CN102507982B

CN102507982B - 一种基于光热效应的硅微谐振式二维加速度传感器

Info

Publication number: CN102507982B
Application number: CN 201110341473
Authority: CN
Inventors: 刘妤; 邓国红; 丁军; 郑拯宇
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: CN102507982A

Abstract

本发明公开了一种基于光热效应的硅微谐振式二维加速度传感器，包括衬底、固定支撑、苜蓿叶形状的惯性质量块和谐振微梁；惯性质量块通过对称设置的四个谐振微梁悬挂于固定支撑的中部，并位于衬底的正上方；每个谐振微梁的上表面涂覆金属涂层。该传感器基于光热效应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；能在相同面积内制作出相对较长的谐振微梁；传感器直接输出频率信号，处理电路简化；频率信号具有高的抗干扰能力和稳定性；激励源与振动元件之间无机械接触，灵敏度高、精度高。

Description

一种基于光热效应的硅微谐振式二维加速度传感器

技术领域

本发明属于MEMS传感器技术领域，尤其涉及一种基于光热效应的硅微谐振式二维加速度传感器。

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光热效应的硅微谐振式二维加速度传感器。

本发明采用了如下技术方案：一种基于光热效应的硅微谐振式二维加速度传感器，包括衬底、固定支撑、惯性质量块和谐振微梁；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；每个谐振微梁的上表面涂覆金属涂层。

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光热效应的硅微谐振式二维加速度传感器，与现有的技术相比，具有如下优点：

1、采用调制频率等于谐振微梁固有频率的周期调制光源照射，基于光热效应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；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为基于光热效应的硅微谐振式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；

图3为本发明的能量流向示意图。

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为基于光热效应的硅微谐振式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。一种基于光热效应的硅微谐振式二维加速度传感器，包括衬底1、固定支撑2、惯性质量块3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，每个谐振微梁5的上表面涂覆金属涂层4。

为提高光能转化为机械能的效率，在谐振微梁5的表面镀一层高光能吸收系数、低比热容、高热胀系数的金属材料（一般优选铝、铬、金等金属），金属涂层4涂覆在谐振微梁5的上表面。

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。

本发明的能量流向如图3所示，其核心是谐振微梁吸收光能。调制光照射下谐振微梁吸收光能后局部受热产生形变，周期调制的光照引起周期形变，当光源的调制频率与谐振微梁形变的固有频率一致时，谐振微梁的周期形变演变为谐振。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

1.一种基于光热效应的硅微谐振式二维加速度传感器，其特征在于：包括衬底（1）、固定支撑（2）、惯性质量块（3）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）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；每个谐振微梁（5）的上表面涂覆金属涂层（4）；所述谐振微梁与衬底是掺杂浓度相同的N型多晶硅。

2.根据权利要求1所述的基于光热效应的硅微谐振式二维加速度传感器，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。