CN102507980B - 一种基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器，包括衬底、筒状结构的固定支撑、苜蓿叶形状的惯性质量块、PN结和谐振微梁；惯性质量块通过四个对称的谐振微梁悬挂于支撑架的中部，并位于衬底的正上方；四个PN结对称设置在衬底上，并分别位于四根谐振微梁的正下方。该传感器在不需要加工高精度光学谐振腔的情况下基于自谐振技术实现谐振微梁的光激振，并通过谐振微梁的差分频率检测实现对加速度的测量；整体呈对称微结构，确保在两个检测方向灵敏度一致；能在有限体积下实现较大的敏感质量；直接输出频率信号，具有高的抗干扰能力和稳定性，处理电路简化；激励源与振动元件之间无机械接触，灵敏度高、精度高。

Description

一种基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器

技术领域

本发明属于MEMS传感器技术领域，尤其涉及一种基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器。

背景技术

目前，单轴微型加速度传感器的技术比较成熟。但在一些特殊的应用场合，如飞行器姿态控制、导弹制导、战场机器人等，往往需要检测两个方向的加速度。早期的二维微型加速度传感器，大多是两个单轴微型加速度传感器的组合，即是将两只单轴微型加速度传感器相互正交装配在一起，这种组装的二维微型加速度传感器的性能受装配精度的影响极大、一致性差、集成度低、体积较大，且不能批量加工。随着MEMS工艺水平的不断提高，出现了在同一基片上制作两个独立加速度传感器的二维微型加速度传感器，实现了二维微型加速度传感器的批量加工，提高了集成度，但是芯片面积较大。随着研究的深入，近年来出现了采用单敏感质量元检测两个方向加速度的实施方案，它以其集成度高、体积小，相对易于实现主轴灵敏度一致的优势受到诸多MEMS研究者的青睐。

但是，无论是组合式、在同一基片上制作两个独立的加速度传感器还是采用单敏感质量元的二维微型加速度传感器，都存在交叉干扰严重、主轴灵敏度不一致等问题。因此，探索新原理、新结构的二维微型加速度传感器具有重要的理论意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器。

     本发明采用了如下技术方案：一种基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器，包括衬底、固定支撑、惯性质量块、PN结和谐振微梁；所述固定支撑为筒状结构，固定支撑的底端固定在衬底上；所述惯性质量块为苜蓿叶形状，惯性质量块通过四周凹腔内分别设置的、呈对称结构的谐振微梁悬挂于固定支撑的中部，并位于衬底的正上方；所述谐振微梁通过固定支撑与衬底欧姆接触；所述PN结为四个，对称设置在衬底上，每个PN结位于一个谐振微梁的正下方，并与谐振微梁对应。 

作为本发明的另一种优选方案，所述谐振微梁的一端连接在惯性质量块的凹腔内正中部，另一端连接在固定支撑上。

本发明提供的一种基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器，与现有的技术相比，具有如下优点：

1、基于自谐振技术，在不需要加工高精度光学谐振腔（如法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉腔）的情况下实现谐振微梁的光激振，并通过谐振微梁的差分频率检测实现对加速度的测量。

2、整体呈对称微结构，确保了传感器在两个检测方向灵敏度一致；传感器直接输出频率信号，可与数字电路及计算机直接接口，省去A/D转化，处理电路简化；频率信号具有高的抗干扰能力和稳定性，不易产生失真误差，功耗低；使用单个非调制光源完成激励，不需用外电路锁定激励光的调制频率并使之与振动元件的固有频率相同，减小了系统的复杂性，提高了可靠性；同时，激励源与振动元件之间无机械接触，灵敏度高、精度高。

