基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计

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。

说明书

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^-1/2， 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一个基本梳齿电容激励器单元包括第 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，梳齿电容的一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：

(1)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，结构简单，工艺兼容。

（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工艺兼容，便于实现多轴集成。

附图说明

图1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是静电梳齿电容激励器平面示意图；

图2b是静电梳齿电容激励器的梳齿截面示意图；

图3a是梳齿电容信号器平面示意图；

图3b是梳齿电容信号器的梳齿截面示意图；

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。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

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1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 110d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110d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[114a1、114a2、114b1、 114b2、114c1、114c2、114d1、114d2、127a1、127a2、127b1、127b2、127c1、 127c2、127d1、127d2分别与谐振器质量块107、111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 114a1，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114b1，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的一个基本梳 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。

如图4所示，所述玻璃基座200包括信号引线和金属硅/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 208a1、208a2、208b1、208b2、208c1、208c2、208d1、208d2、211a1、211a2、 211b1、211b2、211c1、211c2、211d1、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114a1、114a2、114b1、 114b2、114c1、114c2、114d1、114d2、127a1、127a2、127b1、127b2、127c1、 127c2、127d1、127d2分别与下层玻璃衬底的对应键合点208a1、208a2、208b1、 208b2、208c1、208c2、208d1、208d2、211a1、211a2、211b1、211b2、211c1、 211c2、211d1、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114a1、114a2、 114b1、114b2、114c1、114c2、114d1、114d2、127a1、127a2、127b1、127b2、 127c1、127c2、127d1、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：

$m\stackrel{··}{y}+c\stackrel{·}{y}+\mathrm{ky}=F_e---\left(1\right)$

$F_e=\frac{\mathrm{nϵLz}}{2{(d-y)}^2}{(V_d+V_A\sin \mathrm{\omega t})}^2---\left(2\right)$

式中m为质量块质量，c为阻尼系数，k为刚度系数，F_e为静电驱动力，n为梳 齿数，ε为介电常数，L为梳齿重叠面积，d为活动梳齿与较近固定梳齿的间距， y为沿着y方向的驱动位移，z为梳齿沿着z轴方向的重叠厚度，V_d为直流偏置， V_A为交流幅值，ω为交流驱动频率。将F_e展开成泰勒级数为：

$F_e=\frac{\mathrm{nϵLz}}{2}(V_d^2+\frac{V_A^2}{2}+{2V}_d{V}_A\sin \mathrm{\omega t}-\frac{V_A}{2}\cos 2\mathrm{\omega t})(\frac{1}{d^2}+\frac{2}{d^3}y+........)---\left(3\right)$

忽略高次谐波项，则式（1）可写为：

$m\stackrel{··}{y}+c\stackrel{·}{y}+(k-\frac{\mathrm{nϵLz}}{d^3}(V_d^2+\frac{V_A^2}{2}))y=\frac{\mathrm{nϵLz}}{d^2}{V}_d{V}_A\sin \mathrm{\omega t}---\left(4\right)$

可见，变间距的平面静电梳齿激励器108a、108b、108c、108d、112a、112b、 112c、112d具有负刚度效应，将改变平面谐振器103a、103b的有效刚度，即改 变平面谐振器103a、103b的固有频率。

通过平面梳齿电容信号器109a、109b、113a、113b的固定基座121a、121b、 128a、128b将这种平面简谐振动提取出来,然后再将信号通过一定控制环节反馈 给驱动电压,形成闭环自激控制系统,该闭环自激控制系统的频率将锁定在平面 谐振器103a、103b的固有频率。当有沿z轴方向的加速度输入时，由于质量块 101和102质量不相等，质量块101和102将一块通过扭杆105a、105b绕轴AB 转动，引起平面静电梳齿激励器108a、108b、108c、108d、112a、112b、112c、 112d在z方向的重叠面积发生变化，即位移z发生变化，导致式（4）中的负刚 度发生变化，从而引起平面谐振器103a、103b的固有频率发生变化，即平面谐 振器103a、103b的闭环自激谐振频率发生变化。通过平面梳齿电容信号器109a、 109b、113a、113b，的固定基座121a、121b、128a、128b将频率的变化量检查 出来，并进行信号处理，就得到需要测量的输入加速度信号。

由于两个平面谐振器103a、103b沿着轴AB对称分布，且平面静电梳齿激励 器108a、108b、108c、108d、112a、112b、112c、112d的固定梳齿和活动梳齿 不在同一平面内，因此，输入加速度引起的两组平面静电梳齿激励器108a、108b、 108c、108d和112a、112b、112c、112d的重叠厚度z一边增加，一边减少，即 静电负刚度一边增加，一边减少，也就是导致两个平面谐振器103a、103b的闭 环自激谐振频率一个是增加，而另一个是减少，通过将两个平面谐振器频率信号 相减，就可以更加准确地得到沿z轴方向输入加速度的大小。而平面梳齿电容信 号器109a、109b、113a、113b的活动梳齿在z方向的长度比固定梳齿大，因而 不受z轴输入加速度的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方 式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化， 皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。