应力自隔离的石英谐振加速度计芯片及石英谐振加速度计

本发明涉及谐振加速计，特别是涉及一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片及石英谐振加速度计。

背景技术：

1、目前，谐振加速度计是加速度高精度测量中最具潜力的实现方式，其将输入加速度调制到载波频率上，从而避免了传统电压输出型加速度计测量精度对幅值噪声的敏感与依赖，具有高稳定性、高分辨率、低噪声等优势。

2、硅和单晶石英材料常被用于制作谐振加速度计的敏感结构。硅材料具有良好的机械特性，结合标准化的硅微加工工艺可以保证良好的几何与尺寸精度，但硅谐振器具有复杂的驱动检测辅助结构，最常用的静电梳齿结构不但改变了谐振梁的动态特性，而且静电驱动检测原理引入较大的非线性与噪声，受电源噪声影响较大，限制了硅谐振加速度计稳定性与分辨率的提升。单晶石英具有优异的压电特性，只需在其表面合理设计电极即可实现石英谐振器的驱动与检测，同时单晶石英材料具有极其稳定的晶体结构，可被制作为高品质因数的谐振器，配合外部电路获得高稳定性的加速度输出。然而单晶石英材料常用的湿法腐蚀工艺加工难度高，加工精度难以保证，因此现有的石英谐振加速度计多采用分体式结构，将石英谐振器与硅等易于加工的材料制作的基底结合实现加速度敏感结构。然而单晶石英材料对温度敏感，容易受到环境温度变化产生的热应力影响，且变温环境下谐振器与基底异质材料热膨胀系数不一致将产生较大的额外应力，降低加速度计测量精度，故现有的石英谐振加速度计多因装配误差和热应力干扰难以避免的产生较大温漂，严重影响加速度测量的稳定性及重复性。

3、现有的石英谐振加速度计由于工艺难度较大且研发成本较高，通常为了降低加工难度将石英谐振器装配在非石英材料的质量弹簧系统上，异质材料的热膨胀系数不匹配导致石英谐振器受热应力影响较大，降低了加速度计的稳定性。同时现有针对石英谐振加速度计温度漂移的抑制方法通常是在敏感结构上设计隔离结构，会影响加速度计的灵敏度，性能之间的相互制约限制了加速度计综合性能的提升。

技术实现思路

1、本发明提供了一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片及石英谐振加速度计，解决了现有石英谐振加速度计的稳定性差以及性能制约的问题。

2、本发明提供一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，包括石英基底和石英谐振器；

3、所述石英谐振器包括依次连接的上隔离盘、音叉振梁和下隔离盘，所述上隔离盘和下隔离盘相互远离的一端端部与石英基底一侧粘贴；

4、所述上隔离盘上由外向内依次开设有第一上隔离槽、第二上隔离槽和第三上隔离槽，所述下隔离盘上由外向内依次开设有第一下隔离槽、第二下隔离槽和第三下隔离槽；

5、所述第一上隔离槽与第一下隔离槽、第二上隔离槽与第二下隔离槽、第三上隔离槽与第三下隔离槽分别关于音叉振梁对称设置；

6、所述第一上隔离槽和第一下隔离槽、第二上隔离槽和第二下隔离槽以及第三上隔离槽和第三下隔离槽构成三级应力隔离结构。

7、优选的，所述石英基底包括固定框，其一端为直角固定边，另一端为开口朝内的圆弧活动边；所述圆弧活动边中部与外隔离框一端外侧连接，所述外隔离框另一端内侧与内隔离框的一侧连接；所述内隔离框另一侧两端通过两个放大杠杆连接有敏感质量块，另一侧中部开设有下隔离槽；所述敏感质量块上刻蚀有沿芯片中心轴线对称的振梁槽和上隔离槽，所述振梁槽两端分别与上隔离槽和下隔离槽连通。

8、优选的，所述圆弧活动边中部与外隔离框一端外侧通过上铰链连接，所述外隔离框另一端内侧通过下铰链与内隔离框的一侧连接；所述上铰链和下铰链位于芯片的中心轴线上，所述石英基底通过下铰链进行水平方向对准，通过外隔离框进行垂直方向对准。

9、优选的，所述石英基底上设有一级隔离槽和二级隔离槽，一级隔离槽通过上铰链隔离固定框与外隔离框，二级隔离槽通过下铰链隔离内隔离框与外隔离框。

10、优选的，两个所述放大杠杆对称分布于芯片的中心轴线，与石英谐振器的水平对称轴重合，所述音叉振梁通过放大杠杆将惯性力转换并放大为轴向力。

11、优选的，所述放大杠杆与音叉振梁布置在石英基底上下两侧，形成复合悬臂梁结构。

12、优选的，所述上隔离盘和下隔离盘上均设有溢胶槽阵列，两个所述溢胶槽阵列分别粘贴在敏感质量块和内隔离框上；所述上隔离盘、音叉振梁和下隔离盘分别悬空于上隔离槽、振梁槽和下隔离槽上方。

