具有溫度應(yīng)力補(bǔ)償和振動(dòng)解耦能力的硅微諧振加速度計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有溫度應(yīng)力補(bǔ)償和振動(dòng)解耦能力的硅微諧振加速度計(jì)，屬于頻 率輸出加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，溫度應(yīng)力及振動(dòng)解耦技術(shù)方向。
【背景技術(shù)】
[0002] 頻率輸出加速度計(jì)的溫度補(bǔ)償技術(shù)是加速度計(jì)設(shè)計(jì)調(diào)試過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。 雙音叉差動(dòng)輸出結(jié)構(gòu)是溫度補(bǔ)償?shù)囊环N有效方式，被各種頻率輸出加速度計(jì)結(jié)構(gòu)所采用 (法國(guó)0NERA，美國(guó)kearfort，Holleywell等）。但這種方式是后續(xù)處理補(bǔ)償方式，每個(gè)單 音叉的諧振頻率仍舊隨著溫度而發(fā)生變化，音叉所感受到的溫度應(yīng)力并沒有消除，問題沒 有從根本上得以解決。
[0003] 在一些文獻(xiàn)中報(bào)道了關(guān)于頻率輸出加速度計(jì)頻率交叉點(diǎn)附近的靈敏度死區(qū)的問 題。原因是兩個(gè)諧振音叉的靈敏度系數(shù)符號(hào)相反，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸相同，所以在量程范圍內(nèi)總 存在一個(gè)加速度載荷點(diǎn)，兩個(gè)諧振音叉的諧振頻率相同。如果兩個(gè)音叉的振動(dòng)未完全解耦， 由于振動(dòng)能量的相互傳遞作用，音叉的諧振頻率在這個(gè)區(qū)域內(nèi)將不再只取決于加速度載荷 的大小，靈敏度相應(yīng)衰減，形成靈敏度死區(qū)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題為：本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種具有溫度應(yīng)力補(bǔ) 償和振動(dòng)解耦能力的硅微諧振加速度計(jì)，解決音叉在高低溫條件下的熱應(yīng)力釋放的問題， 以及兩音叉振動(dòng)耦合產(chǎn)生的靈敏度死區(qū)的問題。
[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)方案為：具有溫度應(yīng)力補(bǔ)償和振動(dòng)解耦能力的硅微諧振加速度 計(jì)，包括：左部A，和右部B兩個(gè)左右對(duì)稱的部分，左部A與右部B能夠獨(dú)立感受加速度的大 小，左部A與右部B的結(jié)構(gòu)相同，并關(guān)于兩部分的聯(lián)接中線對(duì)稱；左部A，右部B這兩部分分 別有各自的質(zhì)量塊相互獨(dú)立，即左部A，右部B這兩部分的質(zhì)量塊互不聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)左右 兩部分的力學(xué)隔離；
[0006] 左部A，包括：諧振音叉（101)，音叉錨點(diǎn)（102)，上杠桿（103)，下杠桿（104)，第一 杠桿懸臂支撐（105)，第一杠桿撓性支點(diǎn)（106)，第一杠桿懸臂支撐錨點(diǎn)（107)，第二杠桿懸 臂支撐（108)，第二杠桿撓性支點(diǎn)（109)，第二杠桿懸臂支撐錨點(diǎn)（110)，質(zhì)量塊（111)，第一 質(zhì)量塊支撐梁（112)，第二質(zhì)量塊支撐梁（113)，第一質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)（114)，第二質(zhì)量塊支 撐錨點(diǎn)（115)，第三質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)（16)，第四質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)（17)，結(jié)構(gòu)襯底（11);
