CN102141576A - 基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及MEMS传感器，具体是一种基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器。解决了现有MEMS高g加速度传感器结构不易实现水平向加速度测量、检测结果易受温度影响等问题，包括硅基框架、质量块，质量块两侧分别通过独立支撑梁、两组合梁与硅基框架固定，独立支撑梁沿质量块中心线设置，两组合梁以质量块中心线为对称轴对称设置；组合梁含检测梁、两连接梁，检测梁上设有应变压敏元件，检测梁的厚度及宽度小于连接梁；独立支撑梁、质量块、组合梁中的连接梁为等厚设置。结构合理、简单，能实现水平向加速度测量，加工工艺简单，受环境温度影响较小，在高温环境下不易失效，易于实现三轴集成，适用于测量高g值的冲击加速度。

Description

基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器
技术领域
本发明涉及MEMS传感器，具体是一种基于RTS（共振隧穿结构）的MEMS面内高g加速度传感器。
背景技术
现有MEMS高g加速度传感器的结构多采用悬臂梁-质量块结构，在悬臂梁上设置敏感元件，由质量块敏感加速度。主要用于测量与传感器所在平面垂直方向上的加速度，即当传感器受到垂直于本身的加速度作用时，质量块将在加速度方向上产生与加速度大小对应的位移，此时悬臂梁将会发生弯曲变形，并在其表面产生拉应力（或压应力），进而致使位于悬臂梁表面的敏感元件的阻值增大（或减小），通过测量阻值的变化就可测得加速度的变化情况。虽然将敏感元件制作在悬臂梁的侧面也可以实现水平方向（即与传感器所在平面平行的方向）上加速度的测量，但是由于其加工工艺复杂，加工精度、一致性、成品率低，实现极为不易，且成品检测精度低，无法满足当前科技发展进程的使用需要。
此外，悬臂梁上设置的敏感元件多采用通过高掺杂工艺制作的压敏电阻，掺杂制作时，载流子浓度越高，受温度影响越大，当工作温度超过120℃时，会最终导致MEMS传感器的特性严重失效。
发明内容
本发明为了解决现有MEMS高g加速度传感器结构不易实现水平方向加速度测量、受工艺条件限制不易实现传感器三轴向集成、检测结果易受温度影响等问题，提供了一种基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器，包括硅基框架、支悬于硅基框架内的质量块，质量块一侧通过独立支撑梁与硅基框架固定，相对侧通过两平行设置的组合梁与硅基框架固定，独立支撑梁与组合梁平行，且独立支撑梁沿质量块中心线设置，两组合梁以质量块中心线为对称轴对称设置；所述组合梁包含检测梁、分别设置于检测梁两端用以实现检测梁与质量块、硅基框架固定的两连接梁，检测梁上设有应变压敏元件，检测梁的厚度及宽度小于连接梁；独立支撑梁、质量块、及组合梁中的连接梁为等厚设置；硅基框架上设有两基准压敏元件，硅基框架上的基准压敏元件与检测梁上的应变压敏元件连接构成惠斯通半桥，所述基准压敏元件与应变压敏元件为共振隧穿结构RTS。
当传感器受到与传感器所在平面平行方向上的加速度（即面内加速度）时，质量块将在加速度方向上产生与加速度大小对应的位移，支撑梁和组合梁上应力变化；组合梁中检测梁的尺寸小于连接梁和支撑梁，因此应力变化主要产生在检测梁上，导致检测梁上应变敏感元件的参数变化，通过检测梁上的应变敏感元件和硅基框架上的基准敏感元件连接组成惠斯通半桥，可测得加速度方向上检测梁的应力变化，进而确定水平向加速度的变化情况。
