[发明专利]基于微型力矩器的石英挠性加速度计及其制造方法

说明书

本发明公开了一种基于微型力矩器的石英挠性加速度计及其制造方法，该加速度计包括石英挠性摆片，所述石英挠性摆片的上下侧均依次放置有永磁薄膜、电容极板和硅基线圈，从而使得所述石英挠性加速度计形成为以石英挠性摆片为对称中心、上下两侧对称的推挽式结构，整个加速度计呈扁平形状。该制造方法包括以下步骤：S1.微纳加工制备石英挠性摆片；S2.制备多极充磁的永磁薄膜；S3.微纳加工制备电容极板；S4.微纳加工制备硅基线圈；S5.集成石英挠性摆片、永磁薄膜、电容极板和硅基线圈从而形成加速度计。本发明能够缓解现有石英挠性加速度计中温度漂移问题，同时实现了器件制备与微纳工艺相兼容，有利于促进我国高精度、小型化的石英挠性加速度计的研制。

技术领域

本发明属于微纳传感器技术领域，具体涉及一种基于微型力矩器的石英挠性加速度计及其制造方法。

背景技术

石英挠性加速度计作为国际上主流的工程应用加速度计，广泛应用于航天、航空、武器的导航和控制系统中。

传统的石英挠性加速度计包括上轭铁组件-石英摆组件-下轭铁组件三部分。上、下轭铁组件由磁钢、磁极帽和轭铁等零件组成，构成闭环磁路，提供气隙磁场；石英组件由石英摆片和粘结在双侧的力矩线圈组成。由于其轭铁组件零件繁多、关键结构件（石英摆片）和热源（力矩线圈）直接接触等原因，导致加速度计体积庞大、制备工艺周期长、温度漂移难以抑制等问题，限制了加速度计量程、精度和体积等各方面性能的协同提升。

2007年浙江大学宋开臣课题组直接在石英摆片双面光刻螺旋线圈，并使用该通电线圈代替磁钢提供磁场。2019年专利CN 109164273 A公开了一种基于硅基线圈的挠性加速度计，采用硅基线圈代替原有漆包线绕制线圈并用线圈垫块固定石英摆片两侧。上述两种结构虽然在一定程度上提升了器件稳定性，但均没有解决因关键结构件（石英摆片）和热源（力矩线圈）的接触导致的温度漂移问题；此外，两种结构的制备仍无法实现与微纳工艺的兼容。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于微型力矩器的石英挠性加速度计及其制造方法。

一种基于微型力矩器的石英挠性加速度计，所述加速度计包括石英挠性摆片，所述石英挠性摆片的上下侧均依次放置有永磁薄膜、电容极板和硅基线圈，从而使得所述石英挠性加速度计形成为以石英挠性摆片为对称中心、上下两侧对称的推挽式结构，整个加速度计芯呈扁平形状；

其中，所述电容极板为单侧蒸镀Au金属层的硅片，硅片厚度不小于永磁薄膜的厚度，硅片中心开设镂空部，镂空部径向尺寸大于永磁薄膜径向尺寸；

石英挠性摆片上侧、下侧的电容极板的金属层与石英挠性摆片的摆舌两侧的金属层构成差分电容，检测摆舌运动位置；

所述永磁薄膜分别键合在石英摆片的摆舌两侧构成检测质量块；永磁薄膜和硅基线圈共同构成微型反馈力矩器，为加速度计提供电磁反馈力矩。

优选地，所述永磁薄膜为经过多极充磁的NdFeB或SmCo永磁薄膜。

优选地，所述永磁薄膜尺寸为8×8×0.5mm³。

优选地，所述永磁薄膜包括若干充磁单元，相邻充磁单元的N极和S极交替排列，形成棋盘状永磁薄膜的磁化图案。

优选地，每个充磁单元的厚度为500μm、径向尺寸为800μm。

所述硅基线圈为内嵌金属导线的硅片，其中金属导线为双层平面螺旋结构。

优选地，所述硅基线圈包含在硅片上制备的若干绕制单元，且绕制单元与永磁薄膜的充磁单元一一对应，相邻绕制单元的绕线方向呈顺时针/逆时针交替排列。每一个绕制单元共有8匝线圈，呈双层分布在硅片的上、下两侧，每侧4匝；同一层的绕制线圈呈边长渐变的同心、正方螺旋形状；上、下层之间的线圈由中心点穿通相连。