本發(fā)明涉及微機(jī)械慣性傳感器研究領(lǐng)域，具體地，涉及一種微機(jī)械慣性傳感器抗溫漂結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

微機(jī)械慣性傳感器由于其體積小、重量輕、功耗低、易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在汽車電子、工業(yè)控制、航空、航天等領(lǐng)域，在軍事領(lǐng)域也具有廣闊的市場(chǎng)前景。然而微機(jī)械慣性傳感器件性能指標(biāo)的穩(wěn)定性問題是阻礙其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸之一，溫度便是影響其穩(wěn)定性的重要影響因素。

微機(jī)械慣性傳感器件溫度穩(wěn)定性較差，究其原因是由于微機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)外界環(huán)境溫度非常敏感，它將影響微結(jié)構(gòu)的彈性模量、結(jié)構(gòu)尺寸、軸向應(yīng)力等，這些參數(shù)的變化會(huì)直接改變慣性傳感器的諧振頻率，特別是在器件封裝、鍵合時(shí)，從基板、粘膠處引入的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，將通過機(jī)械錨點(diǎn)傳入到敏感結(jié)構(gòu)中改變敏感梁的軸向應(yīng)力，從而較大的影響慣性器件的諧振頻率，最終使得微機(jī)械慣性傳感器指標(biāo)穩(wěn)定性差，測(cè)量不準(zhǔn)，綜合精度不高。

目前提高微機(jī)械慣性傳感器溫度穩(wěn)定性的方法也有很多，主要是通過性能指標(biāo)的溫度模型進(jìn)行電路補(bǔ)償、利用恒溫腔進(jìn)行溫度控制以及選用新型材料來降低結(jié)構(gòu)溫度敏感性等方法，這些方法都不能從根源上抑制溫度的影響，而且電路控制復(fù)雜、增加系統(tǒng)功耗；也有采用應(yīng)力緩沖裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化器件溫度穩(wěn)定性的例子，改善效果比較明顯，但是這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、芯片面積較大，同時(shí)存在剛度耦合，影響了器件的系統(tǒng)剛度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種微機(jī)械慣性傳感器抗溫漂結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有的微機(jī)械慣性傳感器溫度穩(wěn)定性控制方法存在的成本高、復(fù)雜，無法從根源上抑制溫度的影響技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了能夠從源頭上抑制溫度變化所導(dǎo)致的梁軸向應(yīng)力改變，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低的技術(shù)效果。

為解決上述技術(shù)問題，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N微機(jī)械慣性傳感器抗溫漂結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于微機(jī)械慣性傳感器中，所述抗溫漂結(jié)構(gòu)包括：

三個(gè)緊固直梁和一個(gè)環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)，其中，三個(gè)緊固直梁的一端分別與微機(jī)械慣性傳感器中的錨點(diǎn)連接，三個(gè)緊固直梁的另一端均與環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)連接，微機(jī)械慣性傳感器中的雙端固支梁一端與環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)連接，雙端固支梁另一端與微機(jī)械慣性傳感器中的敏感質(zhì)量塊連接。

其中，本申請(qǐng)的原理為：當(dāng)微機(jī)械慣性傳感器所處外界環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí)，微機(jī)械結(jié)構(gòu)在器件封裝、鍵合等時(shí)引入的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力變化將由基板通過錨點(diǎn)傳入到緊固直梁上，并傳遞作用在環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)內(nèi)部，環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)將發(fā)生形變并釋放軸向應(yīng)力，此時(shí)雙端固支梁將不受溫度變化引起的軸向應(yīng)力改變的影響；由于均勻分布在環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)的緊固直梁剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙端固支梁剛度，所以緊固直梁在存在軸向拉應(yīng)力或軸向壓應(yīng)力時(shí)，相對(duì)于雙端固支梁來說將不發(fā)生形變，即位移量為零，也就是說，三個(gè)緊固直梁對(duì)環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)還起到限位作用，使軸向應(yīng)力在環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)中得到釋放的同時(shí)環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變形，形變量幾乎為零，即環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)將不與雙端固支梁發(fā)生剛度耦合。從根源上抑制溫度的影響。

進(jìn)一步的，緊固直梁和雙端固支梁均勻分布在環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)四周。這樣設(shè)計(jì)便于受力均勻。

進(jìn)一步的，三個(gè)緊固直梁尺寸一致。

進(jìn)一步的，緊固直梁剛度大于雙端固支梁剛度。

進(jìn)一步的，錨點(diǎn)通過氧化層固定在基片上。

進(jìn)一步的，基片材料為摻雜多晶硅或者玻璃。

進(jìn)一步的，環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)與雙端固支梁不發(fā)生剛度耦合。

