CN101187673A - 单芯片三轴加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，涉及一种热对流单芯片三轴加速度传感器。其基本原理为通过热敏器件感应密封空腔体内的气体热对流，再通过计算输出加速度信号。包括加热丝温度传感器平面上方的封装腔和下方的刻蚀腔，对称置于中心四周的四组传感器。在汽车、游戏产业、航空、船舶导航系统、民用产品及军事等领域中有广泛的应用。本发明采用热对流原理来检测加速度信息，无质量块，可工作在高量程下，耐冲击，无粘连、颗粒等问题，成本低，故障率低，良品率高，灵敏度高，抗干扰强；相对于MEMSIC公司原来的单芯片双轴热对流加速度传感器，可以对加速度进行三维空间内的测量。

Description

单芯片三轴加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种用于汽车、飞机、消费电子产品、游戏机、机器人、通信电子、安全系统等领域的热对流单芯片三轴加速度传感器。

背景技术

加速度传感器在交通运输、民用产品、工业控制、机器人及军事等领域都有着广阔的应用前景。目前应用的加速度传感器，其普遍特点是需要检验质量块，质量块的存在会使得传感器耐冲击能力弱、测量范围窄、可靠性低、尺寸不易减小、成本不易降低。另外，对质量块运动的检测也存在这样或那样的问题，比如压电或者压阻式加速度计受温度影响比较明显，而电容式加速度计则受初始寄生电容影响较大。

上述问题促使人们寻求不用质量块的加速度传感器。1996年，美国专利5581034提出了一种以流体作为工作介质的加速度传感器，并采用常规的机械加工方法给予了实现，其示意图如图1所示，图中1，5为地线接头，9，12为温度传感器，2，4，6，8为温度传感器接头，11为加热丝，3，7为加热丝的接头，10为密封容器，13为加速度方向。它的工作原理为：当加热丝11通电流加热的时候，它的温度升高，靠近它周围的流体温度也相应升高，从而在密封腔体内形成自然对流。当没有加速度作用于此器件的时候，气体的流动和传热以加热丝为轴对称分布于两边，两个对称布置的温度传感器9，12检测到相同的温度，而当有加速度13作用于此器件的时候，腔体中的流动和换热将不再对称分布，两个温度传感器9，12将检测到不同的温度，它们之间的温度差比例于加速度的大小，加速度越大，腔体内的自由对流的不对称性越强，温差也就越大。通过检测温度差就可以获得加速度的大小。上述加速度计由于采用气体作为工作介质，克服了一般的加速度计中采用质量块带来的问题，具有较多优点。该加速度传感器的不足之处在于：1)结构尺寸大，响应频率低；2)灵敏度差；3)输出信号非线性。

2002年，中国专利02116842.3提出的微型硅桥式热对流加速度传感器，其示意图如图2所示。它主要由硅基17、用于提供自然对流空间的腔体16、加热丝14、温度传感器151、152、153、154和其对应的电接触片181、182、183和184构成。测试电路采用桥式电路。其中，靠近加热丝的第一对传感器可位于距离加热丝0.2-0.3倍于腔体半长的位置处，第二对传感器可距离第一对传感器1-3倍的加热丝宽度的位置处，所说的腔体高度可为10-15倍于加热丝的厚度。该硅微对流加速度计采用硅材料作为基本材料，采用硅微加工工艺制造，工作介质在应用于高灵敏度的场合时采用密度大的气体，而在需要高响应频率时采用小密度气体。该热对流加速度计利用四个温度传感器对称布置来检测加速度信号，使得器件的灵敏度和线性度有了很大的提高。

2001年，美国专利6182509 B1提出了一种基于热对流原理的高灵敏度MEMS集成加速度传感器。一个被放置在硅芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团，同时热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向，由于自由对流热场的传递性和惯性原理，任何方向的加速度会使中间的热气团移动，从而导致热场的不对称性。此时四个热电耦组的输出电压会出现差异，而热电耦组输出电压的差异直接与所感应的加速度成比例。在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径，一条是用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则用于测量Y轴上所感应的加速度。这是MEMSIC公司所独有的将传感器与信号处理电路集成在同一块CMOS芯片上的MEMS加速度传感器产品，具有易制造，可靠性高，成本低的优点，但无法测量出Z轴方向的加速度，很多性能无法在三维空间得到充分地发挥。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单芯片三轴加速度传感器，以缩小传感器的体积、降低成本、提高可靠性、改善性能。

