[发明专利]基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）和微惯性测量技术领域，特别涉及一种硅微谐振式加速度计。

背景技术

硅微谐振式加速度计是一种高精度的微型加速度计。区别于一般电容检测式加速度计，硅谐振式加速度计将被测加速度转换为谐振器的频率变化，直接输出数字信号，具有灵敏度和分辨率高、动态范围宽、抗干扰能力强、稳定性好、信号处理方便等优点，使其成为新一代高精度微机械加速度计的发展方向。2005年美国德雷珀实验室研发了一款高精度硅微谐振式加速度计，其实验室的最好性能指标为：偏置稳定性0.19ug，标度因数稳定性0.14ppm，噪声水平4.5ug·Hz^-1/2，已达到惯性级导航甚至战略级导航性能指标要求。

由于平面（X-Y平面）线性谐振器（双端音叉），以及平面内电容激励器和信号敏感器具有线性度好、精度高、温度特性好、工艺与常规硅微加工工艺兼容等优点，目前研发大部分为平面式硅微谐振式加速计（可敏感平面X轴或Y轴加速度）。然而，垂直平面的谐振器、电容激励器和信号敏感器，由于其线性度、工艺兼容性等缺陷，导致垂直轴硅微谐振式加速度计很难采用与平面内相同技术实现。极少数采用电磁激励和压阻检测等方式实现的垂直轴硅微谐振式加速度计，也具有工艺兼容性差、精度低、温度特性差等缺陷。另外，从多轴集成的角度，由于工艺不兼容，目前的垂直轴硅微谐振式加速度计很难与平面内硅微谐振式加速度计集成。

发明内容

技术问题：针对上述目前存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，采用平面内谐振器、电容激励器和信号敏感器，具有结构简单、紧凑、与平面工艺兼容的垂直轴硅微谐振式加速度计。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于负刚度效应的垂直轴硅微谐振式加速度计，该加速度计包括第一外部质量块、设置在第一外部质量块内部且与第一外部质量块相连的第一平面谐振器、设置在第一外部质量块右方且与第一外部质量块相连的第二外部质量块、设置在第二外部质量块内部且与第二外部质量块相连的第二平面谐振器；

该加速度计还包括设置在第一质量块和第二质量块外表面且分别与第一质量块和第二质量块连接的上扭杆和下扭杆，上扭杆和下扭杆相对设置；还包括与上扭杆连接的第一锚点和与下扭杆连接的第二锚点；

第一外部质量块和第二外部质量块外部分别通过上扭杆、下扭杆与第一锚点、第二锚点连接,使该加速度计悬置在玻璃基座之上；

第一质量块和第二质量块质量不等。

优选的，第一左上平面静电梳齿激励器、第一右上平面静电梳齿激励器、第一右下平面静电梳齿激励器、第一左下平面静电梳齿激励器、第一上平面梳齿电容信号器、第一下平面梳齿电容信号器；

该第一谐振器质量块包括相互平行的第一左边线和第二右边线，分别连接第一左边线和第二右边线且相互平行的第三上边线和第四下边线；

第一左上支撑梁、第一右上支撑梁、第一右下支撑梁、第一左下支撑梁分别布置在第一左边线和第二右边线外侧且分别与第一左边线和第二右边线的两端相连，其中，第一谐振器质量块分别通过第一左上支撑梁、第一右上支撑梁、第一右下支撑梁、第一左下支撑梁与第一外部质量块相连；

第一左上平面静电梳齿激励器、第一右上平面静电梳齿激励器、第一右下平面静电梳齿激励器、第一左下平面静电梳齿激励器分别布置在第三上边线和第四下边线外侧且分别与第三上边线和第四下边线的两端连接；

第一上平面梳齿电容信号器、第一下平面梳齿电容信号器分别布置在第一谐振器质量块外侧且位于第三上边线和第四下边线中间位置；

第二平面谐振器包括第二谐振器质量块、第二左上支撑梁、第二右上支撑梁、第二右下支撑梁、第二左下支撑梁、第二左上平面静电梳齿激励器、第二右上平面静电梳齿激励器、第二右下平面静电梳齿激励器、第二左下平面静电梳齿激励器、第二上平面梳齿电容信号器、第二下平面梳齿电容信号器；

该第二谐振器质量块包括相互平行的第五左边线和第六右边线，分别连接第五左边线和第六右边线且相互平行的第七上边线和第八下边线；

第二左上支撑梁、第二右上支撑梁、第二右下支撑梁、第二左下支撑梁分别设置在第五左边线和第六右边线外侧且分别与第五左边线和第六右边线的两端相连，其中，第二谐振器质量块分别通过第二左上支撑梁、第二右上支撑梁、第二右下支撑梁、第二左下支撑梁与第二外部质量块相连；