13、优选的，两个所述溢胶槽阵列包括上溢胶槽阵列和下溢胶槽阵列，所述上溢胶槽阵列粘贴在敏感质量块上，所述下溢胶槽阵列粘贴在内隔离框上。

14、优选的，所述石英谐振器还包括引线盘，所述引线盘包括上引线盘和下引线盘，所述上引线盘与上隔离盘连接，下引线盘与下隔离盘连接；所述下隔离盘和下引线盘构成工字型结构，用于石英谐振器与石英基底的安装定位。

15、优选的，所述下引线盘自由悬空于石英基底之上，音叉振梁的电极引线至下引线盘上形成金属焊盘，用于连接外部电路。

16、优选的，所述石英谐振器上布置有电极，沿音叉振梁长度方向分为三段，在音叉振梁的四个面上都布有电极。

17、优选的，所述音叉振梁为双端固支音叉结构。

18、优选的，所述石英基底和石英谐振器均由单晶石英制作。

19、优选的，所述石英基底和石英谐振器均由石英mems湿法腐蚀工艺制作。

20、一种石英谐振加速度计，包括上敏感芯片、下敏感芯片和支撑框架，所述上敏感芯片和下敏感芯片均采用上述的石英谐振加速度计芯片。

21、优选的，所述上敏感芯片和下敏感芯片安装在支撑框架的两侧，形成差动检测结构，在外部加速度作用下，上敏感芯片和下敏感芯片中的石英谐振器分别受到大小相等的轴向拉应力和压应力，谐振器受到轴向拉应力时谐振频率升高，受到轴向压应力时谐振频率降低，将两个谐振器的频率值之差作为输入加速度的测量值。

22、优选的，所述支撑框架包括上垂直定位挡块、下垂直固定挡块、左水平定位挡块、右水平定位挡块，用于与封装外壳的定位和安装。

23、优选的，所述支撑框架还包括上垂直安装隔离槽、下垂直安装隔离槽、左水平安装隔离槽和右水平安装隔离槽，用于隔离支撑框架与封装外壳粘结时引入的残余应力及热应力。

24、优选的，所述支撑框架的支撑平面凸出下敏感芯片安装平面1.2mm，使下敏感芯片处于悬空状态；上敏感芯片安装在上敏感芯片安装平面上，高度低于支撑框架的最高平面。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、本发明的石英谐振加速度计芯片，包括石英基底和石英谐振器，该加速度芯片采用全石英结构，降低了因异质材料热膨胀系数不同所引入的热应力干扰，提高了稳定性。区别于以往的在敏感上设计隔离结构，本发明在石英谐振器设有三级应力隔离结构，将应力隔离结构设计与敏感结构设计分离，解耦加速度计性能之间的相互制约，不影响谐振器本身的灵敏度，依靠高效的三级隔离槽隔离外部可能影响谐振器应力分布的干扰，抑制温漂的产生。

技术特征：

1.一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，包括石英基底和石英谐振器；

2.如权利要求1所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述石英基底包括固定框(1)，其一端为直角固定边(10)，另一端为开口朝内的圆弧活动边(11)；所述圆弧活动边(11)中部与外隔离框(3)一端外侧连接，所述外隔离框(3)另一端内侧与内隔离框(29)的一侧连接；所述内隔离框(29)另一侧两端通过两个放大杠杆(5)连接有敏感质量块(6)，另一侧中部开设有下隔离槽(9)；所述敏感质量块(6)上刻蚀有沿芯片中心轴线对称的振梁槽(7)和上隔离槽(8)，所述振梁槽(7)两端分别与上隔离槽(8)和下隔离槽(9)连通。

3.如权利要求2所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述圆弧活动边(11)中部与外隔离框(3)一端外侧通过上铰链(2)连接，所述外隔离框(3)另一端内侧通过下铰链(4)与内隔离框(29)的一侧连接；所述上铰链(2)和下铰链(4)位于芯片的中心轴线上，所述石英基底通过下铰链(4)进行水平方向对准，通过外隔离框(3)进行垂直方向对准。

4.如权利要求2所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述石英基底上设有一级隔离槽(12)和二级隔离槽(13)，一级隔离槽(12)通过上铰链(2)隔离固定框(1)与外隔离框(3)，二级隔离槽(13)通过下铰链(4)隔离内隔离框(29)与外隔离框(3)。

5.如权利要求2所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，两个所述放大杠杆(5)对称分布于芯片的中心轴线，与石英谐振器的水平对称轴重合，所述音叉振梁(15)通过放大杠杆(5)将惯性力转换并放大为轴向力。