热对流型加速度传感器正在占领越来越大的市场份额，但热对流型加速度传感器至今未有3轴产品面试。本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，应用热对流原理，在MEMSIC公司原有的单芯片双轴加速度传感器的基础上，提出一种单芯片三轴加速度传感器，并对结构参数和工作介质进行了优化选取。按照本发明提供的技术方案，所述方法包括：

a)利用热对流的原理来实现对加速度的测量；

b)该热对流的流体介质是液体或气体；

c)该方法需要在该芯片硅衬底上刻蚀形成一个开放的刻蚀腔；

d)在刻蚀腔的上表面有悬空的桥梁结构，在该桥梁结构上设置加热丝，以及测温用的温度传感器；其中，芯片表面为X轴与Y轴构成的平面，Z轴垂直芯片表面；

e)封装后该芯片上方有一个比刻蚀腔大的封装腔，该刻蚀腔和该封装腔形成整个对流空间；

f)在该对流空间充满该流体介质；

g)该加热用的加热丝使用毫瓦级的功耗加热，使得该对流空间形成温度梯度。

所述刻蚀腔、封装腔、桥梁结构、加热丝和温度传感器关于X轴与Z轴构成的平面及关于Y轴与Z轴构成的平面分别对称。

在设置加热丝和温度传感器时，在X轴的正向、X轴的负向、Y轴的正向及Y轴的负向4个方向各有一测量群，每一测量群包含一组电阻丝和两组温度传感器，一组加热丝包含有一个或两个加热丝，一组温度传感器包含若干个温度传感器。

该测量群中两组温度传感器在该组加热丝的两侧。或者，该测量群中两组温度传感器在该组加热丝的同一侧。

两组温度传感器和该组的加热丝分别在平行的桥梁结构上，靠近中心的温度传感器为内组温度传感器，靠近刻蚀腔外边沿的为外温度传感器；四测量群的四组内组温度传感器所在的桥梁结构围成一个内四方环，外组温度传感器所在的桥梁结构也组成一个外四方环，加热丝所在桥梁结构也组成四方环。

所述温度传感器包括热电偶、热敏电阻或pn结热敏器件。所述温度传感器组测量的温度是单点的绝对温度，或者是点与点之间的相对温度。各组温度传感器测量两点间的相对温度，其中一点在传感器所在桥梁结构的中心，另一点在端部。每个温度传感器组用两个热电偶组，每个热电偶组占据半个桥梁结构，两个热电偶组各有一端在该桥梁结构的中心，另一端分别在该桥梁结构的两个端部。

在加热丝与温度传感器平面上方封装腔和下方刻蚀腔的对流空间大小形状不同，封装的空腔大，刻蚀的空腔小，导致在加热丝平面内的气体流向与z方向的加速度有关。气流同加速度方向的关系如图6。当运动加速度向上时，可以等效为芯片正放，重力加速度向下。这时，在刻蚀空腔中心，加热丝位置热气体上升，气流由下向上，周围气流下降，刻蚀腔上表面，即加热丝平面的气流会由边缘流向中心以补偿在加热丝处向上流出的气体。反之当加速度反向时，气流从中间到边沿。温度传感器处的温度会随着加速度的方向和大小变化而改变，从而测得加速度。

本发明的特点和应用范围：

1、将三轴加速度测量和信号集成电路同时集成在一个芯片上，可以在不同场合下应用，特别适合测量大加速度和存在强冲击的情况下工作；

2、采用硅微加工技术制造，具有尺寸小、成本低、性能好的特点；

3、对结构参数和工作介质作了优化，使器件性能得到了提高；

4、采用四组温度传感器对称布置来检测加速度信号，使得器件的灵敏度和线性度得到很大的提高。

附图说明

图1为美国专利5581034的结构示意图；

图2为中国专利02116842.3的结构示意图；

图3为实施例1的俯视示意图；

图4为实施例1的剖视示意图；

图5为实施例1的剖视结构图；

图6为实施例1芯片正面朝上的气流图；

图7为实施例1芯片正面朝下的气流图；

图8为实施例2的俯视示意图；

图9为实施例2的剖视示意图；

图10为实施例2的剖视结构图；

图11为实施例2芯片正面朝上的气流图；

图12为实施例2芯片正面朝下的气流图。

具体实施方式

在实际测量中，从边缘到中心的线上不同位置温度变化幅度各不相同，我们可以在这条线上不同位置放置多组温度传感器，再把这些传感器信号通过加减乘除进行合成，从而获得最好的x轴方向，y轴方向和z轴方向的加速度信号。

本实施例1的示意图如图3所示，以4组介于中心和四边的加热丝和温度传感器组代替原来双轴加速度传感器的位于中心的加热丝和4个方向的温度传感器。不同加速度下的气流如图6，图7所示。

共4个热源，8个温度传感器。可以通过该结构测量X轴，Y轴和Z轴三个方向的加速度。

X轴方向信号：(传感器2-传感器1)+(传感器3-传感器4)；

Y轴方向信号：(传感器6-传感器5)+(传感器7-传感器8)；

Z轴方向信号：(传感器1-传感器2)+(传感器3-传感器4)

