本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)(MEMS)中的硅微加速度慣性傳感器，具體是一種單錨點支撐式硅微諧振式加速度計。

背景技術：

硅微加速度計是一種典型的MEMS(Micro Electromechanical system，微機電系統(tǒng))慣性傳感器，其加工工藝與微電子加工技術兼容，可實現(xiàn)批量生產，具有體積小、重量輕、成本低、能耗低、可靠性高、易于智能化和數(shù)字化，可滿足惡劣環(huán)境應用等特點，是當今加速度計發(fā)展的熱點方向之一，有著重要的軍用價值和廣泛的民用前景。

區(qū)別于一般的電容檢測式加速度計，硅微諧振式加速度計通過檢測諧振頻率變化量獲取輸入加速度的大小。它的基本特征是輸出準數(shù)字信號的頻率信號，易于檢測、抗干擾性好，在傳輸和處理過程中也不易出現(xiàn)誤差。

目前，現(xiàn)有的硅微諧振式加速度計一般由諧振器和質量塊和玻璃基底組成，兩個諧振器尺寸完全相同，且相鄰上下對稱布置，可動結構由多個錨點支撐，但是由于在加工過程中不可能使得諧振器加工的完全對稱，所以材料屬性不匹配和環(huán)境溫度對器件的影響就凸現(xiàn)出來了。硅微諧振式加速度計在加工中廣泛應用錨點鍵合，在錨點鍵合時，環(huán)境溫度要控制在400℃，結構層材料(硅)和基底材料(玻璃)被加熱到400℃左右，由于硅跟玻璃的熱膨脹系數(shù)和熱傳導系數(shù)的差異，在有多個錨點時，任意兩個錨點之間硅與玻璃之間材料屬性的不匹配，就會導致硅材料不能自由地熱脹冷縮，當結構鍵合后被冷卻至室溫時，就會產生較大的殘余應力，殘余應力會通過影響諧振器的力學特性而影響諧振頻率的穩(wěn)定性；此外，在使用環(huán)境中，當溫度變化時，由于材料屬性的不匹配，多錨點式硅微諧振式加速度計也會產生熱應力，導致諧振頻率的漂移，使諧振器有很高的溫度敏感性，也會引起諧振器頻率和品質因數(shù)的變化。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種單錨點支撐式硅微諧振式加速度計。

技術方案：為解決上述技術問題，本發(fā)明的一種單錨點支撐式硅微諧振式加速度計，包括下層玻璃基底，在下層玻璃基底的上表面濺射金屬作為引線層，在玻璃基底和引線層上設有鍵合層，通過鍵合層把硅結構層懸置于玻璃基底之上；整個上層硅結構層的可動結構由唯一的錨點支撐；上層硅微機械結構包括固定支撐框架和兩個上層硅微機械子結構，分別為第一、第二上層硅微機械子結構，第一、第二上層硅微機械子結構沿上層硅微結構層豎直方向排列，并且關于上層硅微機械結構水平軸對稱；第一、第二上層硅微機械子結構形成的差分結構構成一組加速度測量模塊。

其中，結構層的可動結構僅由唯一的錨點支撐，可動結構的唯一錨點位于上層硅微機械結構層的中心位置，固定支撐框架與可動結構的唯一錨點相連，且對稱分布。

其中，固定支撐框架呈“8”字形排列，可動結構的唯一錨點位于固定支撐框架的中心位置。

其中，上層硅微機械子結構包括質量塊、質量塊支撐梁、一級杠桿放大機構以及諧振器子結構，質量塊通過質量塊支撐梁與固定支撐框架相連接，一級杠桿放大機構和諧振器子結構設置于各質量塊端部。

其中，質量塊均為長方形塊狀結構，質量塊支撐梁分為兩組，其中一組質量塊支撐梁安裝在質量塊的一側，而另一組安裝在質量塊的另一側，且該兩組質量塊支撐梁關于質量塊水平中心軸對稱。

其中，一級杠桿放大機構包括輸入梁、杠桿臂、支點梁、輸出梁和杠桿錨區(qū)，其中，支點梁和輸出梁分別設置在杠桿臂的同一端，而杠桿臂的另一端設置輸入梁，且所述輸入梁與輸出梁分別位于杠桿臂的兩側，同時所述支點梁處于輸入梁與輸出梁之間，所述支點梁與杠桿錨區(qū)相連；兩個一級杠桿放大機構分別通過輸入梁與質量塊連接，兩個一級杠桿放大機構位于同一條直線上且兩個一級杠桿放大機構對稱設置，而輸出梁與諧振器子結構的第一連接塊相連；

