【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微机电系统(micro mechanical-electrical system,mems)加速度传感器，具体涉及一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片。
技术介绍
1、加速度传感器在诸如航空航天、武器装备、自动驾驶等领域中起到关键性作用，主要用于测量载体的加速度信息，进而可以通过多次积分获得载体的速度和位置信息。此外，加速度传感器还可以与陀螺仪组成惯性测量单元(imu)，基于获取加速度和角加速度信息，能够在复杂的工作环境中服务于设备或载体的全天候、大范围定位导航。在工业领域中，mems技术经常被用来制造体积小、功耗低和大批量低成本的传感器，比如利用soi技术制造的高温压力传感器、利用cmos技术制造的微麦克风、利用3d打印技术制造的柔性压力传感器等([1]李育刚,姚素英,张生才,赵毅强,张为,张维新.(2002).一种新型单晶硅soi高温压力传感器.传感技术学报(04),322-325.[2]c.-t.chiang and c.-y.wu,"acmosdigitized silicon condenser microphone foracoustic applications,"in ieeesensors journal,vol.11,no.2,pp.296-304,feb.2011,doi:10.1109/jsen.2010.2071380.[3]ma,mengdi,et al.“fabricating of double layered flexiblepressure sensor with a
2、集成式结构设计([4]李村,黄振秋,赵玉龙,韩超,李波,&蒋庄德.(2020).一种低温漂相对平面贴装差动型集成式谐振加速度计.cn111965388a.[5]h.xue,c.li,y.zhao,k.bu and b.li,"an all-quartz integrated resonant accelerometer with highsensitivity and stability:design,fabrication and measurement,"in ieee sensorsjournal,doi:10.1109/jsen.2024.3349963.[6]li,cun,y.zhao,and r.cheng."a microresonant acceleration sensor comprising silicon support with temperatureisolator and quartz doubled ended tuning fork."9th ieee internationalconference on nano/micro engineered and molecular systems,ieee-nems2014.)是石英谐振式加速度传感器通常采用的一种技术方案，即分别加工谐振器和基底，接着利用胶粘、键合或焊接的方法将多个元件集成用作芯片。其中，谐振器作为敏感元件，一般利用mems工艺加工，利用单晶石英材料的压电效应和逆压电效应进行激励和检测；基底材料多选用硅或金属，利用机加工或者mems工艺加工金属或硅弹性元件用作质量弹簧系统。该方案的缺点在于：敏感元件和弹性元件需要单独加工，不兼容的加工工艺会造成加工成本过大、工期过长、效率较低等问题；敏感元件和弹性元件之间通常需要通过微装配完成芯片的制备，操作中会产生定位误差，难以保证差动布置的敏感元件的固定状态一致；敏感元件和弹性元件一般由异质材料组成，造成芯片内部的热膨胀系数不一致，当外界环境温度变化时，芯片产生较大的内应力，造成传感器的输出漂移。
3、一体式结构设计([7]o.le traon,j.guerard,m.pernice,et al.the ng diva:anavigation grade differential inertial vibrating beam accelerometer[c].//2018ieee/ion position,location and navigation symposium:plans2018,april 23–26,2018,monterey,california.:institute ofnavigation,2018:24-30；[8]东南大学.一种一体式的石英振梁加速度计:cn201410032572.8[p].2014-04-30；[9]t.yang,g.yang,w.lu,et al.a miniature quartz vibrating beam accelerometer[c].//2020dgoninertial sensors and systems:conference on dgon inertial sensors and systems(iss),15-16sept.2020,braunschweig,germany.:institute of electrical andelectronics engineers,2020:1-13)是另一种常用的石英谐振式加速度传感器的技术方案，即利用石英材料同时加工敏感元件和弹性元件，不存在由于环境温度变化和材料参数不匹配引起的芯片内部产生热应力。此外，由于敏感元件和弹性元件组成的芯片在加工时同时形成，不存在微装配操作带来的定位误差。该方案的缺点在于：由于石英材料的密度较小，在封装尺寸受到限制时无法通过增加质量块的体积来提升灵敏度；由于石英晶体各向异性的特点，谐振器振梁的布置方向固定，即长度方向布置于石英晶体的y轴(机械轴)、宽度方向布置于石英晶体的x轴(电轴)、厚度方向布置于石英晶体的z轴(光轴)，故芯片无法实现同时对多个轴输入的加速度进行检测；为保证传感器的灵敏度，即芯片敏感轴方向的刚度，在交叉轴方向通常不布置解耦梁，进而造成传感器交叉干扰严重的问题。
4、综上所述，目前石英谐振加速度传感器难本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：包括结构相同且采用胶粘、键合或焊接的方式于固定框架和质量块处正交集成的第一一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片和第二一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，实现双轴敏感方向上的加速度的检测。
2.根据权利要求1所述的一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：所述的一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，包括固定框架、第一连接框、第二连接框、第一谐振器、第二谐振器和质量块；固定框架布置于外围，第一连接框于x轴方向的一端连接固定框架，另一端连接质量块，y轴方向内部两端与第一谐振器两端连接；第二连接框于x轴方向的一端连接固定框架，另一端连接质量块，y轴方向内部两端与第二谐振器两端连接；第一谐振器、第二谐振器作为敏感元件，固定框架、第一连接框、第二连接框、质量块作为弹性元件，敏感元件和弹性元件均为单晶石英材料在同一晶圆上一次加工得到的一体式结构，单晶石英材料的x轴为电轴、y轴为机械轴、z轴为光轴，第一谐振器和第二谐振器的长度方向为y轴、宽度方向为x轴、厚度方向为z轴。
