专利名称：基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子机械系统(MEMS)和微惯性测量技术领域，特别涉及一种硅微谐振式加速度计。
背景技术：
硅微谐振式加速度计是一种高精度的微型加速度计。区别于一般电容检测式加速度计，硅谐振式加速度计将被测加速度转换为谐振器的频率变化，直接输出数字信号，具有灵敏度和分辨率高、动态范围宽、抗干扰能力强、稳定性好、信号处理方便等优点，使其成为新一代高精度微机械加速度计的发展方向。2005年美国德雷珀实验室研发了一款高精度硅微谐振式加速度计，其实验室的最好性能指标为偏置稳定性0. 19ug，标度因数稳定性 0. 14ppm，噪声水平4. 5ug Hz-172,已达到惯性级导航甚至战略级导航性能指标要求。由于平面(X-Y平面)线性谐振器(双端音叉)，以及平面内电容激励器和信号敏感器具有线性度好、精度高、温度特性好、工艺与常规硅微加工工艺兼容等优点，目前研发大部分为平面式硅微谐振式加速计(可敏感平面X轴或Y轴加速度)。然而，垂直平面的谐振器、电容激励器和信号敏感器，由于其线性度、工艺兼容性等缺陷，导致垂直轴硅微谐振式加速度计很难采用与平面内相同技术实现。极少数采用电磁激励和压阻检测等方式实现的垂直轴硅微谐振式加速度计，也具有工艺兼容性差、精度低、温度特性差等缺陷。另外，从多轴集成的角度，由于工艺不兼容，目前的垂直轴硅微谐振式加速度计很难与平面内硅微谐振式加速度计集成。
发明内容
技术问题针对上述目前存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，采用平面内谐振器、电容激励器和信号敏感器，具有结构简单、紧凑、与平面工艺兼容的垂直轴硅微谐振式加速度计。技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，该加速度计包括第一外部质量块、设置在第一外部质量块内部且与第一外部质量块相连的第一平面谐振器、设置在第一外部质量块右方且与第一外部质量块相连的第二外部质量块、设置在第二外部质量块内部且与第二外部质量块相连的第二平面谐振器；该加速度计还包括设置在第一质量块和第二质量块外表面且分别与第一质量块和第二质量块连接的上扭杆和下扭杆，上扭杆和下扭杆相对设置；还包括与上扭杆连接的第一锚点和与下扭杆连接的第二锚点；第一外部质量块和第二外部质量块外部分别通过上扭杆、下扭杆与第一锚点、第二锚点连接，使该加速度计悬置在玻璃基座之上；第一质量块和第二质量块质量不等。优选的，第一左上平面静电梳齿激励器、第一右上平面静电梳齿激励器、第一右下平面静电梳齿激励器、第一左下平面静电梳齿激励器、第一上平面梳齿电容信号器、第一下平面梳齿电容信号器；该第一谐振器质量块包括相互平行的第一左边线和第二右边线，分别连接第一左边线和第二右边线且相互平行的第三上边线和第四下边线；第一左上支撑梁、第一右上支撑梁、第一右下支撑梁、第一左下支撑梁分别布置在第一左边线和第二右边线外侧且分别与第一左边线和第二右边线的两端相连，其中，第一谐振器质量块分别通过第一左上支撑梁、第一右上支撑梁、第一右下支撑梁、第一左下支撑梁与第一外部质量块相连；第一左上平面静电梳齿激励器、第一右上平面静电梳齿激励器、第一右下平面静电梳齿激励器、第一左下平面静电梳齿激励器分别布置在第三上边线和第四下边线外侧且分别与第三上边线和第四下边线的两端连接；第一上平面梳齿电容信号器、第一下平面梳齿电容信号器分别布置在第一谐振器 质量块外侧且位于第三上边线和第四下边线中间位置；第二平面谐振器包括第二谐振器质量块、第二左上支撑梁、第二右上支撑梁、第二右下支撑梁、第二左下支撑梁、第二左上平面静电梳齿激励器、第二右上平面静电梳齿激励器、第二右下平面静电梳齿激励器、第二左下平面静电梳齿激励器、第二上平面梳齿电容信号器、第二下平面梳齿电容信号器；该第二谐振器质量块包括相互平行的第五左边线和第六右边线，分别连接第五左边线和第六右边线且相互平行的第七上边线和第八下边线；第二左上支撑梁、第二右上支撑梁、第二右下支撑梁、第二左下支撑梁分别设置在第五左边线和第六右边线外侧且分别与第五左边线和第六右边线的两端相连，其中，第二谐振器质量块分别通过第二左上支撑梁、第二右上支撑梁、第二右下支撑梁、第二左下支撑梁与第二外部质量块相连；第二左上平面静电梳齿激励器、第二右上平面静电梳齿激励器、第二右下平面静电梳齿激励器、第二左下平面静电梳齿激励器分别布置在第七上边线和第八下边线外侧且与分别与第七上边线和第八下边线两端相连；第二上平面梳齿电容信号器、第二下平面梳齿电容信号器分别布置在第七上边线和第八下边线的中间位置。