+(传感器5-传感器6)+(传感器7-传感器8)。

这种设计可以很大程度上消除信号的零点漂移和温漂。

中心的4个传感器(1、3、5、7)也可以合并成一个放置于最中心位置。另外，还可以在中心位置再增加一个热源加强Z轴方向对流，以提高Z轴的信号，不过这样会使信号本底噪音加大，温度特性也会有一定程度变化。

本实施例2的示意图如图8所示，气体对流图则如图9，图10所示。

在热源平面，即硅片上表面，Z轴的温度传感器比X轴和Y轴的温度传感器更靠近热源。X轴、Y轴、Z轴温度传感器信号都会随着Z轴方向的加速度变化而变化，只是变化幅度不同。我们可以通过Z轴的温度传感器得到Z轴方向的加速度。还可以把Z轴的温度传感器信号与XY传感器信号通过一定的手段对比处理，即(Z轴传感器/X轴传感器+Y轴传感器)或(Z轴传感器-(X轴传感器+Y轴传感器))，在一定程度上消除本底和温度漂移，使信号有更好的温度特性。

X轴方向信号：传感器X1-传感器X2；

Y轴方向信号：传感器Y1-传感器Y2；

Z轴方向信号：传感器Z，或传感器Z/(传感器X1+传感器X2+传感器Y1+传感器Y2)

在上述方法中Z轴传感器在XY方向对称放置了4组是为了抵消XY方向加速度对Z轴加速度测量的影响。

Claims (10)

1.一种单芯片三轴加速度传感器，其特征是：

a、在芯片(1)的硅衬底上刻蚀形成一个开放的刻蚀腔(2)；

b、在刻蚀腔的上表面有悬空的桥梁结构(3)，在该桥梁结构上设置加热丝(4)，以及测温用的温度传感器(5)；其中，芯片表面为X轴与Y轴构成的平面，Z轴垂直芯片表面；

c、用LCC8封装后，该芯片上方有一个比刻蚀腔大的封装腔(6)，该刻蚀腔(2)和该封装腔(6)形成整个对流空间；

d、在该对流空间充满该流体介质；

e、该加热用的加热丝(4)使用毫瓦级的功耗加热，使得该对流空间形成温度梯度。

2.如权利要求1所述单芯片三轴加速度传感器，其特征是，所述刻蚀腔(2)、封装腔(6)、桥梁结构(3)、加热丝(4)和温度传感器(5)关于X轴与Z轴构成的平面及关于Y轴与Z轴构成的平面分别对称；所述热对流的流体介质是液体或气体；并利用热对流的原理来实现对加速度的测量。

3.如权利要求1所述单芯片三轴加速度传感器，其特征是，在设置加热丝(4)和温度传感器(5)时，在X轴的正向、X轴的负向、Y轴的正向及Y轴的负向4个方向各有一测量群，每一测量群包含一组加热丝(4)和两组温度传感器(5)，一组加热丝(4)包含有一个或两个加热丝，一组温度传感器(5)包含若干个温度传感器。

4.如权利要求3所述单芯片三轴加速度传感器，其特征是，该测量群中两组温度传感器(5a)在该组加热丝(4a)的两侧。

5.如权利要求3所述单芯片三轴加速度传感器，其特征是，该测量群中两组温度传感器(5b)在该组加热丝(4b)的同一侧。

6.如权利要求4所述单芯片三轴加速度传感器，其特征是，两组温度传感器(5a)和该组的加热丝(4a)分别在平行桥梁结构(3)上，靠近中心的温度传感器(5a)为内组温度传感器，靠近刻蚀腔(2)外边沿的温度传感器(5a)为外温度传感器；四测量群的四组内组温度传感器(7)所在的桥梁结构围成一个内四方环，外组温度传感器(8)所在的桥梁结构也组成一个外四方环，加热丝(4a)所在桥梁结构也组成四方环。

7.如权利要求1～6之一所述单芯片三轴加速度传感器，其特征是，温度传感器(5)包括热电偶、热敏电阻或pn结热敏器件。

8.如权利要求3～6之一所述单芯片三轴加速度传感器，其特征是，温度传感器组测量的温度是单点的绝对温度，或者是点与点之间的相对温度。

9.如权利要求3～6之一所述单芯片三轴加速度传感器，其特征是，各组温度传感器测量两点间的相对温度，其中一点该温度传感器所在桥梁结构在(3)的中心，另一点在端部。

10.如权利要求9所述单芯片三轴加速度传感器，其特征是，每个温度传感器组用两个热电偶组，每个热电偶组占据半个桥梁结构(3)，两个热电偶组各有一端在该桥梁结构(3)的中心，另一端分别在该桥梁结构(3)的两个端部。

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