6.如权利要求2所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述放大杠杆(5)与音叉振梁(15)布置在石英基底上下两侧，形成复合悬臂梁结构。

7.如权利要求2所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述上隔离盘(14)和下隔离盘(16)相互远离的一端端部均设有溢胶槽阵列(18)，两个所述溢胶槽阵列(18)分别粘贴在敏感质量块(6)和内隔离框(29)上；所述上隔离盘(14)、音叉振梁(15)和下隔离盘(16)分别悬空于上隔离槽(8)、振梁槽(7)和下隔离槽(9)上方。

8.如权利要求7所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，两个所述溢胶槽阵列(18)包括上溢胶槽阵列(18a)和下溢胶槽阵列(18b)，所述上溢胶槽阵列(18a)粘贴在敏感质量块(6)上，所述下溢胶槽阵列(18b)粘贴在内隔离框(29)上。

9.如权利要求1所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述石英谐振器还包括引线盘(17)，所述引线盘(17)包括上引线盘(17a)和下引线盘(17b)，所述上引线盘(17a)与上隔离盘(14)连接，下引线盘(17b)与下隔离盘(16)连接。

10.如权利要求9所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述下隔离盘(16)和下引线盘(17b)构成工字型结构，用于石英谐振器与石英基底的安装定位。

11.如权利要求9所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述下引线盘(17b)自由悬空于石英基底之上，音叉振梁(15)的电极引线至下引线盘(17b)上形成金属焊盘，用于连接外部电路。

12.如权利要求1所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述石英谐振器上布置有电极，沿音叉振梁(15)长度方向分为三段，在音叉振梁(15)的四个面上都布有电极。

13.如权利要求1所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述音叉振梁(15)为双端固支音叉结构。

14.如权利要求1所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述石英基底和石英谐振器均由单晶石英制作。

15.如权利要求1所述的一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片，其特征在于，所述石英基底和石英谐振器均由石英mems湿法腐蚀工艺制作。

16.一种石英谐振加速度计，包括上敏感芯片(19)、下敏感芯片(20)和支撑框架(21)，其特征在于，所述上敏感芯片(19)和下敏感芯片(20)均采用权利要求1-15任一项所述的石英谐振加速度计芯片。

17.如权利要求16所述的一种石英谐振加速度计，其特征在于，所述上敏感芯片(19)和下敏感芯片(20)安装在支撑框架(21)的两侧，形成差动检测结构，在外部加速度作用下，上敏感芯片(19)和下敏感芯片(20)中的石英谐振器分别受到大小相等的轴向拉应力和压应力，谐振器受到轴向拉应力时谐振频率升高，受到轴向压应力时谐振频率降低，将两个谐振器的频率值之差作为输入加速度的测量值。

18.如权利要求16所述的一种石英谐振加速度计，其特征在于，所述支撑框架(21)包括上垂直定位挡块(22a)、下垂直固定挡块(22b)、左水平定位挡块(24a)、右水平定位挡块(24b)，用于与封装外壳的定位和安装。

19.如权利要求16所述的一种石英谐振加速度计，其特征在于，所述支撑框架(21)还包括上垂直安装隔离槽(23a)、下垂直安装隔离槽(23b)、左水平安装隔离槽(25a)和右水平安装隔离槽(25b)，用于隔离支撑框架(21)与封装外壳粘结时引入的残余应力及热应力。

20.如权利要求16所述的一种石英谐振加速度计，其特征在于，所述支撑框架(21)的支撑平面(28)凸出下敏感芯片安装平面(27)1.2mm，使下敏感芯片(20)处于悬空状态；上敏感芯片(19)安装在上敏感芯片安装平面(26)上，高度低于支撑框架(21)的最高平面。

技术总结本发明公开了一种应力自隔离的石英谐振加速度计芯片及石英谐振加速度计，涉及谐振加速计技术领域，该芯片包括石英基底和石英谐振器，石英谐振器包括依次连接的上隔离盘、音叉振梁和下隔离盘；上隔离盘上由外向内依次开设有第一上隔离槽、第二上隔离槽和第三上隔离槽，下隔离盘上由外向内依次开设有第一下隔离槽、第二下隔离槽和第三下隔离槽；第一上隔离槽和第一下隔离槽、第二上隔离槽和第二下隔离槽以及第三上隔离槽和第三下隔离槽构成三级应力隔离结构。本发明采用全石英结构，降低了因异质材料热膨胀系数不同所引入的热应力干扰；依靠高效的三级隔离槽隔离外部可能影响谐振器应力分布的干扰。技术研发人员：李波,卜凯,赵玉龙,李村,白冰,薛闳,艾嘉宾,周圣翔受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1