优选的，所述平面静电梳齿激励器包括梳齿架，分别设置在梳齿架两侧且与该梳齿架连接的第一梳齿电容、第二梳齿电容，布置在第一梳齿电容另一端且与该第一梳齿电容连接的第一固定基座，布置在第二梳齿电容另一端且与该第二梳齿电容连接的第二固定基座，其中第一梳齿电容、第二梳齿电容为变间距的平板电容；其中，第一梳齿电容和第二梳齿电容的ー个基本梳齿电容激励器单兀包括第一固定梳齿和第二固定梳齿，以及设置在第一固定梳齿和第二固定梳齿之间的活动梳齿；活动梳齿与第一固定梳齿的距离比活动梳齿与第二固定梳齿的距离近；第一固定梳齿和第二固定梳齿的上表面在同一平面，第一固定梳齿和第二固定梳齿的下表面在同一平面；活动梳齿上表面高于第一固定梳齿和第二固定梳齿的上表面，活动梳齿下表面低于第一固定梳齿和第二固定梳齿的下表面。
优选的，所述平面梳齿电容信号器包括梳齿电容，设置在梳齿电容上方且与其连接的固定基座，布置在梳齿电容下方且与其连接的第一谐振器质量块，其中梳齿电容为变面积的平板电容；其中，梳齿电容的ー个基本梳齿电容信号器单元包括活动梳齿、对称布置在活动梳齿两侧的第一固定梳齿和第二固定梳齿，第一固定梳齿和第二固定梳齿的上表面在同一平面，第一固定梳齿和第二固定梳齿的下表面在同一平面；活动梳齿的上表面高于第一固定梳齿和第二固定梳齿的上表面；活动梳齿的下表面高于第一固定梳齿和第二固定梳齿的下表面。有益效果
(I)毋需垂直轴向的谐振器，该垂直轴硅微谐振式加速度计采用平面内谐振器、梳齿电容静电激励器和梳齿电容信号敏感器，结合扭摆式结构实现了垂直轴向输入的加速度的频率测量，结构简単，エ艺兼容。(2)相对于常规的基于机械刚度改变的硅微谐振式加速度计，该垂直轴硅微谐振式加速度计基于静电梳齿电容激励器的负刚度效应实现加速度的频率测量，避免了常规谐振加速计中细长谐振梁的设计、加工等难点，同时降低了应力、温度对其性能的影响。(3)该垂直轴硅微谐振式加速度计的平面式结构特征，与现有的平面内硅微谐振式加速度计加工エ艺兼容，便于实现多轴集成。
图I是本发明基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计结构示意图；图2a是浄电梳齿电容激励器平面不意图；图2b是静电梳齿电容激励器的梳齿截面示意图；图3a是梳齿电容/[目号器平面不意图；图3b是梳齿电容/[目号器的梳齿截面意图；图4是本发明垂直轴硅微谐振式加速度计下层玻璃基座上的引线示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进ー步说明。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。如图I所示，一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，可以测量垂直平面内的输入加速度，包括上层微加速度计结构100和下层玻璃基座200。所述微加速度计结构100键合在玻璃基座200上，玻璃基座上设有信号引线，微加速度计结构上的电极与相应的信号引线连接。所述微加速度计结构100包括第一外部质量块101、设置在第一外部质量块101内部且与第一外部质量块101相连的第一平面谐振器103a、设置在第一外部质量块101右方且与第一外部质量块101相连的第二外部质量块102、设置在第二外部质量块102内部且与第二外部质量块102相连的第二平面谐振器103b ;该加速度计还包括设置在第一质量块101和第二质量块102外表面且分别与第一质量块101和第二质量块102连接的上扭杆105a和下扭杆105b，上扭杆105a和下扭杆105b相对设置；还包括与上扭杆105a连接的第一锚点104a和与下扭杆105b连接的第二锚点104b ;第一外部质量块101和第二外部质量块102外部分别通过上扭杆105a、下扭杆105b与第一锚点104a、第二锚点104b连接，使该加速度计悬置在玻璃基座200之上；第一质量块101和第二质量块102质量不等。