CN100468063C - 三轴压阻微加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机械电子技术，具体是一种三轴压阻微加速度计。解决了现有三轴压阻加速度计制作工艺、结构复杂、体积和质量较大、不易在高温场合使用的问题，包括支撑框体、弹性梁、通过弹性梁支悬于支撑框体中间的质量块，质量块四边分别通过两根平行弹性梁与支撑框体固定，支撑框体下底面通过静电键合技术键合有玻璃底盖，弹性梁与质量块、支撑框体的固定端部设置有阻值相等的应变压敏电阻，支撑框体上还设置有六个阻值相等的基准压敏电阻，压敏电阻连接构成三个分测三轴方向加速度的惠斯通电桥，结构合理，体积微小，易于加工，可应用于一些高温场合，可测得三个轴向的加速度。

Description

三轴压阻微加速度计

技术领域

本发明涉及微机械电子技术，具体是一种三轴压阻微加速度计。

背景技术

微机械加速度计作为一种惯性器件在自控、车辆、振动测试和航空航天等领域有着广泛的应用。目前已开发出了压阻式、压电式、电容式、隧道式等多种类型的硅微加速度计。其中压阻式加速度计具有尺寸小、灵敏度高、无迟滞、动态响应特性及输出性好、频率范围宽、测量加速度范围宽、直接输出电压信号、不需要复杂的接口电路、批量生产成本低、与硅集成电路平面工艺兼容性好、测量精度高、稳定性好等优点，因而得到了广泛应用。

压阻式加速度计包含框架和通过弹性梁支悬于框架中间的质量块，弹性梁上应力最大且线性变化的区域设置(扩散)有压敏电阻，框架下底面通过静电键合技术键合有对加速度计过载保护和自检测的玻璃底盖，压敏电阻连接成测量电桥，在惯性力作用下质量块上下运动，弹性梁上压敏电阻的阻值随应力的作用发生变化，引起测量电桥输出电压的变化，以此实现对加速度的测量。

但是，通常大多数单个加速度计只能检测一个或两个轴向的加速度，不能实现对三个轴向的加速度检测；为了能检测三个轴向的加速度，传统的做法是将三个单轴的加速度计组装在一起构成三轴加速度计，以实现对三个轴向加速度的检测。但是该做法组装成的三轴加速度计的机械精度和微小化程度都有所降低，结构相对复杂、体积和质量相对较大，制作工艺复杂。另外，现有压阻式加速度计无法在一些较高温度的场合使用：由于在现有压阻式加速度计中，采用传统体硅工艺制作，一般采用P型硅扩散压敏电阻和N型硅基衬底，其两者之间形成自然的PN结隔离，当工作温度超过120℃后，压敏电阻与衬底间的PN结漏电流加剧，最终会导致加速度计的特性严重恶化以至失效。

发明内容

本发明为了解决现有组装成的三轴压阻加速度计制作工艺复杂、结构相对复杂、体积和质量相对较大，以及现有压阻加速度计不易在高温场合使用的问题，提供一种三轴压阻微加速度计。

本发明是采用如下技术方案实现的：三轴压阻微加速度计，包括支撑框体、弹性梁、通过弹性梁支悬于支撑框体中间的质量块，质量块四边分别通过两根平行弹性梁与支撑框体固定，支撑框体下底面通过静电键合技术键合有玻璃底盖，弹性梁与质量块、支撑框体的固定端部设置有阻值相等的应变压敏电阻，支撑框体上还设置有六个阻值相等的基准压敏电阻，基准压敏电阻的阻值为应变压敏电阻阻值的两倍，应变压敏电阻和基准压敏电阻连接构成三个分测三轴方向加速度的惠斯通电桥，其中，每个基准压敏电阻分别作为三个惠斯通电桥的单边基准桥臂(由于六个基准压敏电阻的阻值相等，因此可以考虑布线需要任选)，应变压敏电阻每两个串联作为惠斯通电桥的单边应变桥臂；所述构成惠斯通电桥应变桥臂的应变压敏电阻的选定方法为：

