硅微諧振式加速度計的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種微型機(jī)電系統(tǒng)，具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)等特點，是結(jié)合機(jī)械、電子、控制技術(shù)為一體的機(jī)電一體化設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]國內(nèi)對于硅微諧振式加速度計的研究工作起步于2000年左右。盡管處于起步階段北京大學(xué)、清華大學(xué)、南京理工大學(xué)等多家單位以及研究所正在致力于這方面的研究，并不斷地取得研究成果，具有很好的發(fā)展前景。
[0003]目前在理論研究方面，重慶大學(xué)和中國工程物理研究所進(jìn)行了兩級杠桿放大裝置的研究，放大倍數(shù)達(dá)102倍，并給出了仿真驗證，靈敏度為52Hz/g ;北京航空航天大學(xué)利用ISIGHT軟件，采用遺傳算法對杠桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；實現(xiàn)的放大倍數(shù)為9.67。在已報道的樣品方面，天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室等單位開發(fā)的諧振式加速度計靈敏度為2Hz/g ;北京大學(xué)微電子實驗室發(fā)表了關(guān)于使用體硅加工工藝制成樣品的相關(guān)論文，其靈敏度為27.3Hz/g，分辨率為0.1678mg。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]I) DETF諧振器的設(shè)計與分析
主要包括對DETF諧振器的理論推導(dǎo)與仿真分析。理論部分包括:建立了諧振梁的固有頻率、有軸向力作用時的諧振頻率以及諧振梁的非線性振動的理論模型，并采用FEA進(jìn)行了理論模型的仿真驗證。對電學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)分析，論述了其驅(qū)動檢測方式，并推導(dǎo)了其等效電學(xué)模型。仿真部分包括對DETF諧振器的模態(tài)分析和靜電驅(qū)動仿真分析。
[0005]2)微杠桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析
結(jié)合工藝條件分析、設(shè)計并優(yōu)化了微杠桿結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用的微杠桿結(jié)構(gòu)主要包括支點、輸入端、杠桿、輸出端和杠桿與諧振器的連接部分。根據(jù)力平衡和力矩平衡原理推導(dǎo)了微杠桿的放大倍數(shù)，并對其進(jìn)行了理論分析。通過仿真驗證微杠桿結(jié)構(gòu)的各個組成部分對放大倍數(shù)的影響，實現(xiàn)對微杠桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
[0006]3)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與仿真驗證
結(jié)合性能指標(biāo)和加工工藝邊界條件對硅微諧振式加速度計整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。針對加速度計的核心指標(biāo)進(jìn)行分析，主要包括標(biāo)度因數(shù)、線性度、量程、噪聲和帶寬，結(jié)合設(shè)計要求進(jìn)行加速度計的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。運(yùn)用ANSYS、MATLAB等仿真軟件進(jìn)行仿真驗證，并完成版圖的繪制工作。論文中設(shè)計的加速度計的諧振頻率為28194Hz，標(biāo)度因數(shù)為95Hz/g，量程為±50g，線性度為0.099%，帶寬為3624.5Hz，結(jié)構(gòu)噪聲等效的加速度約為0.087mg。
[0007]4)加工工藝引起的誤差分析
分析了硅微諧振式加速度計的加工工藝引起的誤差。主要包括:DETF結(jié)構(gòu)尺寸不等，厚度不等，梳齒間距不等，彈性系統(tǒng)不對稱。根據(jù)分析可知，除了依賴工藝條件的改善，還需要合理優(yōu)化設(shè)計彈性系統(tǒng)以及諧振梁等關(guān)鍵部分來減低加工工藝誤差對加速度計性能的影響。
【附圖說明】
[0008]圖1是DETF諧振器閉環(huán)驅(qū)動回路。
【具體實施方式】
[0009]硅微諧振式加速度計工作機(jī)理與傳統(tǒng)的振梁式加速度計類似，利用了振梁的力頻特性，通過頻率變化量的測量獲取載體的加速度。硅微諧振式加速度計結(jié)構(gòu)的主要組成部分，包括雙端固定音叉(DETF)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、杠桿放大結(jié)構(gòu)、質(zhì)量塊和支撐系統(tǒng)等。
[0010]質(zhì)量塊在加速度作用下產(chǎn)生慣性力，該慣性力經(jīng)微杠桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一定倍數(shù)的放大，隨后傳遞到DETF諧振器上，使得DETF諧振梁的頻率發(fā)生變化，通過檢測諧振頻率變化量即可得到加速度值。為降低干擾，提高測量精度，諧振器結(jié)構(gòu)采用兩個對稱分布的DETF結(jié)構(gòu)。當(dāng)有加速度輸入時，兩個對稱分布的DETF分別受到張力和壓力，它們的諧振頻率分別增大和減小。經(jīng)過信號差分處理，可得到它們的差動頻率。在一定輸入加速度范圍內(nèi)，差動頻率值與輸入加速度值成正比關(guān)系。
【主權(quán)項】
1.一種新型硅微諧振式加速度計，其導(dǎo)體單晶硅的雜質(zhì)濃度極低，設(shè)計靈活性高，MEMS傳感器尺寸小、工藝廉價。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于新型硅微諧振式加速度計，其特征在于，所述硅微諧振式加速度計導(dǎo)體單晶硅的雜質(zhì)濃度極低，是一種理想的彈性結(jié)構(gòu)材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型硅微諧振式加速度計，其特征在于，基于電容的諧振器的靜電驅(qū)動和檢測比壓電石英技術(shù)具有更大的設(shè)計靈活性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型硅微諧振式加速度計，其特征在于，MEMS傳感器固有的小尺寸特性使緊湊的再入結(jié)構(gòu)型慣性測量器件(MU)的發(fā)展成為可能，并且具有廉價的特性，這為硅微諧振式加速度計的快速商業(yè)化的實現(xiàn)提供了可能。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型的硅微諧振式加速度計，其特征在于：除具備傳統(tǒng)英諧振式傳感器的特性外，還有雜質(zhì)濃度低、更大的設(shè)計靈活性、輸出信號為頻率信號，具有精度高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。其導(dǎo)體單晶硅的雜質(zhì)濃度極低，設(shè)計靈活性高，MEMS傳感器尺寸小、工藝廉價。所述硅微諧振式加速度計導(dǎo)體單晶硅的雜質(zhì)濃度極低，是一種理想的彈性結(jié)構(gòu)材料?；陔娙莸闹C振器的靜電驅(qū)動和檢測比壓電石英技術(shù)具有更大的設(shè)計靈活性。MEMS傳感器固有的小尺寸特性使緊湊的再入結(jié)構(gòu)型慣性測量器件(IMU)的發(fā)展成為可能,并且具有廉價的特性，這為硅微諧振式加速度計的快速商業(yè)化的實現(xiàn)提供了可能。
【IPC分類】G01P15-097
【公開號】CN104698221
【申請?zhí)枴緾N201310657426
【發(fā)明人】孫寶恒
【申請人】孫寶恒
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2013年12月9日