第一平面谐振器103a包括第一谐振器质量块107、第一左上支撑梁106a、第一右上支撑梁106b、第一右下支撑梁106c、第一左下支撑梁106d、第一左上平面静电梳齿激励器108a、第一右上平面静电梳齿激励器108b、第一右下平面静电梳齿激励器108c、第一左下平面静电梳齿激励器108d、第一上平面梳齿电容信号器109a、第一下平面梳齿电容信号器109b ;该第一谐振器质量块107包括相互平行的第一左边线129a和第二右边线129c，分别连接第一左边线129a和第二右边线129c且相互平行的第三上边线12%和第四下边线129d ;第一左上支撑梁106a、第一右上支撑梁106b、第一右下支撑梁106c、第一左下支撑梁106d分别布置在第一左边线129a和第二右边线129c外侧且分别与第一左边线129a和第 ニ右边线129c的两端相连，其中，第一谐振器质量块107分别通过第一左上支撑梁106a、第一右上支撑梁106b、第一右下支撑梁106c、第一左下支撑梁106d与第一外部质量块101相连；第一左上平面静电梳齿激励器108a、第一右上平面静电梳齿激励器108b、第一右下平面静电梳齿激励器108c、第一左下平面静电梳齿激励器108d分别布置在第三上边线12%和第四下边线外侧且分别与第三上边线129b和第四下边线129d的两端连接；第一上平面梳齿电容信号器109a、第一下平面梳齿电容信号器109b分别布置在第一谐振器质量块107外侧且位于第三上边线129b和第四下边线129d中间位置。第二平面谐振器103b包括第二谐振器质量块111、第二左上支撑梁110a、第二右上支撑梁110b、第二右下支撑梁110c、第二左下支撑梁110d、第二左上平面静电梳齿激励器112a、第二右上平面静电梳齿激励器112b、第二右下平面静电梳齿激励器112c、第二左下平面静电梳齿激励器112d、第二上平面梳齿电容信号器113a、第二下平面梳齿电容信号器113b ;该第二谐振器质量块111包括相互平行的第五左边线130a和第六右边线130c，分别连接第五左边线130a和第六右边线130c且相互平行的第七上边线130b和第八下边线130d ;第二左上支撑梁110a、第二右上支撑梁110b、第二右下支撑梁110c、第二左下支撑梁IlOd分别设置在第五左边线130a和第六右边线130c外侧且分别与第五左边线130a和第六右边线130c的两端相连，其中，第二谐振器质量块111分别通过第二左上支撑梁110a、第二右上支撑梁110b、第二右下支撑梁1106c、第二左下支撑梁IlOd与第二外部质量块102相连；第二左上平面静电梳齿激励器112a、第二右上平面静电梳齿激励器112b、第二右下平面静电梳齿激励器112c、第二左下平面静电梳齿激励器112d分别布置在第七上边线130b和第八下边线130d外侧且与分别与第七上边线130b和第八下边线130d两端相连；第二上平面梳齿电容信号器113a、第二下平面梳齿电容信号器113b分别布置在第七上边线130b和第八下边线130d的中间位置。谐振器质量块107、111与四个平面静电梳齿激励器108a、108b、108c、108d、112a、112b、112c、112d的梳齿架和两个平面梳齿电容信号器109a、109b、113a、112b的梳齿连接；四个平面静电梳齿激励器的固定基座[114al、114a2、114bl、114b2、114cl、114c2、114dl、114d2、127al、127a2、127bl、127b2、127cl、127c2、127dl、127d2 分别与谐振器质量块 107、Ill构成驱动电容；两个平面梳齿电容信号器的固定基座121a、121b、128a、128b分别与谐振器质量块107、111构成驱动信号提取电容。