其中，諧振器子結構包括諧振器端部、諧振器第一連接塊、諧振器第二連接塊、驅動固定梳齒、驅動電極、檢測固定梳齒、檢測電極、可動梳齒、梳齒架以及兩個諧振梁；兩根諧振梁平行排列，且兩個諧振梁的一端通過第一連接塊的一端連接在一起，而第一連接塊的另一端連接到諧振器端部，諧振器端部的另一端與兩個一級杠桿放大機構的輸出梁上，同時兩個諧振梁的另一端通過第二連接塊的一端連接在一起，而第二連接塊的另一端與固定支撐框架相接；所述兩根諧振梁相對的外側均設置有梳齒架，而可動梳齒附加在梳齒架上，檢測固定梳齒附加在檢測電極上，驅動固定梳齒附加在驅動電極上，且可動梳齒分別與驅動固定梳齒、檢測固定梳齒形成電容器。

其中，質量塊支撐梁為折疊梁，其一端與質量塊相接，另一端與固定支撐框架相接；且所述質量塊支撐梁的形變方向與諧振梁振動方向相垂直。

本發(fā)明的原理為，硅結構層由完全分離的兩部分結構組成，形成一組差分結構，上側機械子結構即第一上層硅微機械子結構與下側機械子結構即第二上層硅微機械子結構關于上層硅微機械結構水平軸完全對稱。兩部分結構完全分離，從而隔斷上下諧振器通過質量塊發(fā)生相互作用的通道，消除了上下諧振器之間的耦合；每部分結構都包括質量塊、支撐梁、一級杠桿放大機構、諧振器；每部分結構中質量塊通過四根支撐梁與固定支撐框架相連；諧振器與一級杠桿放大機構位于質量塊的端部，一端連接在杠桿機構的輸出梁上，另一端與固定支撐框架相接；兩個一級杠桿放大機構，其中杠桿機構的輸出梁和支點梁位于杠桿臂的內側，輸入梁位于杠桿臂的外側。整個結構層的可動結構只由唯一的錨點通過鍵合層與基底層相連，使得可動結構可以自由地收縮與膨脹，從而有效抑制了材料屬性不匹配所帶來的影響，消除了鍵合時產生的殘余應力以及環(huán)境變化時的熱應力。

當有加速度輸入時，質量塊把加速度轉化成慣性力，被杠桿機構放大的慣性力施加在諧振器上，導致差分諧振器中的一個諧振器諧振頻率增加，另一個諧振器諧振頻率減小，通過測量兩個諧振器的諧振頻率差就可以得到輸入加速度大小。兩個諧振器尺寸完全相同，且差分布置，可有效抑制共模誤差。

有益效果：本發(fā)明的一種單錨點支撐式硅微諧振式加速度計，相比現(xiàn)有結構，具有以下有益效果：

(1)整個結構層的可動結構只由唯一的錨點通過鍵合層與基底層相連，錨點位于結構層的正中間，與固定支撐框架相連，固定支撐框架與可動結構的唯一錨點相連，從而有效抑制了材料屬性不匹配所帶來的影響，消除了鍵合時產生的殘余應力以及環(huán)境變化時的熱應力。

(2)消除結構層和基底層材料屬性不匹配帶來的影響是通過可動結構僅設有唯一的錨點、結構層中可動結構的各部分通過固定在此錨點的固定支撐框架上來實現(xiàn)的。

(3)結構層的上下兩部分完全分離，并且對稱分布，在全量程范圍內消除了質量塊相連時的上下兩個諧振器的模態(tài)耦合。

(4)一級杠桿放大桿機構中，支點梁和輸出梁位于杠桿臂的同一側(下方或上方)，輸入梁位于杠桿臂的另一側(上方或下方)，在同比例的條件下，提高了放大倍數(shù)；

綜上所述，本發(fā)明提出的單錨點支撐式差分硅微諧振式加速度計，不僅可以有效抑制基底材料和硅材料的材料屬性不匹配所帶來的影響，而且可以消除鍵合時產生的殘余應力以及環(huán)境變化時的熱應力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種單錨點支撐式硅微諧振式加速度計的平面結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的諧振器結構示意圖。

