[发明专利]基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统(以下简称MEMS)中的微惯性传感技术领域，尤其涉及一种基于折叠梁结构的一体差动式的石英振梁加速度计。

背景技术

石英振梁加速度计是一种基于石英力频特性的MEMS惯性传感器，具有成本低、体积小、量程大、灵敏度高、标度因数稳定性好、直接数字输出等优点，可广泛应用于战术导弹姿态控制、惯性导航、大地重力测量、地球资源勘探以及微型机器人中，有着重要的军用价值和民用价值。

基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计是采用MEMS工艺将两个差动结构的传感头一体加工成型，与分体式石英振梁加速度计相比，能够有效隔离外界振动和热应力的影响。目前的一体式石英振梁加速度计(美国发明专利：US6807872 B2)主要以两个单传感头石英振梁加速度计通过装配形成差动式结构。

单传感头一体式石英振梁加速度计是通过再次装配形成差动结构的，因而两个传感头之间有较大的机械耦合，会导致较大的测量盲区。另外，挠性铰链的弹性刚度很大，使质量块在感知加速度计变化时运动幅度和反应灵敏度受到限制，降低了石英振梁加速度计的灵敏度，不易实现高精度的加速度测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计改变了传统石英振梁加速度计的结构，以克服已有技术中两个差动传感头间的机械耦合导致的测量盲区问题，又由于所用的折叠梁结构在石英基片的Y轴上的弹性刚度较小，因此还能有效降低阈值，提高石英振梁加速度计的检测灵敏度，从而实现高精度的加速度测量。

本发明的一种基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计，该加速度计是在一石英基片上加工制得，其特征在于：所述石英振梁加速度计上的左振梁(1)的一端与左质量块(2)连接，左振梁(1)的另一端与左固定框(3)连接；左质量块(2)的四个角分别通过第一折叠梁(7A)、第二折叠梁(7B)、第三折叠梁(7C)和第四折叠梁(7D)与左固定框(3)连接；左固定框(3)通过第二连接臂(6)与左隔离框(4)连接；左隔离框(4)通过第一连接臂(5)与安装框(10D)连成一体；左振梁(1)与左质量块(2)之间通过第五空腔(105)、第六空腔(106)隔开；左质量块(2)的左侧与左固定框(3)之间通过第三空腔(103)隔开；左质量块(2)的右侧与左固定框(3)之间通过第四空腔(104)隔开；左质量块(2)的下方与左固定框(3)之间通过第七空腔(107)隔开；左固定框(3)与左隔离框(4)之间通过第二空腔(102)隔开；

所述石英振梁加速度计上的右振梁(51)的一端与右质量块(52)连接，右振梁(51)的另一端与右固定框(53)连接；右质量块(52)的四个角分别通过第五折叠梁(57A)、第六折叠梁(57B)、第七折叠梁(57C)和第八折叠梁(57D)与右固定框(53)连接；右固定框(53)通过第四连接臂(56)与右隔离框(54)连接；右隔离框(54)通过第三连接臂(55)与安装框(10D)连成一体；右振梁(51)与右质量块(52)之间通过第十一空腔(115)、第十二空腔(116)隔开；右质量块(52)的左侧与右固定框(53)之间通过第九空腔(113)隔开；右质量块(52)的右侧与右固定框(53)之间通过第十空腔(114)隔开；右质量块(52)的上方与右固定框(53)之间通过第十三空腔(117)隔开；右固定框(53)与右隔离框(54)之间通过第八空腔(112)隔开。

本发明基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计的优点在于：

1、本发明的石英振梁加速度计中，采用隔离框与连接臂的结构，能够有效隔离外界振动和热应力对振梁的影响。

2、本发明的石英振梁加速度计中，两个结构相同的差动结构的传感头通过MEMS加工技术一体加工而成，这种一体差动结构可以完全消除两个差动传感头间的机械耦合，消除测量盲区，降低测量误差，提高加速度计的检测精度。

3、本发明的石英振梁加速度计中，质量块的四角采用的折叠梁结构，能够使质量块沿石英基片的Y轴做面内(石英基片平面)运动，这种面内运动方式便于石英振梁加速度计的单片集成和辅助功能的扩展(例如增加微杠杆结构等)，而且折叠梁结构可以进一步隔绝热应力和高频干扰，从而提高了石英振梁加速度计的精度。