[0007] 諧振音叉（101)的一端通過音叉錨點(diǎn)（102)與結(jié)構(gòu)襯底（11)連接，形成剛性支 撐；諧振音叉（101)的另一端與上杠桿（103)、下杠桿（104)連接，感受經(jīng)過上杠桿（103) 和下杠桿（104)放大的質(zhì)量塊（111)產(chǎn)生的慣性力，上杠桿（103)、下杠桿（104)關(guān)于諧 振音叉（101)的軸線上下對(duì)稱，上杠桿（103)和下杠桿（104)組成的杠桿的靠中間端與諧 振音叉（101)的另一端撓性聯(lián)接，上杠桿（103)和下杠桿（104)組成的杠桿的兩個(gè)遠(yuǎn)端與 質(zhì)量塊（111)撓性連接，上杠桿（103)的桿臂偏諧振音叉（101) -端為第一杠桿撓性支點(diǎn) (106) ，上杠桿（103)與第一杠桿懸臂支撐（105)的一端通過第一杠桿撓性支點(diǎn)（106)連接 在一起，第一杜桿懸臂支撐（105)與諧振音叉（101)平行分布，第一杜桿懸臂支撐（105)的 另一端通過第一杠桿懸臂支撐錨點(diǎn)（107)固定于結(jié)構(gòu)襯底（11);上杠桿（103)與諧振音叉 (101)呈 90° 角；
[0008] 下杠桿（104)桿臂上偏音叉一端為第二杠桿撓性支點(diǎn)（109)，下杠桿（104)與第 二杠桿懸臂支撐（108)的一端通過第二杠桿撓性支點(diǎn)（109)連接在一起，第二杠桿撓性支 點(diǎn)（109)到下杠桿（104)與質(zhì)量塊（111)聯(lián)接端的距離和第二杠桿撓性支點(diǎn)（109)到下杠 桿（104)與諧振音叉（101)的聯(lián)接端的距離的比值為杠桿比，第二杠桿懸臂支撐（108)與 諧振音叉（101)平行分布，第二杠桿懸臂支撐（108)的另一端通過第二杠桿懸臂支撐錨點(diǎn) (110)固定于結(jié)構(gòu)襯底（11);
[0009] 質(zhì)量塊（111)環(huán)繞諧振音叉（101)、音叉錨點(diǎn)（102)、上杠桿（103)、下杠桿（104)、 第一杜桿懸臂支撐（105)、第一杜桿燒性支點(diǎn)（106)、第一杜桿懸臂支撐錨點(diǎn)（107)、第二杜 桿懸臂支撐（108)、第二杠桿撓性支點(diǎn)（109)、第二杠桿懸臂支撐錨點(diǎn)（110);
[0010] 質(zhì)量塊（111)的左右兩側(cè)分別連接第一質(zhì)量塊支撐梁（112)，第二質(zhì)量塊支撐梁 (113)，質(zhì)量塊（111)依靠第一質(zhì)量塊支撐梁（112)，第二質(zhì)量塊支撐梁（113)的作用懸空于 結(jié)構(gòu)襯底（11)之上，第一質(zhì)量塊支撐梁（112)通過第一質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)（114)、第二質(zhì)量塊 支撐錨點(diǎn)（115)與結(jié)構(gòu)襯底（11)固聯(lián)；第二質(zhì)量塊支撐梁（113)通過第三質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn) (16)，第四質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)（17)與結(jié)構(gòu)襯底（11)固聯(lián)。
[0011] 第一杠桿懸臂支撐錨點(diǎn)（107)和音叉錨點(diǎn)（102)均為矩形塊，第一杠桿懸臂支撐 錨點(diǎn)（107)靠近上杠桿（103)的一側(cè)邊緣與音叉錨點(diǎn)（102)遠(yuǎn)離第一杠桿懸臂支撐錨點(diǎn) (107) -側(cè)邊緣平齊；
[0012] 第二杠桿懸臂支撐錨點(diǎn)（110)和音叉錨點(diǎn)（102)均為矩形塊，第二杠桿懸臂支撐 錨點(diǎn)（110)靠近下杠桿（104)的一側(cè)邊緣與音叉錨點(diǎn)（102)遠(yuǎn)離第二杠桿懸臂支撐錨點(diǎn) (110) -側(cè)邊緣平齊，。
[0013] 所述結(jié)構(gòu)襯底（11)采用硅材料。
[0014] 所述質(zhì)量塊（111)與諧振音叉（101)、音叉錨點(diǎn)（102)、上杠桿（103)、下杠桿 (104)、第一杠桿懸臂支撐（105)、第一杠桿撓性支點(diǎn)（106)、第一杠桿懸臂支撐錨點(diǎn)（107)、 第二杠桿懸臂支撐（108)、第二杠桿撓性支點(diǎn)（109)、第二杠桿懸臂支撐錨點(diǎn)（110)在同一 平面內(nèi)。
