要求，對我國的裝備製造業的發展具有重要的意義。目前常用的採用微機電加工的傳感器主要分為壓阻式和電容式。壓阻式傳感器通過具有壓阻效應的電阻和具有一定結構的梁-質量塊來感應加速度，電容式加速度傳感器則是通過改變電容極板的面積或者距離來感應加速度。以上兩種常用的加速度傳感器輸出的均是模擬信號，後處理電路複雜，靈敏度低，存在模數轉換誤差，而且不能直接與高精度的數字系統相結合。相比壓阻式和電容式的加速度傳感器，諧振式加速度傳感器其輸出信號是頻率信號，具有精度高和抗幹擾能力強的優點。目前也有少量的諧振式矽微加速度傳感器，雖然此類傳感器輸出的是數位訊號，由於採用矽材料進行加工，振頻率低、靈敏度差、品質因數Q值低。一部分加速度計也採用了差動的結構，由於結構的複雜性，導致加工工藝繁瑣，加工難度大。總之，現有的加速度計普遍存在模擬輸出，靈敏度低，加工複雜等問題。

技術實現要素：

為了克服上述現有加速度計的缺點，本發明的目的在於提供一種微型差動式全石英諧振加速度計，具有數位訊號輸出、解析度高和抗幹擾性能優良等優點。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種微型差動式全石英諧振加速度計，包括外圍的支撐框架1,支撐框架1與其內部的質量塊2通過敏感方向SA設置的柔性支撐彈簧5-a、5-b、5-c、5-d連接，柔性支撐彈簧每側兩個，對稱布置，在質量塊2的敏感方向SA中軸線部位，開有一對完全貫通的第一空槽4和第二空槽6，第一石英振梁3和第二石英振梁7分別位於第一空槽4和第二空槽6內，第一石英振梁3、第二石英振梁7兩端分別與支撐框架1和質量塊2相連接，且左右對稱，第一石英振梁3和第二石英振梁7上表面布有電極，電極位於質量塊2的敏感方向SA中軸線上，通電之後電極能夠按照預定模態振動，通過質量塊2感應到加速度的輸入，然後通過第一石英振梁3和第二石英振梁7的差動變化頻率，由頻率檢測電路把加速度轉換為電信號，完成對加速度的感應與測量。

所述的第一空槽4和第二空槽6的寬度為500微米以上。

所述的質量塊2與支撐框架1之間有200微米的運動間隙。

所述的第一石英振梁3和第二石英振梁7寬度為80微米，厚度為40微米，長度為2000微米，第一石英振梁3和第二石英振梁7通過幹法刻蝕工藝加工獲得，第一石英振梁3和第二石英振梁7的振動模態相同，頻率相同。

所述的柔性支撐彈簧5每仄線條寬度為35微米，長度為1900微米，厚度為360微米，線條間距為40微米，在敏感方向SA上，柔性支撐彈簧5的剛度小，容易發生形變，在非敏感方向，柔性支撐彈簧5的剛度大，不易發生形變。

本發明的有益效果為：

當加速度作用於加速度計時，質量塊2在慣性力作用下，發生平動，第一石英振梁3和第二石英振梁7發生微弱的變形，構成差動形式。將第一石英振梁3和第二石英振梁7的諧振頻率相減，得到差動頻率變化值，通過檢測差動的頻率變化值就能夠得到加速度的大小。差動的結構形式能夠減少非敏感方向的輸入信號對輸出結果的影響，提高加速度計的抗幹擾能力。由於採用石英作為材料，利用了石英單晶的壓電特性和頻率穩定性高的特性，所以本發明具有體積小，重量小，數位訊號輸出、解析度高和抗幹擾性能優良等優點。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為圖1的A-A截面示意圖。

圖3為圖1的B-B截面示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作詳細說明。

參見圖1、圖2和圖3，一種微型差動式全石英諧振加速度計，包括外圍的支撐框架1,支撐框架1與其內部的質量塊2通過敏感方向SA設置的柔性支撐彈簧5-a、5-b、5-c、5-d連接，柔性支撐彈簧每側兩個，對稱布置，在質量塊2的敏感方向SA中軸線部位，開有一對完全貫通的第一空槽4和第二空槽6，第一石英振梁3和第二石英振梁7分別位於第一空槽4和第二空槽6內，第一石英振梁3、第二石英振梁7兩端分別與支撐框架1和質量塊2相連接，且左右對稱，第一石英振梁3和第二石英振梁7上表面布有電極，電極位於質量塊2的敏感方向SA中軸線上，通電之後電極能夠按照預定模態振動，通過質量塊2感應到加速度的輸入，然後通過第一石英振梁3和第二石英振梁7的差動變化頻率，由頻率檢測電路把加速度轉換為電信號，完成對加速度的感應與測量。

所述的第一空槽4和第二空槽6的寬度為500微米以上。

所述的質量塊2與支撐框架1之間有200微米的運動間隙，當有加速度時，根據牛頓第二定律，質量塊2在慣性力的作用下要產生一定位移，第一石英振梁3和第二石英振梁7發生微弱的變形，這種變形導致這對石英振梁一個受拉，一個受壓，構成差動形式。

所述的第一石英振梁3和第二石英振梁7寬度為80微米左右，厚度為40微米左右，長度為2000微米左右，第一石英振梁3和第二石英振梁7通過幹法刻蝕工藝加工獲得，這樣可以保證第一石英振梁3和第二石英振梁7具有相同的結構尺寸和力頻特性，使第一石英振梁3和第二石英振梁7的差動振動頻率更準確的、客觀的反應加速度的大小。

所述的柔性支撐彈簧5每仄線條寬度為35微米左右，長度為1900微米左右，厚度為360微米左右，線條間距為40微米左右，在敏感方向SA上，柔性支撐彈簧5的剛度小，容易發生形變，使第一石英振梁3和第二石英振梁7能夠靈敏的感受外界施加的加速度，在非敏感方向，柔性支撐彈簧5的剛度大，不易發生形變，有效地減小外界施加的加速度對第一石英振梁3和第二石英振梁7的影響；同時，採用差動頻率的輸出方式，能夠有效地降低交叉靈敏度，加速度計的零漂和溫漂，提高加速度計的性能。

本發明的工作原理是：

石英單晶具有壓電特性，在第一石英振梁3和第二石英振梁7的上表面合理地布置電極，通過外部震蕩電路使第一石英振梁3和第二石英振梁7發生共振。當加速度作用時，質量塊2作為加速度的敏感質量塊，根據牛頓第二定律，當加速度作用於敏感方向SA時，質量塊2在慣性力的作用發生平動，導致位於質量塊2和支撐框架1兩側的柔性支撐彈簧5一側承受壓力，發生壓縮形變，另一側承受拉力，發生拉伸形變，第一石英振梁3和第二石英振梁7發生微弱的變形，這種變形導致這對石英振梁一個受拉，一個受壓，構成差動形式。受力會導致石英振梁的內應力變化，應力的變化致使諧振頻率發生改變，改變的大小與加速度成正比，將第一石英振梁3和第二石英振梁7的諧振頻率相減，得到差動頻率變化值，這一變化通過頻率檢測電路轉化為頻率信號輸出，從而實現傳感器晶片的加速度－頻率信號轉換，完成對加速度的數位化測量。

差動的結構形式能夠減少非敏感方向的輸入信號對輸出結果的影響，提高加速度計的抗幹擾能力。因此本發明採用石英作為材料，利用了石英單晶的壓電特性和頻率穩定性高，具有體積小，重量小，數位訊號輸出、解析度高和抗幹擾性能優良等優點。