如图2a所示，所述平面静电梳齿激励器108a包括梳齿架115，分别设置在梳齿架115两侧且与该梳齿架115连接的第一梳齿电容116a、第二梳齿电容116b，布置在第一梳齿电容116a另一端且与该第一梳齿电容116a连接的第一固定基座114al,布置在第二梳齿电容116b另一端且与该第二梳齿电容116b连接的第二固定基座114bl，其中第一梳齿电容116a、第二梳齿电容116b为变间距的平板电容。如图2b所示，所述第一梳齿电容116a和第二梳齿电容116b的ー个基本梳齿电容激励器单元117包括第一固定梳齿118和第二固定梳齿120，以及设置在第一固定梳齿118和第二固定梳齿120之间的活动梳齿119 ;活动梳齿119与第一固定梳齿118的距离比活动梳齿119与第二固定梳齿120的距离近；第一固定梳齿118和第二固定梳齿120的上表面在同一平面，第一固定梳齿118和第二固定梳齿120的下表面在同一平面；活动梳齿119上表面高于第一固定梳齿118和第二固定梳齿120的上表面,活动梳齿119下表面低于第 一固定梳齿118和第二固定梳齿120的下表面。如图3a所示，所述平面梳齿电容信号器109a包括梳齿电容122，设置在梳齿电容122上方且与其连接的固定基座121a，布置在梳齿电容122下方且与其连接的第一谐振器质量块107，其中梳齿电容122为变面积的平板电容。如图3b所示，所述梳齿电容122的ー个基本梳齿电容信号器单元123包括活动梳齿125、对称布置在活动梳齿125两侧的第一固定梳齿124和第二固定梳齿126，第一固定梳齿124和第二固定梳齿126的上表面在同一平面，第一固定梳齿124和第二固定梳齿126的下表面在同一平面；活动梳齿125的上表面高于第一固定梳齿124和第二固定梳齿126的上表面；活动梳齿125的下表面高于第一固定梳齿124和第二固定梳齿126的下表面。如图4所不,所述玻璃基座200包括信号引线和金属娃/玻璃键合点。信号引线包括上下的公共电极引线204a、204b，对称布置在公共电极引线204a、204b左右的谐振器驱动信号提取引线203a、203b、206a、206b，对称安置在谐振器驱动信号提取引线203a、203b,206a,206b 左右的谐振器驱动输入引线 202a、202b、202c、202d、205a、205b、205c、205d，以及布置在对角的地线201a、201b。公共电极引线204a、204b与公共电极锚点键合点210a、210b连接；谐振器驱动信号提取引线203a、203b、206a、206b分别与谐振器驱动信号提取固定基座键合点209a、209b、212a、212b连接；谐振器驱动输入引线202a、202b、202c、202d、205a、205b、205c、205d分别与谐振器驱动梳齿固定基座键合点208al、208a2、208bl、208b2、208cl、208c2、208dl、208d2、211al、211a2、211bl、211b2、211cl、211c2、211dl、211d2连接；地线201a、201b分别与地线键合点207a、207b连接。平面静电梳齿激励器的固定基座 114al、114a2、114bl、114b2、114cl、114c2、114dl、114d2、127al、127a2、127bl、127b2、127cl、127c2、127dl、127d2分别与下层玻璃衬底的对应键合点208al、208a2、208bl、208b2、208cl、208c2、208dl、208d2、211al、211a2、211bl、211b2、211cl、211c2、211dl、211d2相连。平面梳齿电容信号器的固定基座121a、121b、128a、128b与下层玻璃衬底的对应键合点209a、209b、212a、212b相连。上下两个锚点104a、104b分别下层玻璃衬底的对应键合点210a,210b 连接。基于负刚度的垂直轴硅微谐振式加速度计100工作时，在平面静电梳齿激励器108a、108b、108c、108d、112a、112b、112c、112d 的固定基座 114al、114a2、114bl、114b2、114cl、114c2、114dl、114d2、127al、127a2、127bl、127b2、127cl、127c2、127dl、127d2 上施加带直流偏置的交流驱动电压，驱动平面谐振器103a、103b的质量块107、111在y方向作平面简谐振动，其运动方程为
