一种低温度敏感性谐振式加速度计结构
阅读说明：本技术 一种低温度敏感性谐振式加速度计结构 (Low-temperature sensitivity resonant accelerometer structure ) 是由 高阳 孟琳 刘洋洋 张嘉超 焦良葆 曹雪虹 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低温度敏感性谐振式加速度计结构,包括硅结构层,硅结构层包括敏感质量块、一级杠杆放大机构、方向限定机构、两个双端固定音叉谐振器,两个双端固定音叉谐振器紧邻布置,每个双端固定音叉谐振器的一端均通过一个方向限定机构与一个一级杠杆放大机构,另一端通过一个方向限定机构与一个谐振器锚点连接,敏感质量块通过支撑折叠梁与固定框架,在每个两个固定框架之间设置有整体结构锚点。连接两个双端固定音叉谐振器的一级杠杆放大机构为两类不同形式且对称布置,形成加速度计的差分输出。本发明能够消除加速度信号的交叉敏感性,降低甚至消除工作温度变化引起的加速度计频率漂移,提升加速度计的温度性能。(The invention discloses a low-temperature sensitivity resonant accelerometer structure which comprises a silicon structure layer, wherein the silicon structure layer comprises a sensitive mass block, a primary lever amplification mechanism, a direction limiting mechanism and two double-end fixed tuning fork resonators, the two double-end fixed tuning fork resonators are arranged in a close proximity mode, one end of each double-end fixed tuning fork resonator is connected with one primary lever amplification mechanism through one direction limiting mechanism, the other end of each double-end fixed tuning fork resonator is connected with one resonator anchor point through one direction limiting mechanism, the sensitive mass block is connected with a fixed frame through a supporting folding beam, and an integral structure anchor point is arranged between each two fixed frames. The first-level lever amplification mechanisms connected with the two fixed tuning fork resonators at the two ends are arranged symmetrically in two different forms to form differential output of the accelerometer. The invention can eliminate the cross sensitivity of acceleration signals, reduce and even eliminate the frequency drift of the accelerometer caused by the change of working temperature, and improve the temperature performance of the accelerometer.)
技术领域
本发明涉及微机械电子系统(MEMS)和微惯性器件领域，尤其涉及一种低温度敏感性谐振式加速度计结构。
背景技术
硅微谐振式加速度计是一种典型的MEMS（Micro Electromechanical system，微机电系统）惯性传感器，其加工工艺与微电子加工技术兼容，可实现批量生产，具有体积小、重量轻、成本低、能耗低、可靠性高、易于智能化和数字化，可满足恶劣环境应用等特点，是当今加速度计发展的热点方向之一，有着重要的军用价值和广泛的民用前景。