圖中，1a、1b均為質量塊，2a、2b均為諧振器子結構，3a1、3a2、3b1、3b2均為一級杠桿放大機構，4a1、4a2、4b1、4b2均為杠桿臂，5a1、5a2、5b1、5b2均為輸入梁，6a1、6a2、6b1、6b2均為支點梁，7a1、7a2、7b1、7b2均為輸出梁，8a1、8a2、8a3、8a4、8b1、8b2、8b3、8b4均為支撐梁，9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h、9i、9j、9k、9l、9m、9n均為固定支撐框架，10為可動結構的唯一錨點，11a為諧振器第一連接塊，12a1、12a2為諧振梁，13a為檢測電極，14a、15a為梳齒架，16a為驅動電極，17a為可動梳齒，18a為驅動固定梳齒，19a為檢測固定梳齒，20a為諧振器端部，21a為諧振器第二連接塊。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

一種單錨點支撐式硅微諧振式加速度計，如圖1、圖2所示，包括下層玻璃基底，在下層玻璃基底的上表面濺射金屬作為引線層，在玻璃基底和引線層上設有鍵合層，通過鍵合層把硅結構層懸置于玻璃基底之上；整個上層硅結構層的可動結構由唯一的錨點支撐；上層硅微機械結構包括固定支撐框架和兩個上層硅微機械子結構，分別為第一、第二上層硅微機械子結構，第一、第二上層硅微機械子結構沿上層硅微結構層豎直方向排列，并且關于上層硅微機械結構水平軸對稱；第一、第二上層硅微機械子結構形成的差分結構構成一組加速度測量模塊?？蓜咏Y構的唯一錨點位于上層硅微機械結構層的中心位置，固定支撐框架與可動結構的唯一錨點相連，且呈“8”字形排列，可動結構的唯一錨點位于固定支撐框架的中心位置。

上層硅微機械子結構包括質量塊(1a、1b)、質量塊支撐梁(8a1、8a2、8a3、8a4；8b1、8b2、8b3、8b4)、以及諧振器子結構(2a、2b)；所述質量塊(1a、1b)通過質量塊支撐梁(8a1、8a2、8a3、8a4；8b1、8b2、8b3、8b4)與固定支撐框架(9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h、9i、9j、9k、9l、9m、9n)相連接，固定支撐框架(9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h、9i、9j、9k、9l、9m、9n)與可動結構唯一的錨點(10)相連接，所述諧振器子結構(2a、2b)設置于質量塊(1a、1b)端部。

如圖1所示，第一上層硅微機械子結構包括質量塊1a、質量塊支撐梁(8a1、8a2、8a3、8a4)、諧振器子結構2a、兩個一級杠桿放大機構(3a1、3a2)；所述質量塊1a通過質量塊支撐梁(8a1、8a2、8a3、8a4)與固定支撐框架(9i、9j、9n、9a)相連接，所述諧振器子結構2a設置于質量塊1a下端；

如圖1所示，第二上層硅微機械子結構包括質量塊1b、質量塊支撐梁(8b1、8b2、8b3、8b4)、諧振器子結構2b、兩個一級杠桿放大機構(3b1、3b2)；所述質量塊1b通過質量塊支撐梁(8b1、8b2、8b3、8b4)與固定支撐框架(9g、9i、9a、9c)相連接，所述諧振器子結構2b設置于質量塊1b上端。

由上述可知，本發(fā)明的第一、第二上層硅微機械子結構的結構相同，只是其布置方向不一樣。如圖1所示，以上層硅微結構層所在平面平行建立坐標系平面，上層硅微結構層的水平軸為X軸，豎直軸為Y軸，

由于第一、第二硅微機械子結構的結構相同，因此，只需要對其中的一個結構進行說明即可，選擇第一上層硅微機械子結構進行說明，所述質量塊1a為長方形塊狀結構，上層硅微機械子結構包括4個質量塊支撐梁(8a1、8a2、8a8、8a4)，且通過質量塊支撐梁(8a1、8a2、8a8、8a4)將質量塊1a與固定支撐框架(9i、9j、9n、9a)相互連接，且每一個上層硅微機械子結構的所述質量塊支撐梁(8a1、8a2、8a8、8a4)分為兩組，其中一組質量塊支撐梁(8a1、8a4)安裝在質量塊1a的一側，而另一組質量塊支撐梁(8a2、8a3)安裝在質量塊1a的另一側，且該兩組質量塊支撐梁關于質量塊水平中心軸對稱。