4.根据权利要求2所述的一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：所述的固定框架形状布置为矩形或圆环，或者不规则框架，要求将两个一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片正交旋转即绕一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片的质心处的z轴顺时针或逆时针旋转90°或270°后的固定框架于质量块的质心处与旋转前的固定框架完全重合。
5.根据权利要求2所述的一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：所述的第一连接框形状是四根双端固支梁2-e、2-f、2-h、2-g连接成的菱形结构，x轴方向呈钝角的端头2-a、2-b分别与固定框架、质量块连接，y轴方向呈锐角的端头2-c、2-d分别与第一谐振器的两端连接；第一连接框的四个内角大小能够进行调整，第一连接框的四根双端固支梁2-e、2-f、2-h、2-g能够进行圆弧、变截面或者弯折的设计，第一连接框的四根双端固支梁2-e、2-f、2-h、2-g能够加粗。
6.根据权利要求2所述的一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：所述的第二连接框形状是四根双端固支梁3-e、3-f、3-h、3-g连接成的菱形结构，x轴方向呈钝角的端头3-a、3-b分别与固定框架、质量块连接，y轴方向呈锐角的端头3-c、3-d端分别与第二谐振器的两端连接；第二连接框的四个内角大小能够进行调整，第二连接框的四根双端固支梁3-e、3-f、3-h、3-g能够进行圆弧、变截面或者弯折的设计；第二连接框的四根双端固支梁3-e、3-f、3-h、3-g能够加粗。
7.根据权利要求2所述的一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：所述的第一连接框和第二连接框的形状尺寸完全一致；第一谐振器和第二谐振器的形状尺寸完全一致；质量块于y轴方向对称布置的两块空间区域的形状尺寸完全一致。
8.根据权利要求2所述的一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：所述的质量块布置为多边形，填充固定框架包围的内部空间中未被其余部分占据的空间；质量块的两个表面能够胶粘、键合、焊接同质或者异质材料，增大质量块的质量，提升传感器的灵敏度，要求将两个一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片正交旋转即绕一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片的质心处的z轴顺时针或逆时针旋转90°或270°后的质量块于质心处与旋转前的质量块完全重合。
9.根据权利要求2所述的一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：于第一一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片和第二一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片之间以及外侧布置有第一配重块、第二配重块和第三配重块；所有配重块与质量块的形状一致，其厚度根据芯片的不同工况设计，要求在装配中与第一一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片和第二一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片的质量块完全重合。
【技术特征摘要】
1.一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：包括结构相同且采用胶粘、键合或焊接的方式于固定框架和质量块处正交集成的第一一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片和第二一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，实现双轴敏感方向上的加速度的检测。
2.根据权利要求1所述的一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：所述的一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，包括固定框架、第一连接框、第二连接框、第一谐振器、第二谐振器和质量块；固定框架布置于外围，第一连接框于x轴方向的一端连接固定框架，另一端连接质量块，y轴方向内部两端与第一谐振器两端连接；第二连接框于x轴方向的一端连接固定框架，另一端连接质量块，y轴方向内部两端与第二谐振器两端连接；第一谐振器、第二谐振器作为敏感元件，固定框架、第一连接框、第二连接框、质量块作为弹性元件，敏感元件和弹性元件均为单晶石英材料在同一晶圆上一次加工得到的一体式结构，单晶石英材料的x轴为电轴、y轴为机械轴、z轴为光轴，第一谐振器和第二谐振器的长度方向为y轴、宽度方向为x轴、厚度方向为z轴。
3.根据权利要求2所述的一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：所述的第一连接框和第二连接框差动布置于质量块的x轴方向两侧，且关于质量块质心处的x轴和y轴方向对称布置；第一谐振器和第二谐振器差动布置于质量块的x轴方向两侧，且关于质量块质心处的x轴和y轴方向对称布置；质量块于y轴方向留有关于质心处的x轴和y轴方向对称布置的两块空间区域，为集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片的另一一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片的谐振器留有形变和振动空间。
4.根据权利要求2所述的一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：所述的固定框架形状布置为矩形或圆环，或者不规则框架，要求将两个一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片正交旋转即绕一体式单轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片的质心处的z轴顺时针或逆时针旋转90°或270°后的固定框架于质量块的质心处与旋转前的固定框架完全重合。
5.根据权利要求2所述的一种集成式双轴敏感的石英谐振式加速度传感器芯片，其特征在于：所述的第一连接框形状是四根双端固支梁2-e、2-f、2-h、2-g连接成的菱形结构，x轴方向呈钝角的端头2-a、2-b分别与固定框架、质量块连接，y轴方向呈锐角的端头2-c、2-d分别与第一...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉龙，薛闳，李村，艾嘉宾，周圣翔，李波，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。