权利要求
1.一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，其特征在于该加速度计(100)包括第一外部质量块(101)、设置在第一外部质量块(101)内部且与第一外部质量块(101)相连的第一平面谐振器(103a)、设置在第一外部质量块(101)右方且与第一外部质量块(101)相连的第二外部质量块(102)、设置在第二外部质量块(102)内部且与第二外部质量块(102)相连的第二平面谐振器(103b)； 该加速度计还包括设置在第一质量块(101)和第二质量块(102)外表面且分别与第一质量块(101)和第二质量块(102)连接的上扭杆(105a)和下扭杆(105b)，上扭杆(105a)和下扭杆(105b)相对设置；还包括与上扭杆(105a)连接的第一锚点(104a)和与下扭杆(105b)连接的第二锚点(104b)； 第一外部质量块(101)和第二外部质量块(102)外部分别通过上扭杆(105a)、下扭杆(105b)与第一锚点(104a)、第二锚点(104b)连接，使该加速度计悬置在玻璃基座(200)之上; 第一质量块(101)和第二质量块(102)质量不等。
2.根据权利要求I所述的基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，其特征在于 第一左上平面静电梳齿激励器(108a)、第一右上平面静电梳齿激励器(108b)、第一右下平面静电梳齿激励器(108c)、第一左下平面静电梳齿激励器(108d)、第一上平面梳齿电容信号器(109a)、第一下平面梳齿电容信号器(109b)； 该第一谐振器质量块(107)包括相互平行的第一左边线(129a)和第二右边线(129c),分别连接第一左边线(129a)和第二右边线(129c)且相互平行的第三上边线(129b)和第四下边线(129d)； 第一左上支撑梁(106a)、第一右上支撑梁(106b)、第一右下支撑梁(106c)、第一左下支撑梁(106d)分别布置在第一左边线(129a)和第二右边线(129c)外侧且分别与第一左边线(129a)和第二右边线(129c)的两端相连，其中，第一谐振器质量块(107)分别通过第一左上支撑梁(106a)、第一右上支撑梁(106b)、第一右下支撑梁(106c)、第一左下支撑梁(106d)与第一外部质量块(101)相连； 第一左上平面静电梳齿激励器(108a)、第一右上平面静电梳齿激励器(108b)、第一右下平面静电梳齿激励器(108c)、第一左下平面静电梳齿激励器(108d)分别布置在第三上边线(129b)和第四下边线外侧且分别与第三上边线(129b)和第四下边线(129d)的两端连接； 第一上平面梳齿电容信号器(109a)、第一下平面梳齿电容信号器(10%)分别布置在第一谐振器质量块(107)外侧且位于第三上边线(12%)和第四下边线(129d)中间位置；第二平面谐振器(103b)包括第二谐振器质量块(111)、第二左上支撑梁(110a)、第二右上支撑梁(110b)、第二右下支撑梁(110c)、第二左下支撑梁(110d)、第二左上平面静电梳齿激励器(112a)、第二右上平面静电梳齿激励器(112b)、第二右下平面静电梳齿激励器(112c)、第二左下平面静电梳齿激励器(112d)、第二上平面梳齿电容信号器(113a)、第二下平面梳齿电容信号器(113b)；该第二谐振器质量块(111)包括相互平行的第五左边线(130a)和第六右边线(130c)，分别连接第五左边线(130a)和第六右边线(130c)且相互平行的第七上边线(130b)和第八下边线(130d)； 第二左上支撑梁(110a)、第二右上支撑梁(110b)、第二右下支撑梁(110c)、第二左下支撑梁(IIOd)分别设置在第五左边线(130a)和第六右边线(130c)外侧且分别与第五左边线(130a)和第六右边线(130c)的两端相连，其中，第二谐振器质量块(111)分别通过第二左上支撑梁(110a)、第二右上支撑梁(110b)、第二右下支撑梁(1106c)、第二左下支撑梁(IlOd)与第二外部质量块(102)相连； 第二左上平面静电梳齿激励器(112a)、第二右上平面静电梳齿激励器(112b)、第二右下平面静电梳齿激励器(112c)、第二左下平面静电梳齿激励器(112d)分别布置在第七上边线(130b)和第八下边线(130d)外侧且与分别与第七上边线(130b)和第八下边线(130d)两端相连；第二上平面梳齿电容信号器(113a)、第二下平面梳齿电容信号器(113b)分别布置在第七上边线(130b)和第八下边线(130d)的中间位置。