(1)、利用有限元分析软件ANSYS分析，三个轴向分别加载相同g值的惯性力，应力分析得到每个应变压敏电阻的横向应力分量σ_t和纵向应力分量σ_l，根据公式 $\mathrm{\ΔR}/R=\frac{1}{2}{\mathrm{\π}}_{44}({\mathrm{\σ}}_l-{\mathrm{\σ}}_t),$ 得到每个应变压敏电阻在不同方向惯性力作用下的变化量ΔR/R，其中π₄₄为剪切向压阻系数；

(2)、根据步骤1得到的各应变压敏电阻变化量ΔR/R的正负变化情况，将各惯性力加载方向(即X、Y、Z方向)得到的变化量ΔR/R按正负分列；

(3)、根据上述变化量ΔR/R的正负和大小，以如下原则将应变压敏电阻分组：当在某一轴向加载惯性力时，其该轴向的惠斯通电桥的两个应变桥臂的变化量大小相近或相等、且方向相反，同时另两个轴向的惠斯通电桥的两应变桥臂的变化量大小相近或相等、但方向同为正或同为负的；

最终根据步骤(3)对应变压敏电阻的分组组合，构成三个分测三轴方向加速度的惠斯通电桥。

其中，以每两个应变压敏电阻串联作为惠斯通电桥的单边应变桥臂，是为了在构成惠斯通电桥的两相邻应变桥臂时，相邻两应变桥臂的变化量尽可能地相近(毕竟由于工艺问题，无法完全相等)，使惠斯通电桥的输出精确；如只以单个应变压敏电阻作为惠斯通电桥的单边应变桥臂，相邻两应变桥臂的变化量的相近程度无法达到最佳，必然会影响到惠斯通电桥的输出，进而影响加速度计本身的输出精确度。

所述支撑框体、弹性梁、以及通过弹性梁支悬于支撑框体中间的质量块是由SOI材料经现有腐蚀、刻蚀工艺加工制成；设置于弹性梁和质量块、支撑框体的固定端部的应变压敏电阻以及支撑框体上的基准压敏电阻由SOI材料的上层硅经离子注入、硼扩散制成。所述SOI为中间设有埋层介质SiO₂的体硅，为现有公知材料。SOI材料的中间埋层介质—SiO₂使应变压敏电阻与衬底隔离开，应变压敏电阻与衬底之间不存在PN结，自然避免了温度和漏电流的影响。

与现有技术相比，本发明采用SOI材料代替普通体硅制作加速度计，解决了温度和漏电流对加速度计的影响；由弹性梁上的应变压敏电阻和支撑框体上的基准压敏电阻构成三个轴向的惠斯通电桥，当某一方向受到惯性力作用时，该方向的电桥输出电压信号，同时抑制其余两个方向电桥的输出以减小横向效应，使加速度计能分别检测三个轴向的加速度，实现了单个加速度计测量三个轴向的加速度的目的。

