专利名称：一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于微机械电子技术领域，具体涉及一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片。
背景技术：
目前，高精度、高分辨率的数字化加速度测量方法已经得到越来越广泛的发展，在中高精度的高速数字导航系统、重力测量学、巡航导弹、自主水下导航等方面有广泛的应用前景。此类加速度计输出的是频率信号，没有数模转换带来的精度损失，能够与高精度数字测量系统相结合。目前常用的采用微机电系统加工的传感器主要分为压阻式和电容式。压·阻式传感器通过具有压阻效应的电阻和具有一定结构的梁-质量块来感应加速度，电容式加速度传感器则是通过改变电容极板的面积或者距离来感应加速度。以上两种常用的加速度传感器输出的均是模拟信号，后处理电路复杂，灵敏度低，存在模数转换误差，而且不能直接与高精度的数字系统相结合。目前也有少量的谐振式硅微加速度传感器，虽然此类传感器输出的是数字信号，但是存在谐振频率低、灵敏度差等问题，同时结构复杂、加工难度大，成本高。总之，现有的加速度计普遍存在模拟输出，灵敏度低，加工复杂等问题。

发明内容
为了克服上述现有加速度计的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，具有体积小，重量小，数字信号输出和分辨率高的优点。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，包括外围的硅基支撑5，硅基支撑5与其底部的玻璃衬底7通过键合连接，硅基支撑5的A硅凸台2上通过有机胶固定有双端石英音叉I，双端石英音叉I的另一端固定在质量块6的B硅凸台4上，质量块6有四根悬臂梁3支撑在硅基支撑5上。所述的B硅凸台4在质量块6的正中心位置。所述的质量块6与玻璃衬底I之间有5微米的运动间隙。所述的玻璃衬底7与质量块6相对的部分设置有一层金属电极8。所述的A硅凸台2和B硅凸台4的高度比硅基支撑5的平面高出60微米以上。所述的双端石英音叉I的谐振梁表面四周设置有电极。所述的悬臂梁3和质量块6的中轴线重合。双端石英音叉I的两根谐振梁9的振动方向相反。本发明的双端石英音叉I存在逆压电效应，当电极两面有电荷交替变化时，双端石英音叉I就会出现振动，其振动频率受双端石英音叉结构形状的影响。当加速度作用于芯片时，悬臂梁3支撑的质量块6在惯性力作用下移动微小的位移。由于双端石英音叉I一端固定，一端与质量块连接，所以双端石英音叉I发生弯曲变形，这种弯曲变形导致其谐振频率发生改变，改变的大小与加速度成正比，从而通过检测双端石英音叉I的谐振频率就能够得到加速度的大小。A硅凸台2和B硅凸台4能够防止硅基支撑5对双端石英音叉I振动的干扰；因此本发明采用双端石英音叉作为敏感材料，基底支撑为硅，故而具有频率输出，体积小，敏感度高以及品质因数高等优点。


图I为本发明的结构示意图。图2为本发明的截面示意图。图3为双端石英音叉所需的振动模态。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的结构与工作原理详细说明。参见图1，一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，包括外围硅基支撑5，底部有玻璃衬底7，外围硅基支撑5与玻璃衬底7通过键合连接。硅基支撑5的A硅凸台2上通过有机胶固定有双端石英音叉1，双端石英音叉I的另一端固定在质量块6的B硅凸台4上，质量块6有四根悬臂梁3支撑在硅基5上。传感器芯片通过质量块6感应到加速度的输入，然后通过双端石英音叉I的频率变化有频率检测电路把加速度转换为电信号，完成对加速度的感应与测量。所述的硅质量块6、悬臂梁3、凸台2和凸台4通过体硅工艺加工得到。参见图2，固定双端石英音叉I的A硅凸台2和B硅凸台4的高度比硅基支撑5的平面高出60微米以上，这样可以防止硅面对双端石英音叉I谐振的阻碍，使双端石英音叉I的振动频率更客观的反应加速度的大小。质量块6与玻璃衬底7之间有5微米的运动间隙，当有加速度作用于芯片时，根据牛顿第二定律，质量块6在惯性力的作用下要产生一定的位移，从而使双端石英音叉I产生弯曲变形导致其频率的改变。所述的玻璃衬底7与娃质量块6相对的部分设置有一层金属电极8,防止静电键合时加速度质量块6与玻璃衬底7之间的静电吸附。所述的悬臂梁3和质量块6的中轴线重合。所述的双端石英音叉I的谐振梁表面四周设置有电极，通电之后能够按照预定模态振动。参见图3，双端石英音叉I的两根谐振梁9的振动模式相反，从而在固定端能够将内力相互抵消,从而不会对质量块6产生额外影响。本发明的工作原理是加速度作用于传感器芯片时，质量块6作为传感器加速度的敏感质量块。根据牛顿第二定律，当加速度作用于中央硅质量块6时，由于惯性力的作用，中央硅质量块6会产生一定的位移，进而使双端石英音叉I发生形变，该形变导致石英梁的谐振频率发生变化，这一变化通过频率检测电路转化为频率信号输出，从而实现传感器芯片的加速度-频率信号转换，完成对加速度的数字化测量。
权利要求
1.一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，其特征在于，包括外围的硅基支撑(5),硅基支撑(5)与其底部的玻璃衬底(7)通过键合连接，硅基支撑(5)的A硅凸台(2)上通过有机胶固定有双端石英音叉(I )，双端石英音叉(I)的另一端固定在质量块(6 )的B硅凸台(4)上，质量块(6)有四根悬臂梁(3)支撑在硅基支撑(5)上。
2.根据权利要求I所述一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，其特征在于，所述的B硅凸台(4)在质量块(6)的正中心位置。
3.根据权利要求I所述一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，其特征在于，所述的质量块(6)与玻璃衬底(7)之间有5微米的运动间隙。
4.根据权利要求I所述一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，其特征在于，所述的玻璃衬底(7)与质量块(6)相对的部分设置有一层金属电极(8)。
5.根据权利要求I所述一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，其特征在于，所述的A硅凸台(2)和B硅凸台(4)的高度比硅基支撑(5)的平面高出60微米以上。
6.根据权利要求I所述一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，其特征在于，所 述的双端石英音叉(I)的谐振梁表面四周设置有电极。
7.根据权利要求I所述一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，其特征在于，所述的悬臂梁(3)和质量块(6)的中轴线重合。
8.根据权利要求I所述一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，其特征在于，双端石英音叉(I)两根谐振梁(9)的振动方向相反。
全文摘要
一种硅基四梁结构石英谐振加速度传感器芯片，包括外围硅基支撑，外围硅基支撑与玻璃衬底通过键合连接，双端石英音叉通过有机胶一端固定在硅基支撑的凸台上，一端固定在质量块的凸台上，质量块有四根悬臂梁支撑在硅基上，玻璃衬底与硅质量块对应的部分有一层金属电极，防止静电键合时加速度质量块与玻璃衬底之间的静电吸附，传感器芯片通过质量块感应到加速度的输入，引起双端石英音叉的产生变形，通过频率检测电路把石英音叉的谐振频率输出，将加速度转换为电信号，完成对加速度的数字化感应与测量，该传感器芯片具有频率输出，体积小，敏感度高以及品质因数高等优点。
文档编号G01P15/097GK102778583SQ201210240759
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者李村, 赵玉龙, 饶浩 申请人:西安交通大学