3.根据权利要求2所述的基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，其特征在于 所述平面静电梳齿激励器(108a)包括梳齿架(115)，分别设置在梳齿架(115)两侧且与该梳齿架(115)连接的第一梳齿电容(116a)、第二梳齿电容(116b)，布置在第一梳齿电容(116a)另一端且与该第一梳齿电容(116a)连接的第一固定基座(114al)，布置在第二梳齿电容(116b)另一端且与该第二梳齿电容(116b)连接的第二固定基座(114bl)，其中第一梳齿电容(116a)、第二梳齿电容(116b )为变间距的平板电容； 其中，第一梳齿电容(116a)和第二梳齿电容(116b)的一个基本梳齿电容激励器单兀(117)包括第一固定梳齿(118)和第二固定梳齿(120)，以及设置在第一固定梳齿(118)和第二固定梳齿(120)之间的活动梳齿(119);活动梳齿(119)与第一固定梳齿(118)的距离比活动梳齿(119)与第二固定梳齿(120)的距离近； 第一固定梳齿(118)和第二固定梳齿(120)的上表面在同一平面,第一固定梳齿(118)和第二固定梳齿(120)的下表面在同一平面； 活动梳齿(119)上表面高于第一固定梳齿(118)和第二固定梳齿(120)的上表面，活动梳齿(119)下表面低于第一固定梳齿(118)和第二固定梳齿(120)的下表面。
4.根据权利要求2所述的基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，其特征在于 所述平面梳齿电容信号器(109a)包括梳齿电容(122)，设置在梳齿电容(122)上方且与其连接的固定基座(121a)，布置在梳齿电容(122)下方且与其连接的第一谐振器质量块(107)，其中梳齿电容(122)为变面积的平板电容； 其中，梳齿电容(122)的一个基本梳齿电容信号器单元(123)包括活动梳齿(125)、对称布置在活动梳齿(125 )两侧的第一固定梳齿(124 )和第二固定梳齿(126)， 第一固定梳齿(124)和第二固定梳齿(126)的上表面在同一平面,第一固定梳齿(124)和第二固定梳齿(126)的下表面在同一平面；活动梳齿(125)的上表面高于第一固定梳齿(124)和第二固定梳齿(126)的上表面；活动梳齿(125)的下表面高于第一固定梳齿(124)和第二固定梳齿(126)的下表面。
全文摘要
本发明提供了一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，该加速度计(100)包括第一外部质量块(101)、设置在第一外部质量块(101)内部且与第一外部质量块(101)相连的第一平面谐振器(103a)、设置在第一外部质量块(101)右方且与第一外部质量块(101)相连的第二外部质量块(102)、设置在第二外部质量块(102)内部且与第二外部质量块(102)相连的第二平面谐振器(103b)；本发明结构简单、与平面工艺兼容，避免了常规谐振加速计中细长谐振梁的设计、加工等难点，同时降低了应力、温度对加速度计性能的影响，同时其平面式结构特征便于实现多轴集成。
文档编号G01P15/097GK102749479SQ20121020235
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者杨波, 王寿荣, 赵辉 申请人:东南大学
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