其中，当质量块敏感到加速度时，检测梁上应力变化分为：1、传感器所在平面内沿检测梁方向上的应力变化；2、传感器所在平面内沿与检测梁垂直方向上的应力变化；3、沿与传感器所在平面垂直方向的应力变化；应力变化1、2由加速度的水平向分量引起，应力变化3由加速度的垂直向分量引起。检测梁上应变敏感元件的参数变化受上述应力变化共同影响，为避免上述应力变化对应变敏感元件的影响相互抵消，导致惠斯通半桥输出无效，因此，在应用本发明所述结构时，应在独立支撑梁、质量块、检测梁、组合梁等尺寸确定的情况下，通过改变检测梁于组合梁中的设计位置，使应力变化2、3对应变敏感元件的影响相抵消或最小化，进而使检测梁仅在自身设置方向上具有形变，即使检测梁上应变敏感元件的参数变化仅与传感器所在平面内沿检测梁方向上的应力变化相关；这样，惠斯通半桥的输出直接就反映了传感器所在平面内水平向加速度的大小及变化情况，而且利于较大幅度地提高传感器本身的灵敏度和固有频率。
通过对本发明结构进行仿真实验，在理论上验证了本结构一阶振型和加速度检测水平向的方向相同，且具有较高的一阶固有频率，同时本结构还有效地拉开了传感器一阶振型固有频率与二阶振型固有频率的差距，避免检测时发生交叉耦合（即横向灵敏度过大），有利于减小加速度传感器的测试误差，提高了传感器的敏感轴方向上输出的精度，满足高g值加速度传感器的应用要求。
应用ANSYS有限元分析软件对本发明所述传感器结构按如下表表1尺寸参数进行模态仿真分析，其仿真的结果如下：1、一阶模态的固有频率为340KHz，质量块的振动沿水平向Y轴振动；2、二阶模态的固有频率为670 KHz，质量块的振动沿垂直向Z轴振动；3、三阶模态的固有频率为961 KHz，质量块绕X轴转动。由此可知，本发明所述传感器结构的一阶固有频率为340KHz，且一阶振型为沿水平向Y轴振动，与加速度检测方向相同，且频响大于10KHz。其次，对结构加载15万g载荷进行静力学分析，计算出检测梁上的等效应力最大能达到220MPa左右，小于340MPa，完全满足设计要求。
表1
硅基框架 独立支撑梁 质量块 连接梁1 连接梁2 检测梁
长度（um） 1800 300 600 200 250 100
宽度（um） 300 200 350 100 100 50
厚度（um） 350 250 250 250 250 80
与组合梁共同支撑质量块的独立支撑梁，能避免质量块由于自身的重力或者所受到过大冲击载荷作用时结构发生破坏性失效；同时，独立支撑梁的存在使结构的水平向刚度要远小于垂直向刚度，有利于降低传感器的交叉耦合。
共振隧穿结构RTS采用GaAs材料、以硅基异质外延GaAs工艺制作获得，利用超晶格薄膜压阻效应敏感应力变化，其超晶格阱区和垒区不掺杂载流子，受温度影响较小，可有效降低温度对传感器特性的影响，避免传感器特性的严重实效。
所述独立支撑梁与质量块固定的端部、独立支撑梁与硅基框架固定的端部、连接梁与质量块固定的端部、连接梁与硅基框架固定的端部、检测梁与连接梁固定的端部皆设置有倒角；所述倒角设置的位置是应力集中且尖锐的区域，设置倒角可以在不改变应力大小的基础上有效地避免这些区域应力集中，降低这些区域处结构因应力集中而断裂失效的可能性，从而保证了结构在高g值环境中工作的可靠性。
硅基框架在水平检测方向（即与检测梁垂直的水平方向）上正对的边框的内壁上分别设有限位块；这样，可以使传感器在经受高冲击时，其内部结构不会因位移过大而发生断裂失效，增加了传感器的安全性。
本发明的基本结构采用现有经典的悬臂梁-质量块结构，其敏感机理则采用超晶格薄膜压阻效应的敏感原理。但是与现有加速度传感器相比，本发明的主要特点是用于测量水平方向上的高g值加速度信号。本发明的主要意义在于通过实现水平方向上高g值加速度信号的测量，可用于制作通过3个不同的单元（X、Y、Z三个方向检测单元相互独立，本发明可用于检测X、Y两个方向）分别检测3个轴向的加速度的三维高g加速度传感器，以解决各轴向间加速度信号的耦合，真正地实现三轴向集成的加速度传感器。