[0015] 所述第一質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)（114)、第二質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)（115)與質(zhì)量塊（111)的外 沿平齊，使第一質(zhì)量塊支撐梁（112)的兩端和質(zhì)量塊（111)的外沿平齊；
[0016] 所述第三質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)（16)、第四質(zhì)量塊支撐錨點(diǎn)（17)與質(zhì)量塊（111)的外沿 平齊，使第二質(zhì)量塊支撐梁（113)的兩端和質(zhì)量塊（111)的外沿平齊。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0018] (1)本發(fā)明通過左部A和右部B的對(duì)稱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的差動(dòng)測(cè)量，能夠抑制絕 大部分的共模干擾；
[0019] (2)本發(fā)明通過左部A和右部B質(zhì)量塊獨(dú)立支撐的方式隔離了左右兩個(gè)諧振音叉 (101) (201)的振動(dòng)耦合，將兩個(gè)諧振音叉輸出交叉點(diǎn)附近的靈敏度死區(qū)降低到最低；
[0020] (3)本發(fā)明通過第一、第二杠桿懸臂支撐錨點(diǎn)（107) (110)靠近上、下杠桿（103) (104)的一側(cè)邊緣與音叉錨點(diǎn)（102)遠(yuǎn)離第一杠桿懸臂支撐錨點(diǎn)（107) -側(cè)邊緣平齊的方 式實(shí)現(xiàn)了音叉軸向熱應(yīng)變的充分釋放，實(shí)現(xiàn)溫度應(yīng)力補(bǔ)償；
[0021] (4)本發(fā)明通過采用硅材料作為結(jié)構(gòu)襯底（11)，使結(jié)構(gòu)溫度系數(shù)和襯底溫度系數(shù) 始終保持一致，進(jìn)一步解決溫度應(yīng)變釋放的問題，減小熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；
[0022] (5)本發(fā)明設(shè)計(jì)的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)為平面結(jié)構(gòu)，同MEMS結(jié)構(gòu)加工工藝兼容，適合 MEMS儀表低成本批量化的加工特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)總體圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明左部A的具體結(jié)構(gòu)圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明右部B的具體結(jié)構(gòu)圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明中杠桿懸臂支撐的溫度補(bǔ)償原理圖；
[0027] 圖5為本發(fā)明的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 本發(fā)明的基本思路為：具有溫度應(yīng)力補(bǔ)償和振動(dòng)解耦能力的硅微諧振加速度計(jì)， 結(jié)構(gòu)為相互獨(dú)立且關(guān)于中線左右對(duì)稱的A、B兩個(gè)部分，兩個(gè)部分實(shí)現(xiàn)差動(dòng)測(cè)量。每個(gè)部分 的質(zhì)量塊通過各自的質(zhì)量塊支撐梁懸空，感受加速度輸入，產(chǎn)生加速度慣性力。加速度慣性 力通過杜桿的力放大作用放大，并施加到音叉軸向，轉(zhuǎn)化為音叉軸向力，改變音叉的工作振 動(dòng)模態(tài)的等效剛度，音叉的振動(dòng)頻率隨之改變，通過檢測(cè)音叉的諧振頻率的變化可以解調(diào) 出加速度載荷的大小。兩個(gè)差動(dòng)部分的靈敏度系數(shù)符號(hào)相反，頻率變化的差作為加速度計(jì) 的輸出。
[0029] 本發(fā)明具有溫度應(yīng)力補(bǔ)