目前，现有的硅微谐振式加速度计一般由谐振器和质量块和玻璃基底组成，两个谐振器尺寸完全相同，且相邻上下对称布置。由于两谐振器不在相邻位置，导致工作环境变化时，对两谐振器所产生的热应力大小不同，导致两谐振器谐振频率的漂移量不一致，导致无法通过差分法很好地降低甚至消除温度漂移带来的频率变化影响。引起输出谐振频率的漂移，使谐振器有很高的温度敏感性。因此，抑制谐振器温度敏感性才能实现较高的偏置稳定性。如现有技术中申请公布号为CN111812355A公开了一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计，具体公开了双端固定音叉谐振器、微杠杆放大机构、质量块，其结构简单，温度稳定性好，但是其两谐振器不在相邻位置，因所处位置的温度不同而导致两谐振器所产生的热应力大小不同，使得两谐振器谐振频率的漂移量不一致，无法消除温度漂移带来的加速度计频率变化影响。
此外，加速度计谐振器的工作敏感对象为轴向作用力，非轴向力容易引起谐振器的漂移，带来交叉敏感的问题。现有加速度计结构中，尚未有明确的方向限定结构来保证谐振器的单向敏感性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种低温度敏感性谐振式加速度计结构，能够提升加速度计的温度性能，同时能够消除加速度信号的交叉敏感性。
为了达到上述问题，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种低温度敏感性谐振式加速度计结构，包括硅结构层，硅结构层包括敏感质量块、四个方向限定机构、两个双端固定音叉谐振器、两个谐振器锚点、四个支撑折叠梁、四个固定框架和两个整体结构锚点，两个双端固定音叉谐振器位于整体结构中心位置，且关于水平方向中心线对称分布，每个双端固定音叉谐振器的一端均通过一个方向限定机构与第一类一级杠杆放大机构或第二类一级杠杆放大机构相连，另一端通过一个方向限定机构与一个谐振器锚点连接，敏感质量块通过支撑折叠梁与固定框架，在每个两个固定框架之间设置有整体结构锚点。
本发明的进一步改进在于：第一类一级杠杆放大机构和第二类一级杠杆放大机构关于水平方向中心线对称布置。
本发明的进一步改进在于：第一类一级杠杆放大机构的支点梁位于输入梁与输出梁之间。
本发明的进一步改进在于：第二类一级杠杆放大机构的输出梁位于输入梁与支点梁中间。
本发明的进一步改进在于：方向限定机构包括连接块、两个折叠梁机构和两个锚点，每个锚点均通过一个折叠梁机构与连接块连接，且两个折叠梁机构、两个锚点关于连接块对称分布。
本发明的有益效果是：两个双端固定音叉谐振器紧邻布置，可使得两谐振器所处区域的温度一致性更加接近甚至相同，提升两谐振器因工作温度变化所引起频率变化的一致性。通过方向限定机构的设计与布置，消除了加速度信号的交叉敏感性。通过两类形式的一级杠杆放大机构的引入与布置，实现了两个双端固定音叉谐振器的差分输出，结合两谐振器因工作温度变化所引起频率变化的高度致性，降低甚至消除工作温度变化引起的加速度计频率漂移，提升加速度计的温度性能。
附图说明
图1是本发明的硅结构层的结构示意图。
图2是本发明中的第一类一级杠杆放大机构的结构示意图。
图3是本发明中的第二类一级杠杆放大机构的结构示意图。
图4是本发明中的方向限定机构的结构示意图。
图5是本发明中的音叉谐振器机构的结构示意图。
其中：1-敏感质量块、2a-第一类一级杠杆放大机构、2b-第二类一级杠杆放大机构、3a-第一方向限定机构、3b-第二方向限定机构、3c-第三方向限定机构、3d-第四方向限定机构、4a-第一双端固定音叉谐振器、4b-第二双端固定音叉谐振器、5a-第一谐振器锚点、5b-第二谐振器锚点、6a-第一支撑折叠梁、6b-第二支撑折叠梁、6c-第三支撑折叠梁、6d-第四支撑折叠梁、7a-第一固定框架、7b-第二固定框架、7c-第三固定框架、7d-第四固定框架、8a-第一整体结构锚点、8b-第二整体结构锚点、9-第一输入梁、10-第一杠杆臂、11-第一支点梁、12-第一支点梁锚点、13-第一输出梁、14-第二输入梁、15-第二杠杆臂、16-第二支点梁、17-第二支撑梁锚点、18-第二输出梁、19-连接块、20a-第一折叠梁、20b-第二折叠梁、21a-第一锚点、21b-第二锚点、22a-音叉谐振器第一连接端、22b-音叉谐振器第二连接端、23-双端固定音叉梁、24a-第一梳齿架支撑梁、24b-第二梳齿架支撑梁，25a-第一梳齿架，25b-第二梳齿架，26a-第一可动梳齿、26b-第二可动梳齿，27a-第一驱动固定电极、27b-第二驱动固定电极、27c-第三驱动固定电极、27d-第四驱动固定电极，28a-第一驱动固定梳齿，28b-第二驱动固定梳齿，28c-第三驱动固定梳齿，28d-第四驱动固定梳齿，29a-第一检测固定电极、29b-第二检测固定电极、29c-第三检测固定电极、29d-第四检测固定电极，30a-第一检测固定梳齿，30b-第二检测固定梳齿，30c-第三检测固定梳齿，30d-第四检测固定梳齿。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1-5所示，本发明是一种低温度敏感性谐振式加速度计结构，谐振式加速度计包括依次连接的玻璃基底层、引线层、键合层和硅结构层，其中，引线层为金属层，硅结构层包括敏感质量块1、两个一级杠杆放大机构，四个方向限定机构、两个双端固定音叉谐振器、两个谐振器锚点、四个支撑折叠梁、四个固定框架和两个整体结构锚点。