本发明结构合理，体积微小，易于加工，可应用于一些高温场合，可测得三个轴向的加速度。

附图说明

图1为本发明对弹性梁上压敏电阻阻值变化情况分析时的压敏电阻分布设置图；

图2为本发明的一具体平面结构示意图；

图3为按图2设置应变压敏电阻时测量X轴向加速度的惠斯通电桥电路；

图4为按图2设置应变压敏电阻时测量Y轴向加速度的惠斯通电桥电路；

图5为按图2设置应变压敏电阻时测量Z轴向加速度的惠斯通电桥电路；

图中：1-支撑框体；2-弹性梁；3-质量块；4-应变压敏电阻；5-基准压敏电阻。

具体实施方法

三轴压阻微加速度计，包括支撑框体(1)、弹性梁(2)、通过弹性梁(2)支悬于支撑框体(1)中间的质量块(3)，质量块(3)四边分别通过两根平行弹性梁(2)与支撑框体(1)固定，支撑框体(1)下底面通过静电键合技术键合有玻璃底盖，弹性梁(2)与质量块(3)、支撑框体(1)的固定端部(即应力最大且线性变化的区域)设置有阻值相等的应变压敏电阻(4)R1-R16，支撑框体(1)上还设置有六个阻值相等的基准压敏电阻R17-R22，基准压敏电阻R17-R22的阻值为应变压敏电阻阻值R1-R16的两倍，应变压敏电阻R1-R16和基准压敏电阻R17-R22连接构成三个分测三轴方向加速度的惠斯通电桥，其中，每个基准压敏电阻(5)分别作为三个惠斯通电桥的单边基准桥臂，应变压敏电阻(4)每两个串联作为惠斯通电桥的单边应变桥臂；所述构成惠斯通电桥应变桥臂的应变压敏电阻的选定方法为：

1、利用有限元分析软件ANSYS分析，三个轴向分别加载相同g值的惯性力(例如：10g)，应力分析得到每个应变压敏电阻的横向应力分量σ_t和纵向应力分量σ_l，根据公式 $\mathrm{\ΔR}/R=\frac{1}{2}{\mathrm{\π}}_{44}({\mathrm{\σ}}_l-{\mathrm{\σ}}_t),$ 得到每个应变压敏电阻在不同方向惯性力作用下的变化量ΔR/R，其中π₄₄为剪切向压阻系数；

为了便于分析弹性梁上应变压敏电阻的变化情况，将八个弹性梁的两端皆设置应变压敏电阻，并利用有限元分析软件ANSYS分析得变化量ΔR/R数值表如下所示：

表1

 

	X向10g	Y向10g	Z向10g
				ΔR1/R1	4.00821933	2.38893293	18.96265020
ΔR2/R2	-3.88854308	-2.38131442	-18.95366822
				ΔR3/R3	-2.38061668	-3.88588410	-18.94330304
ΔR4/R4	2.39223670	4.01170669	18.98400747
				ΔR5/R5	-2.38721183	4.00858497	18.95597098
ΔR6/R6	2.37609018	-3.87483172	-18.91370032
				ΔR7/R7	3.88215102	-2.37891564	-18.94060023
ΔR8/R8	-4.00629843	2.38404748	18.93689235
				ΔR9/R9	-4.00706817	-2.38706946	18.94579980
ΔR10/R10	3.87949205	2.37846868	-18.93017368
				ΔR11/R11	2.38235883	3.88915686	-18.96332645
ΔR12/R12	-2.38985009	-4.01022003	18.97192482
				ΔR13/R13	-2.38250065	3.89061129	-18.96682608
ΔR14/R14	2.38657186	-4.00894721	18.95665819
				ΔR15/R15	4.00707957	-2.38135968	18.95981367
ΔR16/R16	-3.86626733	2.37810008	-18.93116449

2、根据步骤1得到的各应变压敏电阻变化量ΔR/R的正负变化情况，将各惯性力加载方向(即X、Y、Z方向)得到的变化量ΔR/R按正负分列；

X向：

+：R1   R4  R6  R7  R10  R11  R14  R15

—：R2  R3  R5  R8  R9   R12  R13  R16

Y向：

+：R1   R4  R5  R8  R10  R11  R13  R16

—：R2  R3  R6  R7  R9   R12  R14  R15

Z向：

+：R1   R4  R5  R8  R9   R12  R14  R15

—：R2  R3  R6  R7  R10  R11  R13  R16

3、根据上述变化量ΔR/R的正负和大小，以如下原则将应变压敏电阻分组：当在某一轴向加载惯性力时，其该轴向的惠斯通电桥的两个应变桥臂的变化量大小相近或相等、且方向相反，同时另两个轴向的惠斯通电桥的两应变桥臂的变化量大小相近或相等、但方向同为正或同为负的；