進(jìn)一步的，微機(jī)械慣性傳感器中四周分布有多個(gè)抗溫漂結(jié)構(gòu)，多個(gè)抗溫漂結(jié)構(gòu)分別位于微機(jī)械慣性傳感器的四周呈中心對(duì)稱分布。

本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N新的微機(jī)械慣性傳感器抗溫漂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：1、由三個(gè)緊固直梁和一個(gè)環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)組成，其中環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)分別與三個(gè)緊固直梁和一個(gè)雙端固支梁一端連接，緊固直梁和雙端固支梁均勻分布在環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)四周；2、三個(gè)緊固直梁結(jié)構(gòu)尺寸一致，其另一端與錨點(diǎn)連接，錨點(diǎn)固定在襯底上；3、雙端固支梁另一端與敏感質(zhì)量塊連接，控制質(zhì)量塊上下敏感位移量；4、緊固直梁剛度遠(yuǎn)大于雙端固支梁剛度；5、該結(jié)構(gòu)與雙端固支梁不發(fā)生耦合，系統(tǒng)剛度不受影響。

本申請(qǐng)?zhí)峁┑囊粋€(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

本申請(qǐng)中的微機(jī)械慣性傳感器抗溫漂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠從源頭上抑制溫度變化所導(dǎo)致的梁軸向應(yīng)力改變，對(duì)基板向敏感結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的機(jī)械應(yīng)力及熱應(yīng)力成功地隔離、釋放，將大大降低溫度對(duì)器件諧振頻率的影響，提高微機(jī)械慣性傳感器件指標(biāo)的溫度穩(wěn)定性和綜合精度，同時(shí)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不存在系統(tǒng)剛度耦合，尺寸小，沒有復(fù)雜的電路控制問題，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，有利于提高器件良品率，降低生產(chǎn)制造成本。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定；

圖1是微機(jī)械慣性傳感器抗溫漂結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是無抗溫漂結(jié)構(gòu)時(shí)，梁受軸向拉應(yīng)力示意圖；

圖3是無抗溫漂結(jié)構(gòu)時(shí)，梁受軸向壓應(yīng)力示意圖；

圖4是本申請(qǐng)中抗溫漂結(jié)構(gòu)作用時(shí)，結(jié)構(gòu)受軸向拉應(yīng)力示意圖；

圖5是本申請(qǐng)中抗溫漂結(jié)構(gòu)作用時(shí)，結(jié)構(gòu)受軸向壓應(yīng)力示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種微機(jī)械慣性傳感器抗溫漂結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有的微機(jī)械慣性傳感器溫度穩(wěn)定性控制方法存在的成本高、復(fù)雜，無法從根源上抑制溫度的影響技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了能夠從源頭上抑制溫度變化所導(dǎo)致的梁軸向應(yīng)力改變，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低的技術(shù)效果。

為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。需要說明的是，在相互不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述范圍內(nèi)的其他方式來實(shí)施，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。

如圖1所示，以單質(zhì)量塊微機(jī)械慣性傳感器為例說明本發(fā)明，但本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不限于使用在該類型微機(jī)械慣性傳感器結(jié)構(gòu)上，其它類型的微機(jī)械慣性傳感器同樣適用。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微機(jī)械慣性傳感器抗溫漂結(jié)構(gòu)，包括有基片1，其材料可為摻雜多晶硅或者玻璃；基片1上有層較薄的氧化層，氧化層起絕緣隔離及固定作用，錨點(diǎn)2通過氧化層固定在基片1上，氧化層上面是敏感器件層，其材料為重?fù)诫s硅，敏感器件層包括有敏感質(zhì)量3，雙端固支梁4，環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)5，緊固直梁6，各結(jié)構(gòu)通過mems加工工藝制作完成。每一個(gè)抗溫漂結(jié)構(gòu)由三個(gè)緊固直梁6和一個(gè)環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)5組成，緊固直梁6一端通過錨點(diǎn)2被固定在基片1上，另一端連接在環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)5上，雙端固支梁4一端與環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)5連接，另一端與敏感質(zhì)量塊3連接，雙端固支梁4控制著敏感質(zhì)量塊5的敏感位移量，同時(shí)決定著系統(tǒng)的整體剛度。環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)指圖1中抗溫漂結(jié)構(gòu)中間的那個(gè)圓環(huán)(圓環(huán)的自身性質(zhì)決定其可發(fā)生彈性形變)，同時(shí)它與三個(gè)直梁和雙端固支梁相連。