其中，四个方向限定机构分为第一方向限定机构3a、第二方向限定机构3b、第三方向限定机构3c和第四方向限定机构3d，每个方向限定机构均包括连接块19，在连接块19两侧对称设置有第一折叠梁20a和第二折叠梁20b，第一折叠梁20a和第二折叠梁20b分别与第一锚点21a和第二锚点21b连接，两个双端固定音叉谐振器分别为第一双端固定音叉谐振器4a和第二双端固定音叉谐振器4b，两个双端固定音叉谐振器紧邻设置在整体结构中心位置，且关于水平方向中心线对称分布，其中一个双端固定音叉谐振器通过方向限定机构连接第一类一级杠杆放大机构2a，另一个双端固定音叉谐振器通过方向限定机构连接第二类一级杠杆放大机构2b实现差分输出，两个谐振器锚点分别为第一谐振器锚点5b和第二谐振器锚点5a。
两个一级杠杆放大机构分别为第一类一级杠杆放大机构2a和第二类一级杠杆放大机构2b，第一类一级杠杆放大机构2a和第二类一级杠杆放大机构2b关于水平方向中心线对称布置。第一类一级杠杆放大机构2a包括第一输入梁9、第一杠杆臂10、第一支点梁11、第一支点梁锚点12和第一输出梁13，第一支点梁11位于第一输入梁9与第一输出梁13中间的第一杠杆臂10上，第一支点梁11与第一支点梁锚点12相连，第一输出梁13与第一方向限定机构3a相连，第一输出梁13与第一方向限定机构3a的连接块19连接。第二类一级杠杆放大机构2b包括第二支点梁16、第二支撑梁锚点17、第二输出梁18、第二输入梁14和第二杠杆臂15，第二支撑梁锚点17与第二支点梁16连接，第二输出梁18位于第二输入梁14与第二支点梁16之间，第二输出梁18与第二方向限定机构3b的连接块19相连。第一输入梁9与第二输入梁14均与敏感质量块1连接。
每个双端固定音叉谐振器均包括双端固定音叉梁23，在双端固定音叉梁23的两端分别设置有音叉谐振器第一连接端22a和音叉谐振器第二连接端22b，第一双端固定音叉谐振器4a的音叉谐振器第一连接端22a与第一方向限定机构3a的连接块19连接，第一双端固定音叉谐振器4a的音叉谐振器第二连接端22b与第四方向限定机构3d连接，第二双端固定音叉谐振器4b的音叉谐振器第一连接端22a与第二方向限定机构3b的连接块19连接，第二双端固定音叉谐振器4b的音叉谐振器第二连接端22b与第三方向限定机构3c连接。第三方向限定机构3c与第二谐振器锚点5a连接，第四方向限定机构3d与第一谐振器锚点5b连接。在双端固定音叉梁23的两侧对称设置有第一梳齿架支撑梁24a和第二梳齿架支撑梁24b，第一梳齿架支撑梁24a和第二梳齿架支撑梁24b分别与第一梳齿架25a和第二梳齿架25b连接，在第一梳齿架25a两端均固定有数个第一可动梳齿26a，在第二梳齿架25b的两端均固定有数个第二可动梳齿26b，在第一梳齿架25a两端的第一可动梳齿26a内侧分别设置有第一检测固定电极29a和第二检测固定电极29b，在第一梳齿架25a两端的第一可动梳齿26a外侧分别设置有第一驱动固定电极27a和第二驱动固定电极27b，在第一检测固定电极29a和第二检测固定电极29b上靠近第一可动梳齿26a的一侧分别附加有第一检测固定梳齿30a和第二检测固定梳齿30b，在第一驱动固定电极27a和第二驱动固定电极27b靠近第一可动梳齿26a的一侧分别设置有数个第一驱动固定梳齿28a和数个第二驱动固定梳齿28b。在第二梳齿架25b的两端的第二可动梳齿26b的内侧分别设置有第三检测固定电极29c和第四检测固定电极29d，在第三检测固定电极29c和第四检测固定电极29d分别设置有第三检测固定梳齿30c和第四检测固定梳齿30d，在第二梳齿架25b的两端的第二可动梳齿26b的外侧分别设置有第三驱动固定电极27c和第四驱动固定电极27d，在第三驱动固定电极27c和第四驱动固定电极27d上分别附加有第三驱动固定梳齿28c和第四驱动固定梳齿28d。
敏感质量块1通过第一支撑折叠梁6a与第一固定框架7a连接，通过第二支撑折叠梁和第二固定框架7b连接，在第一固定框架7a与第二固定框架7b之间设置有第一整体结构锚点8a。敏感质量块1通过第三支撑折叠梁6c与第三固定框架7c连接，通过第四支撑折叠梁6d与第四固定框架7d连接，在第三固定框架7c与第四固定框架7d之间设置有第二整体结构锚点8b。
工作原理：通过敏感质量块1把输入加速度转换成惯性力，惯性力经过一级杠杆放大机构放大后作用到双端固定音叉谐振器上，由于第一类一级杠杆放大机构2a和第二类一级杠杆放大机构2b的使用与布置，使一个音叉谐振器受到拉力，另一个音叉谐振器受到压力，从而使谐振频率分别增大和减小，通过测量频差获得输入线加速度的大小。
以上，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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