即假设加载X向惯性力，X向的惠斯通电桥的两个应变桥臂的变化量大小相近或相等、且方向相反，同时Y向和Z向的惠斯通电桥的两应变桥臂的变化量大小相近或相等、但方向同为正或同为负的；如何确定各轴向的惠斯通电桥的应变桥臂的应变电阻呢？最为普通的方法：首先，确定X向的惠斯通电桥，根据步骤(1)和(2)中X向加载惯性力时的变化量ΔR/R正负分列和数值大小，从阻值增加的应变电阻R1、R4、R6、R7、R10、R11、R14、R15中选取两项，从阻值减小的应变电阻R2、R3、R5、R8、R9、R12、R13、R16中选取两项，选取时，阻值增加的两项的总变化量与阻值减小的两项的总变化量相近或相等，(其相近程度决定了该加速度计的测量精度)，例如：ΔR1/R1(4.00821933)+ΔR4/R4(2.39223670)与ΔR5/R5(-2.38721183)+ΔR8/R8(-4.00629843)，即确定应变电阻R1、R4为一应变桥臂，应变电阻R5、R8为另一应变桥臂(该组合仅是一种可能)；然后，从余下的应变电阻中，从阻值增加的应变电阻R6、R7、R10、R11、R14、R15中选取四项，或者从阻值减小的应变电阻R2、R3、R9、R12、R13、R16中选取四项，并分组使其中两项的阻值总变化量与另两项的阻值总变化量相近或相等，例如：ΔR6/R6(2.37609018)+ΔR7/R7(3.88215102)与ΔR10/R10(3.87949205)+ΔR11/R11(2.38235883)；同理，再从余下的阻值减小的应变电阻R2、R3、R9、R12、R13、R16中选取四项，并分组使其中两项的阻值总变化量与另两项的阻值总变化量相近或相等，例如：ΔR2/R2(-3.88854308)+ΔR3/R3(-2.38061668)与ΔR9/R9(-4.00706817)+ΔR12/R12(-2.38985009)；即得到一种组合：

X：R1  R4  R8  R5

Y：R7  R6  R11 R10

Z：R3  R2  R12 R9

然后，将步骤(1)中Y向加载惯性力时的变化量ΔR/R数值大小及其正负带入上述组合，得：

X向：

ΔR1/R1(2.38893293)+ΔR4/R4(4.01170669)、

ΔR5/R5(4.00858497)+ΔR8/R8(2.38404748)；

Y向：

ΔR6/R6(-3.87483172)+ΔR7/R7(-2.37891564)、

ΔR10/R10(2.37846868)+ΔR11/R11(3.88915686)；

Z向：

ΔR2/R2(-2.38131442)+ΔR3/R3(-3.88588410)、

ΔR9/R9(-2.38706946)+ΔR12/R12(-4.01022003)；

即加载Y向惯性力时，Y向的惠斯通电桥的两个应变桥臂的变化量大小相近或相等、且方向相反，同时X向和Z向的惠斯通电桥的两应变桥臂的变化量大小相近或相等、但方向同为正或同为负的；

继续判断该组合是否满足当Z向加载惯性力时，各向惠斯通电桥应变桥臂的变化要求，将步骤(1)中Z向加载惯性力时的变化量ΔR/R数值大小及其正负带入上述组合，得：

X向：

ΔR1/R1(18.96265020)+ΔR4/R4(18.98400747)、

ΔR5/R5(18.95597098)+ΔR8/R8(18.93689235)；

Y向：

ΔR6/R6(-18.91370032)+ΔR7/R7(-18.94060023)、

ΔR10/R10(-18.93017368)+ΔR11/R11(-18.96332645)；

Z向：

ΔR2/R2(-18.95366822)+ΔR3/R3(-18.94330304)、

ΔR9/R9(18.94579980)+ΔR12/R12(18.97192482)；

即加载Z向惯性力时，Z向的惠斯通电桥的两个应变桥臂的变化量大小相近或相等、且方向相反，同时X向和Y向的惠斯通电桥的两应变桥臂的变化量大小相近或相等、但方向同为正或同为负的；

