四梁結(jié)構(gòu)石英諧振傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本實用新型涉及諧振傳感器，具體涉及四梁結(jié)構(gòu)石英諧振傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，高精度、高分辨率的數(shù)字化加速度測量方法已經(jīng)得到越來越廣泛的發(fā)展，在中高精度的高速數(shù)字導(dǎo)航系統(tǒng)、重力測量學(xué)、巡航導(dǎo)彈、自主水下導(dǎo)航等方面有廣泛的應(yīng)用前景。此類加速度計輸出的是頻率信號，沒有數(shù)模轉(zhuǎn)換帶來的精度損失，能夠與高精度數(shù)字測量系統(tǒng)相結(jié)合。目前常用的采用微機電系統(tǒng)加工的傳感器主要分為壓阻式和電容式。壓阻式傳感器通過具有壓阻效應(yīng)的電阻和具有一定結(jié)構(gòu)的梁一質(zhì)量塊來感應(yīng)加速度，電容式加速度傳感器則是通過改變電容極板的面積或者距離來感應(yīng)加速度。以上兩種常用的加速度傳感器輸出的均是模擬信號，后處理電路復(fù)雜，靈敏度低，存在模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差，而且不能直接與高精度的數(shù)字系統(tǒng)相結(jié)合。目前也有少量的諧振式硅微加速度傳感器，雖然此類傳感器輸出的是數(shù)字信號，但是存在諧振頻率低、靈敏度差等問題，同時結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大，成本高?？傊?，現(xiàn)有的加速度計普遍存在模擬輸出，靈敏度低，加工復(fù)雜等問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提高諧振傳感器的靈敏度，目的在于提供四梁結(jié)構(gòu)石英諧振傳感器。
[0004]本實用新型的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):四梁結(jié)構(gòu)石英諧振傳感器，包括玻璃襯底、位于玻璃襯底上表面的硅基支撐，硅基支撐開有一個矩形孔洞，在該矩形孔洞中央設(shè)置有壓塊，壓塊通過四個懸臂梁分別與矩形孔洞的四個面連接使得壓塊懸空設(shè)置，壓塊下方設(shè)置有金屬電極，壓塊的上端面的面積小于下端面面積，壓塊的下端面面向金屬電極，壓塊的上端面設(shè)置有第二硅凸臺，壓塊的上端面平行于硅基支撐的上端面，硅基支撐的上端面設(shè)置有第一硅凸臺，第一硅凸臺和第二硅凸臺上均設(shè)置有石英塊，兩個石英塊之間設(shè)置有2根平行的諧振梁。
[0005]本實用新型將傳統(tǒng)的壓塊的結(jié)構(gòu)進行變換，使得壓塊的上端面的面積小于下端面的面積，使得壓塊的下端面的面積增大，保證壓塊能充分與金屬電極接觸，提高靈敏度。本實用新型的兩個石英塊存在逆壓電效應(yīng)，當(dāng)電極兩面有電荷交替變化時，兩個石英塊之間的諧振梁就會出現(xiàn)振動，其振動頻率受石英塊、諧振梁結(jié)構(gòu)形狀的影響。當(dāng)加速度作用于芯片時，懸臂梁支撐的壓塊在慣性力作用下移動微小的位移。由于石英塊被固定，一個石英塊與質(zhì)量塊連接，所以兩個石英塊與諧振梁組成的結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形，這種彎曲變形導(dǎo)致其諧振頻率發(fā)生改變，改變的大小與加速度成正比，從而通過檢測諧振梁的諧振頻率就能夠得到加速度的大小。第一硅凸臺和第二硅凸臺能夠防止硅基支撐對振動的干擾；因此本發(fā)明采用石英塊和2個諧振梁作為敏感材料，基底支撐為硅，故而具有頻率輸出，體積小，敏感度高以及品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點。石英塊和2個諧振梁組成諧振結(jié)構(gòu)。
[0006]優(yōu)選的，所述金屬電極與壓塊下端面之間有3微米的運動間隙，本實用新型減小運動間隙，進一步可以提高靈敏度。壓塊與玻璃襯底之間有3微米的運動間隙，當(dāng)有加速度作用于芯片時，根據(jù)牛頓第二定律，壓塊在慣性力的作用下要產(chǎn)生一定的位移，從而諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲變形導(dǎo)致其頻率的改變。
[0007]優(yōu)選的，兩根諧振梁之間有10微米的運動間隙。該運動間隙設(shè)置子啊10微米，進一步可以提尚靈敏度。
[0008]優(yōu)選的，第一硅凸臺和第二硅凸臺的上端面高出硅基支撐的上端面40至50微米。這樣能更好的防止硅面對諧振結(jié)構(gòu)諧振的阻礙，使諧振結(jié)構(gòu)的振動頻率更客觀的反應(yīng)加速度的大小。
[0009]優(yōu)選的，壓塊的橫切面的形狀呈等腰梯形，該等腰梯形的下底邊長于上底邊，下底邊面向金屬電極。設(shè)置金屬電極，可以防止靜電鍵合時加速度壓塊與玻璃襯底之間的靜電吸附。
[0010]優(yōu)選的，所述諧振梁表面四周設(shè)置有電極。通電之后能夠按照預(yù)定模態(tài)振動。兩根諧振梁的振動方向相反。
[0011 ]優(yōu)選的，所述懸臂梁和壓塊的中軸線重合。
[0012]優(yōu)選的，所述金屬電極的厚度為100微米。
[0013]優(yōu)選的，所述懸臂梁采用厚度Imm至5mm的長條型件。
[0014]本發(fā)明的工作原理是:加速度作用于傳感器芯片時，壓塊作為傳感器加速度的敏感質(zhì)量塊。根據(jù)牛頓第二定律，當(dāng)加速度作用于壓塊時，由于慣性力的作用，壓塊會產(chǎn)生一定的位移，進而使諧振結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，該形變導(dǎo)致石英梁的諧振頻率發(fā)生變化，這一變化通過頻率檢測電路轉(zhuǎn)化為頻率信號輸出，從而實現(xiàn)傳感器芯片的加速度一頻率信號轉(zhuǎn)換，完成對加速度的數(shù)字化測量。
[0015]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果:具有體積小，重量小，高靈敏度，數(shù)字信號輸出和分辨率高的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0016]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本實用新型實施例的限定。在附圖中:
[0017]圖1為本實用新型俯視結(jié)構(gòu)不意圖。
[0018]圖2為本實用新型側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為諧振結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]附圖中標(biāo)記及對應(yīng)的零部件名稱:
[0021]1、石英塊;2、第一硅凸臺；3、懸臂梁;4、第二硅凸臺；5、硅基支撐;6、壓塊;7、玻璃襯底;8、金屬電極;9、諧振梁。
【具體實施方式】
[0022]為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明，本實用新型的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本實用新型，并不作為對本實用新型的限定。實施例
[0023]如圖1至圖3所示，本實用新型的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):四梁結(jié)構(gòu)石英諧振傳感器，包括玻璃襯底7、位于玻璃襯底上表面的硅基支撐5，硅基支撐開有一個矩形孔洞，在該矩形孔洞中央設(shè)置有壓塊6，壓塊6通過四個懸臂梁3分別與矩形孔洞的四個面連接使得壓塊懸空設(shè)置，壓塊下方設(shè)置有金屬電極8，壓塊的上端面的面積小于下端面面積，壓塊的下端面面向金屬電極，壓塊的上端面設(shè)置有第二硅凸臺4，壓塊的上端面平行于硅基支撐的上端面