第一機械子結構包括諧振子結構2a，圖2為諧振器子結構的示意圖，由于第一、第二上層硅微機械子結構的結構均相同，因此只需說明任意一個第一、第二上層硅微機械子結構的諧振器子結構即可，為便于說明，對第一上層硅微機械子結構的諧振器子結構2a進行說明，所述諧振器子結構包括諧振器端部20a、諧振器第一連接塊11a、諧振器第二連接塊21a、驅動固定梳齒18a、驅動電極16a、檢測固定梳齒19a、檢測電極13a、可動梳齒17a、梳齒架(14a、15a)以及兩個諧振梁(12a1、12a2)；兩根諧振梁(12a1、12a2)平行排列，且兩個諧振梁(12a1、12a2)的一端通過第一連接塊11a的一端連接在一起，而第一連接塊11a的另一端連接到諧振器端部20a，諧振器端部20a的另一端與兩個一級杠桿放大機構(3a1、3a2)的輸出梁(7a1、7a2)上，同時兩個諧振梁(12a1、12a2)的另一端通過第二連接塊21a的一端連接在一起，而第二連接塊21a的另一端與固定支撐框架9l相接；所述兩根諧振梁(12a1、12a2)相對的外側均設置有梳齒架(14a、15a)，而可動梳齒17a附加在梳齒架14a上，檢測固定梳齒19a附加在檢測電極13a上，驅動固定梳齒18a附加在驅動電極16a上，且可動梳齒17a分別與驅動固定梳齒18a、檢測固定梳齒19a形成電容器。

如圖1所示，所述第一機械子結構還包括兩個一級杠桿放大機構(3a1、3a2)，由于兩個一級杠桿放大機構(3a1、3a2)的結構均相同，只是放置方向不同，因此只需說明任意一個即可，為便于說明，對一級杠桿放大機構3a1進行說明。所述一級杠桿放大機構3a1包括輸入梁5a1、杠桿臂4a1、支點梁6a1、輸出梁7a1，其中，支點梁6a1和輸出梁7a1分別設置在杠桿臂4a1的同一端，而杠桿臂4a1的另一端設置輸入梁5a1，且所述輸入梁5a1與輸出梁7a1分別位于杠桿臂4a1的兩側，同時所述支點梁6a1處于輸入梁5a1與輸出梁7a1之間，所述支點梁6a1與固定支撐框架9j相連；兩個一級杠桿放大機構(3a1、3a2)分別通過輸入梁(5a1、5a2)與質量塊1a連接，兩個一級杠桿放大機構(3a1、3a2)位于同一條直線上，且兩個一級杠桿放大機構(3a1、3a2)對稱設置，而輸出梁(7a1、7a2)與諧振器子結構的端部20a相連；

質量塊支撐梁(8a1、8a2、8a3、8a4)采用折疊梁形式，一端與質量塊1a相接，另一端與固定支撐框架(9i、9j、9n、9a)相接；且所述質量塊支撐梁(8a1、8a2、8a3、8a4)的形變方向與諧振梁(12a1、12a2)振動方向相垂直。

工作原理：該加速度計由可動結構的唯一錨點10通過鍵合層把上層硅微結構懸置于玻璃基底的上部，可以實現(xiàn)結構層自由地收縮與膨脹，不僅可以有效抑制基底材料和硅材料的材料屬性不匹配所帶來的影響，而且可以消除鍵合時產生的殘余應力以及環(huán)境變化時的熱應力。同時，兩部分完全分離的子結構組成，互不影響，能夠實現(xiàn)完全解耦。本發(fā)明通過下質量塊1a和上質量塊1b把加速度載荷轉換成慣性力，慣性力作用到杠桿放大機構,經過放大后作用到下諧振器2a和上諧振器2b上，兩個諧振器一個受到拉力，另一個受到壓力，諧振頻率分別增大和減小，根據(jù)頻差獲得加速度載荷的大小。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。