经上述方法所得的该组合符合步骤(3)的分组原则。

按照以上方法，至少有下列8组组合(即构成三个惠斯通电桥的的12个应变压敏电阻的排列方式可按照如下组合中应变压敏电阻在弹性梁2上的设置位置设置)：

组合1：             组合2：             组合3：

X：R15  R9  R14  R12     R1  R8  R4  R5     R13  R11  R16  R10

Y：R7   R11 R6   R10     R7  R11 R6  R10    R8   R9   R5   R12

Z：R8   R13 R5   R16     R9  R2  R12 R3     R15  R7   R6   R14

组合4：             组合5：             组合6：

R2      R7  R3   R6      R9  R15 R14 R12    R1   R8   R4   R5

R8      R9  R5   R12     R2  R13 R3  R16    R2   R3   R13  R16

R1      R11 R4   R10     R1  R11 R4  R10    R6   R7   R14  R15

组合7：             组合8：

R13     R11 R16  R10     R2  R7  R3  R6

R15     R1  R4   R14     R1  R15 R4  R14

R2      R3  R9   R12     R8  R13 R5  R16

最终根据步骤3对应变压敏电阻的分组组合，构成三个分测三轴方向加速度的惠斯通电桥。可根据具体实施时的布线要求选择构成惠斯通电桥的应变压敏电阻的组合。

具体实施时，三个惠斯通电桥只需12个应变压敏电阻，从节省工艺步骤的角度考虑(即省略了4个压敏电阻的设置步骤)，X向和Y向的弹性梁2上分别设六个应变压敏电阻，具体设置时一般皆对称设置，能满足步骤3所述的分组要求。如附图2所示为其一种具体的设置方式，并根据该分布方式和表1中的实测数据，可以采用组合2和组合4：

组合2：             组合4：

R1  R8  R4  R5        R2  R7  R3  R6

R7  R11 R6  R10       R8  R9  R5  R12

R9  R2  R12 R3        R1  R11 R4  R10

以组合2和加载Z向惯性力为例，应变压敏电阻在弹性梁上的分布与其构成的惠斯通电桥如图3-5所示；

Z向的惠斯通电桥，两应变桥臂分别由R2、R3串联构成和R9、R12串联构成，R2和R3的总变化量大小与R9和R12的总变化量大小相等或相近，且R2和R3的总变化量为负，R9和R12的总变化量为正。设输入电压为Ui，则Z向电桥的输出为：

$U_{\mathrm{oz}}=(\frac{R_{12}+\mathrm{\Δ}{R}_{12}+R_9+\mathrm{\Δ}{R}_9}{R_2+\mathrm{\Δ}{R}_2+R_3+\mathrm{\Δ}{R}_3+R_{12}+\mathrm{\Δ}{R}_{12}+R_9+\mathrm{\Δ}{R}_9}-\frac{R_{17}}{R_{17}+R_{18}})U_i$

X向的惠斯通电桥，两应变桥臂分别由R1、R4串联构成和R5、R8串联构成，R1和R4的总变化量大小与R5和R8的总变化量大小相等或相近，且R1和R4的总变化量与R5和R8的总变化量都为正，理想输出应为零，即横向效应为零。设输入电压为Ui，则X向输出为：

$U_{\mathrm{ox}}=(\frac{R_5+\mathrm{\Δ}{R}_5+R_8+\mathrm{\Δ}{R}_8}{R_1+\mathrm{\Δ}{R}_1+R_4+\mathrm{\Δ}{R}_4+R_5+\mathrm{\Δ}{R}_5+R_8+\mathrm{\Δ}{R}_8}-\frac{R_{19}}{R_{19}+R_{20}})U_i$

同理，Y向的惠斯通电桥，两应变桥臂分别由R6、R7串联构成和R10、R11串联构成，R6和R7的总变化量大小与R10和R11的总变化量大小相等或相近，且R6和R7的总变化量与R10和R11的总变化量都为负，理想输出应为零，即横向效应为零。设输入电压为Ui，则Y向输出为：