3、采用苜蓿叶形状的惯性质量块，能够在有限体积下实现较大的敏感质量，使加速度高效转化为惯性力。同时，能在相同面积内制作出相对较长的谐振微梁。

附图说明

图1为基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器的结构示意图；

图2为图1中沿A-A方向的剖面视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

图1为基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器的结构示意图，图2为图1中沿A-A方向的剖面视图，如图所示。一种基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器，包括衬底1、固定支撑2、惯性质量块3、PN结4和谐振微梁5。固定支撑2为筒状结构，固定支撑2的底端固定在衬底1上，本实施例中，衬底1为矩形结构，固定支撑2的横截面也为矩形结构，固定支撑2的底端通过衬底1将底端密封。惯性质量块3为苜蓿叶形状（即惯性质量块3为矩形结构，在惯性质量块的四周中部分别设有内凹结构的凹腔），惯性质量块3通过四周凹腔内分别设置的、呈对称结构的谐振微梁5悬挂于固定支撑2的中部（谐振微梁5的一端连接在惯性质量块3的凹腔内，并位于凹腔正中部，以防止质心偏移，另一端连接在固定支撑2上），并位于衬底1的正上方。谐振微梁5与衬底1是掺杂浓度相同的N型多晶硅，谐振微梁5通过固定支撑2与衬底1欧姆接触。PN结4为四个，对称设置在衬底1上，每个PN结4位于一个谐振微梁5的正下方（即每个谐振微梁5的正下方正对一个PN结），并与谐振微梁5对应。 

图2为图1中沿A-A方向的剖面视图，即为该加速度传感器的横截面视图，以该图2的左右为x轴方向，前后为y轴方向，并以右侧为x轴的正向，后侧为y轴正向。当惯性质量块3受到惯性力作用时，沿惯性力方向的一组谐振微梁承受轴向拉力或压力，从而改变了谐振微梁的谐振频率（谐振频率的变化受待测加速度调制）；与惯性力垂直方向的一组谐振微梁承受横向力作用，变形一致，谐振频率差值为零。具体地，加速度a _x （假定沿x轴负向）作用，谐振微梁51承受轴向拉力，谐振频率增加；谐振微梁52承受轴向压力，谐振频率下降，通过检测谐振微梁51、52的频率差即可获取加速度a _x 。此时谐振微梁53、54承受横向力作用，变形一致，谐振频率差值为零。同理，加速度a _y （假定沿y轴负向）作用，谐振微梁53承受轴向拉力，谐振频率增加；谐振微梁54承受轴向压力，谐振频率下降，通过检测谐振微梁53、54的频率差即可获取加速度a _y 。此时谐振微梁51、52承受横向力作用，变形一致，谐振频率差值为零。再通过光学或电学等方法拾取谐振频率差，实现对加速度的测量。

光激励谐振式微传感器的研制，关键是要实现由光激引起的谐振元件振动。按照入射激励光的调制特性，光激方式有两种：一种是使用光强被正弦调制的光源激励，谐振元件吸收光能，并将光能转换为机械振动能；另一种是使用非调制的光源激励，谐振元件不直接吸收光能，即所谓的自谐振技术。本发明采用自谐振技术，通过在一个振动周期内光能、电能、机械能相互转换的机制来维持振动，其核心是通过光生载流子产生的静电引力将光能转换为谐振微梁振动的机械能。当有入射光照射时，PN结首先产生光生载流子，在谐振微梁与PN结的P区之间产生电荷堆积，将光能转换为电能，在静电吸引力的作用下，谐振微梁向PN结方向弯曲，即电能转换为机械能，谐振微梁弯曲同时改变了入射光束的干涉条件，减少PN结接收到的入射光强，即使得光生载流子数目减少，静电吸引力减小，谐振微梁在自身弹性力的作用下恢复到初始位置，这就是谐振微梁在一个周期内的变化。在足够的光照和适当的相位关系下，谐振微梁周期的弯曲演变为谐振。振动过程的能量损耗由入射光能补充。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器，其特征在于：包括衬底（1）、固定支撑（2）、惯性质量块（3）、PN结（4）和谐振微梁（5）；所述固定支撑（2）为筒状结构，固定支撑（2）的底端固定在衬底（1）上；所述惯性质量块（3）为苜蓿叶形状，惯性质量块（3）为矩形结构，在惯性质量块（3）的四周中部分别设有内凹结构的凹腔，惯性质量块（3）通过四周凹腔内分别设置的、呈对称结构的谐振微梁（5）悬挂于固定支撑（2）的中部，并位于衬底（1）的正上方；所述谐振微梁（5）通过固定支撑（2）与衬底（1）欧姆接触；所述PN结（4）为四个，对称设置在衬底（1）上，每个PN结（4）位于一个谐振微梁（5）的正下方，并与谐振微梁（5）对应。

2.根据权利要求1所述的基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器，其特征在于：所述谐振微梁（5）的一端连接在惯性质量块（3）的凹腔内正中部，另一端连接在固定支撑（2）上。

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