本實(shí)施例給出了四組抗溫漂結(jié)構(gòu)，分別位于敏感器件的四周呈中心對(duì)稱分布，但并不是說本發(fā)明只限于四組結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要可以增減若干組同類單元結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)不受溫度影響時(shí)，即溫度為恒定值，軸向應(yīng)力變化量為0，系統(tǒng)固有諧振頻率為：

其中，k0和m0分別為傳感器系統(tǒng)等效剛度和等效質(zhì)量，e為硅材料的彈性模量，h、b、l分別為梁的高、寬、長(zhǎng)。

當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí)，微機(jī)械結(jié)構(gòu)在器件封裝、鍵合時(shí)引入的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力等將發(fā)生明顯變化，此應(yīng)力的改變將由基板通過錨點(diǎn)傳遞作用到微機(jī)械慣性傳感器敏感梁上，從而改變梁的軸向應(yīng)力值，影響慣性器件的諧振頻率，使得微機(jī)械慣性傳感器指標(biāo)穩(wěn)定性變差，測(cè)量不準(zhǔn)，綜合精度不高。

如圖2所示，為微機(jī)械慣性傳感器無抗溫漂結(jié)構(gòu)時(shí)，梁受軸向拉應(yīng)力示意圖，此時(shí)系統(tǒng)諧振頻率為：

其中，δ為比例系數(shù)，i為梁所受慣性力距，f為微機(jī)械慣性傳感器在外界環(huán)境溫度變化后，梁受到的軸向拉應(yīng)力值，此值大小與外界環(huán)境溫度變化引起的封裝機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力大小有關(guān)。由式(2)可以知道，由于溫度變化的作用，系統(tǒng)諧振頻率將發(fā)生改變，影響器件的靈敏度、零偏等，使得微機(jī)械慣性傳感器指標(biāo)穩(wěn)定性差，測(cè)量不準(zhǔn)，綜合精度不高。

同理，當(dāng)微機(jī)械慣性傳感器無抗溫漂結(jié)構(gòu)，梁由于溫度變化作用受到軸向壓應(yīng)力時(shí)，如圖3所示，此時(shí)系統(tǒng)諧振頻率為：

由式(3)知，由于溫度變化的作用，系統(tǒng)諧振頻率也將發(fā)生改變，影響器件的靈敏度、零偏等，使得微機(jī)械慣性傳感器指標(biāo)穩(wěn)定性差，測(cè)量不準(zhǔn)，綜合精度不高。

圖4，圖5分別為本發(fā)明抗溫漂結(jié)構(gòu)作用時(shí)，結(jié)構(gòu)受軸向拉應(yīng)力和壓應(yīng)力示意圖，當(dāng)微機(jī)械慣性傳感器所處外界環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí)，微機(jī)械結(jié)構(gòu)在器件封裝、鍵合等時(shí)引入的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力變化將由基板1通過錨點(diǎn)2傳入到緊固直梁6上，并傳遞作用在環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)5內(nèi)部，環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)5將發(fā)生形變并釋放軸向應(yīng)力，此時(shí)雙端固支梁4將不受溫度變化引起的軸向應(yīng)力改變的影響；由于均勻分布在環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)5的緊固直梁6剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙端固支梁剛度4，所以緊固直梁6在存在軸向拉應(yīng)力或軸向壓應(yīng)力時(shí)，相對(duì)于雙端固支梁4來說將不發(fā)生形變，即位移量為零，也就是說，三個(gè)緊固直梁6對(duì)環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)5還起到限位作用，使軸向應(yīng)力在環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)5中得到釋放的同時(shí)環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)5基本不發(fā)生變形，形變量幾乎為零，即環(huán)形彈性連接結(jié)構(gòu)5將不與雙端固支梁4發(fā)生剛度耦合。

綜上，當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，基于抗溫漂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的微機(jī)械慣性傳感器系統(tǒng)諧振頻率與式(1)相同，即等于系統(tǒng)固有諧振頻率，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不存在系統(tǒng)剛度耦合，能夠從源頭上抑制溫度變化所導(dǎo)致的敏感梁軸向應(yīng)力改變，對(duì)基板向敏感結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的機(jī)械應(yīng)力及熱應(yīng)力成功地隔離、釋放，將大大降低溫度對(duì)器件諧振頻率的影響，提高微機(jī)械慣性傳感器件指標(biāo)的溫度穩(wěn)定性和綜合精度。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對(duì)這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。