$U_{\mathrm{oy}}=(\frac{R_{10}+\mathrm{\Δ}{R}_{10}+R_{11}+\mathrm{\Δ}{R}_{11}}{R_6+\mathrm{\Δ}{R}_6+R_7+\mathrm{\Δ}{R}_7+R_{10}+\mathrm{\Δ}{R}_{10}+R_{11}+\mathrm{\Δ}{R}_{11}}-\frac{R_{21}}{R_{21}+R_{22}})U_i$

当受到X向和Y向的惯性力作用时，该受力方向的惠斯通电桥的输出较大，而其余两个方向的电桥输出较小近似于零，即横向效应为零。

所述支撑框体1、弹性梁2、以及通过弹性梁2支悬于支撑框体1中间的质量块是由SOI材料经现有腐蚀、刻蚀工艺加工制成；设置于弹性梁2和质量块、支撑框体1的固定端部的应变压敏电阻4以及支撑框体1上的基准压敏电阻5由SOI材料的上层硅经离子注入、硼扩散制成。

Claims (3)

1、一种三轴压阻微加速度计，包括支撑框体(1)、弹性梁(2)、通过弹性梁(2)支悬于支撑框体(1)中间的质量块(3)，质量块(3)四边分别通过两根平行弹性梁(2)与支撑框体(1)固定，支撑框体(1)下底面通过静电键合技术键合有玻璃底盖，弹性梁(2)与质量块(3)、支撑框体(1)的固定端部设置有阻值相等的应变压敏电阻(4)，其特征在于支撑框体(1)上还设置有六个阻值相等的基准压敏电阻，基准压敏电阻的阻值为应变压敏电阻阻值的两倍，应变压敏电阻(4)和基准压敏电阻(5)连接构成三个分测三轴方向加速度的惠斯通电桥，其中，每个基准压敏电阻(5)分别作为三个惠斯通电桥的单边基准桥臂，应变压敏电阻(4)每两个串联作为惠斯通电桥的单边应变桥臂；所述构成惠斯通电桥应变桥臂的应变压敏电阻的选定方法为：

(1)、利用有限元分析软件ANSYS分析，三个轴向分别加载相同g值的惯性力，应力分析得到每个应变压敏电阻的横向应力分量σ_t和纵向应力分量σ₁，根据公式 $\mathrm{\ΔR}/R=\frac{1}{2}{\mathrm{\π}}_{44}({\mathrm{\σ}}_l-{\mathrm{\σ}}_t),$ 得到每个应变压敏电阻在不同方向惯性力作用下的变化量ΔR/R，其中π₄₄为剪切向压阻系数；

(2)、根据步骤(1)得到的各应变压敏电阻变化量ΔR/R的正负变化情况，将各惯性力加载方向得到的变化量ΔR/R按正负分列；

(3)、根据上述变化量ΔR/R的正负和大小，以如下原则将应变压敏电阻分组：当在某一轴向加载惯性力时，其该轴向的惠斯通电桥的两个应变桥臂的变化量大小相近或相等、且方向相反，同时另两个轴向的惠斯通电桥的两应变桥臂的变化量大小相近或相等、但方向同为正或同为负的；

最终根据步骤(3)对应变压敏电阻的分组组合，构成三个分测三轴方向加速度的惠斯通电桥。

2、根据权利要求1所述的三轴压阻微加速度计，其特征在于所述支撑框体(1)、弹性梁(2)、以及通过弹性梁(2)支悬于支撑框体(1)中间的质量块是由SOI材料经现有腐蚀、刻蚀工艺加工制成；设置于弹性梁(2)和质量块、支撑框体(1)的固定端部的应变压敏电阻(4)以及支撑框体(1)上的基准压敏电阻(5)由SOI材料的上层硅经离子注入、硼扩散制成。

3、根据权利要求1或2所述三轴压阻微加速度计，其特征在于X向和Y向的弹性梁(2)上分别设六个应变压敏电阻。

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