一种基于谐振音叉的新型差动式硅微加速度计设计与分析

　　谐振式硅微加速度计基于谐振子固有频率随加速度变化的机械特性实现对被测加速度的测量。与电容式和压电式微机械加速度计相比，谐振式微加速度计具有准数字信号输出、大动态范围、高精度等优点[1]。因此，谐振式硅微加速度计已成为国内外相关领域的研究热点。国内谐振式硅微加速度计的研究起步较晚、发展较缓慢，尚处于实验室原理样机研究阶段: 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室开发的谐振式加速度计灵敏度为2 Hz /gn[2]; 北京航空航天大学任杰等设计的硅微谐振式加速度计灵敏度为24. 52 Hz /gn[3]; 北京大学微电子实验室报道的样品灵敏度为27 Hz /gn[4]; 重庆大学何高法设计的基于两级柔性铰链机构的谐振式加速度计灵敏度为55. 03 Hz /gn[5]，南京理工大学设计的谐振式加速度计灵敏度为95 Hz /gn[6]; 中科院电子所陈建等提出一种三梁结构谐振式微加速度计，其灵敏度仿真计算结果高达1 000 Hz /gn[7]，但未见相关的实验测试。国外已有如Draper 实验室[8]、美国UC. Berkeley 大学[9]、韩国汉城国立大学[1]与意大利米兰理工大学[10]的研究成果，其大多采用表面硅加工工艺，灵敏度都在100 Hz /gn左右。由于加工工艺的限制，国内采用体硅技术加工的加速度计宽度最小为30 μm，这影响了加速度计灵敏度的提高。

　　基于国内现有硅微加工工艺水平，为提高谐振式加速度计的灵敏度、温度稳定性并减小加速度计体积，本文设计了一种新型谐振式硅微加速度计结构。该加速度计采用一级微杠杆机构放大质量块惯性力以提高加速度计灵敏度。通过一对差动布置的双端固支音叉谐振器检测质量块惯性力以实现对加速度的测量，并可在提高加速度计温度稳定性、消除共模干扰的同时提高加速度计的灵敏度。质量块、微杠杆放大机构和音叉谐振器的合理布局有效减小了加速度计体积。

　　1 加速度计结构设计与工艺实现

　　1. 1 结构设计与工作原理

　　本文提出的用于测量X 轴方向线加速度的差动谐振式硅微加速度计如图1 所示。

　　该加速度计主要由一个质量块、两个一级微杠杆放大机构和两个差动布置的梳齿驱动双端固支音叉谐振器( DETF) 组成，其敏感轴为X 轴方向。4 个音叉臂梁中间均布有活动梳齿，活动梳齿与内部定梳齿形成驱动电极，为谐振器提供简谐激励信号。活动梳齿与外部定梳齿形成敏感电极以拾取谐振器的频率变化。

　　质量块在被测加速度作用下产生的惯性力作用两个微杠杆输入端，微小的惯性力经杠杆机构放大后轴向作用于两个音叉谐振器。由于两音叉谐振器的差动布置，一支音叉轴向受拉，使其固有频率增加; 另一支音叉轴向受压，使其固有频率降低。通过检测两音叉谐振器固有频率的变化即可实现对加速度的测量。采用差动式音叉结构可有效消除环境温度变化导致的结构热应力对音叉谐振器固有频率的影响，提高加速度的温度稳定性，并使加速度计灵敏度提高一倍。此外，该结构设计将两音叉谐振器“并列”布置，相对于常规双音叉谐振器共轴线“串联”布局，该设计大幅减小了加速度计在音叉轴向的尺寸。