本发明结构合理、简单，能实现水平向加速度测量，且加工工艺简单，受环境温度影响较小，在高温环境下不易失效，易于实现三轴集成，具有良好的灵敏度和抗高过载能力，适用于测量高g值的冲击加速度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的A处放大图；
图中：1-硅基框架；2-质量块；3-独立支撑梁；4-连接梁；5-检测梁；6-应变压敏元件；7-基准压敏元件；8-限位块；9-倒角。
具体实施方式
如图1所示，基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器，包括硅基框架1、支悬于硅基框架1内的质量块2，质量块2一侧通过独立支撑梁3与硅基框架1固定，相对侧通过两平行设置的组合梁与硅基框架1固定，独立支撑梁3与组合梁平行，且独立支撑梁3沿质量块2中心线设置，两组合梁以质量块2中心线为对称轴对称设置；所述组合梁包含检测梁5、分别设置于检测梁5两端用以实现检测梁5与质量块2、硅基框架1固定的两连接梁4，检测梁5上设有应变压敏元件6，检测梁5的厚度及宽度小于连接梁4；独立支撑梁3、质量块2、及组合梁中的连接梁4为等厚设置；硅基框架1上设有两基准压敏元件7，硅基框架1上的基准压敏元件7与检测梁4上的应变压敏元件6连接构成惠斯通半桥，所述基准压敏元件7与应变压敏元件6为共振隧穿结构RTS。
所述独立支撑梁3与质量块2固定的端部、独立支撑梁3与硅基框架1固定的端部、连接梁4与质量块2固定的端部、连接梁4与硅基框架1固定的端部、检测梁5与连接梁4固定的端部皆设置有倒角9；硅基框架1在水平检测方向（即与检测梁垂直的水平方向）上正对的边框的内壁上分别设有限位块8。

Claims (3)

1.一种基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器，其特征在于：包括硅基框架（1）、支悬于硅基框架（1）内的质量块（2），质量块（2）一侧通过独立支撑梁（3）与硅基框架（1）固定，相对侧通过两平行设置的组合梁与硅基框架（1）固定，独立支撑梁（3）与组合梁平行，且独立支撑梁（3）沿质量块（2）中心线设置，两组合梁以质量块（2）中心线为对称轴对称设置；所述组合梁包含检测梁（5）、分别设置于检测梁（5）两端用以实现检测梁（5）与质量块（2）、硅基框架（1）固定的两连接梁（4），检测梁（5）上设有应变压敏元件（6），检测梁（5）的厚度及宽度小于连接梁（4）；独立支撑梁（3）、质量块（2）、及组合梁中的连接梁（4）为等厚设置；硅基框架（1）上设有两基准压敏元件（7），硅基框架（1）上的基准压敏元件（7）与检测梁（4）上的应变压敏元件（6）连接构成惠斯通半桥，所述基准压敏元件（7）与应变压敏元件（6）为共振隧穿结构RTS。
2.根据权利要求1所述的基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器，其特征在于：所述独立支撑梁（3）与质量块（2）固定的端部、独立支撑梁（3）与硅基框架（1）固定的端部、连接梁（4）与质量块（2）固定的端部、连接梁（4）与硅基框架（1）固定的端部、检测梁（5）与连接梁（4）固定的端部皆设置有倒角（9）。
3.根据权利要求1所述的基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器，其特征在于：硅基框架（1）在水平检测方向上正对的边框的内壁上分别设有限位块（8）。
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