CN103235155A - 一种具有全桥微梁结构的压阻式加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有全桥微梁结构的压阻式加速度传感器，包括框架、悬臂梁、微梁和质量块，所述悬臂梁处于质量块对称轴线上；所述微梁共有四个，以悬臂梁所在轴线为轴对称地分布于质量块边缘。该结构设置四个微梁，并将压阻敏感电阻设于四个微梁上，四个压阻敏感电阻构成惠斯顿全桥电路，一方面使得悬臂梁的应变得到放大，提高了灵敏度；另一方面，四个压阻敏感电阻均处于芯片内，因测量环境温度变化引起的阻值漂移对电路的影响在全桥电路中相互抵消，提高了温度稳定性；而且四个微梁增加了对质量块振动的约束，提高了一阶谐振频率。

Description

一种具有全桥微梁结构的压阻式加速度传感器
技术领域
  本发明涉及加速度传感器技术领域，尤其涉及一种具有全桥微梁结构的压阻式加速度传感器。
背景技术
硅具有优良的机械性能和电学性能，而且在微电子加工技术方面有现成工艺，因而广泛应用于各种MEMS器件中。高灵敏度，宽频响的加速度测量传感器在军，民两方面都有重要的应用。传统MEMS加速度传感器一般采用硅悬臂梁和梁上面的压阻敏感元件做为核心部件，此结构中悬臂梁因为弯曲存储的势能只有一小部分传递到压阻敏感元件，导致灵敏度较低，通过改变梁和质量块的参数，可在一定程度上提高灵敏度，但实现灵敏度提高的同时，通常会导致谐振频率降低，无法同时满足高精度，小力学测量，宽频响的要求。
如中国发明专利《单片集成的直拉直压微梁结构压阻加速度传感器及制作方法》（申请号：02151296.5）通过精确设计两个微梁的位置，使其成为直拉直压微梁，对制造精度要求高；且只有两个压敏电阻构成惠斯顿半桥，惠斯顿电桥另两个电阻由外部电路提供，只有两个压敏电阻对测量环境的温度更敏感，其阻值随温度漂移明显，所构成的惠斯顿电桥就易受温度影响而失衡，从而影响测量结果。美国发明专利《Single-mask Fabrication Process For Linear and Angular Piezoresistive Accelerometers》(《线性和角度的压阻加速度计的单掩膜制造工艺》专利号：US 7939355 B2)同样存在上述缺陷，压敏电阻仅构成惠斯顿半桥，且缺少温度补偿机制，灵敏度较差。
发明内容
为克服上述问题，本发明提出一种具有全桥微梁结构的压阻式加速度传感器，由四个压敏电阻构成惠斯顿全桥，提高了灵敏度，降低了温度漂移对惠斯顿电桥电路的影响。
为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：一种具有全桥微梁结构的压阻式加速度传感器，包括框架、悬臂梁、微梁和质量块，所述悬臂梁处于质量块对称轴线上；所述微梁共有四个，以悬臂梁所在轴线为轴对称地分布于质量块边缘，连接质量块与框架。
进一步的，所述四个微梁均通过扩散或者离子注入在其上形成压敏电阻，四个压敏电阻通过导线连接形成惠斯顿全桥电路。
进一步的，所述四个微梁上的压敏电阻分别为R1、R2、R3、R4，其中R1和R2在质量块连接悬臂梁的一侧对称分布，R3和R4在质量块上下左右四侧的任意位置以悬臂梁所在轴线为轴对称分布。
本发明的有益效果：设置四个微梁，并将压敏电阻设于四个微梁上，四个压敏电阻构成惠斯顿全桥电路，一方面使得悬臂梁的应变得到放大，提高了灵敏度；另一方面，四个压敏电阻均处于芯片内，因测量环境温度变化引起的阻值漂移对电路的影响在全桥电路中相互抵消，提高了温度稳定性；而且四个微梁增加了对质量块振动的约束，提高了一阶谐振频率。
附图说明
图1为本发明的全桥微梁结构实施例一示意图；
图2为本发明的全桥微梁结构实施例二示意图；
图3为本发明的全桥微梁结构实施例三示意图；
图4为本发明的惠斯顿全桥电路实施例示意图。
附图标记：1、框架；2、悬臂梁；3、微梁；4、质量块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
如图1所示为本发明具有全桥微梁结构的压阻式加速度传感器的具体实施例一，包括框架1、悬臂梁2、微梁3和质量块4，悬臂梁2处于质量块4对称轴线上，微梁3共有四个，以悬臂梁2所在轴线为轴对称地分布于质量块4边缘，连接质量块与框架，以保证工作过程中悬臂梁2一侧的两电阻阻值增大，而另一侧的两电阻阻值减小，且四个电阻的变化值大小相等。该实施例中的四个微梁3全部对称分布在质量块4连接悬臂梁2的一侧。其中，四个微梁3均通过扩散或者离子注入在其上形成压敏电阻R1、R2、R3、R4，四个压敏电阻R1、R2、R3、R4阻值相等，并通过导线（金属引线）连接形成惠斯顿全桥电路，如图4所示。如图1中所示箭头为加在传感器上的加速度方向，当传感器受到加速度作用时，质量块4承受竖直方向的加速度并把加速度转化成惯性力，使悬臂梁2发生形变，同时对称分布的四个微梁3也被压缩或拉伸产生应变，从而使压敏电阻R1、R2、R3、R4的阻值发生变化，并反映到惠斯顿全桥电路的输出电压Uo上，该输出电压Uo与质量块4承受的加速度成正比，测量惠斯顿电桥的输出电压Uo，并通过计算即可得到加在传感器上的加速度值。该结构设置了四个微梁3，并将压敏电阻设于四个微梁3上，四个压敏电阻构成惠斯顿全桥电路，一方面使得悬臂梁2的应变得到放大，提高了灵敏度，其灵敏度为半桥结构的两倍；另一方面，四个压敏电阻均处于芯片内，因测量环境温度变化引起的阻值漂移对电路的影响在全桥电路中相互抵消，提高了温度稳定性。
如图2和3所示分别为本发明的实施例二和三，与实施例一不同的是，其中两个微梁3以悬臂梁2所在轴线为轴对称分布于质量块4的右侧（如图2所示），或者以悬臂梁2所在轴线为轴对称分布于质量块4的上下侧（如图3所示），相对于实施例一，实施例二或三的结构因其四个微梁3分别分布于质量块4上下左右，增加了对质量块4振动的约束，提高了一阶谐振频率。
上述各实施例中，四个微梁3可分别对称分布于质量块4的上下左右，提高了设计的灵活性，降低了制造难度。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有全桥微梁结构的压阻式加速度传感器，包括框架、悬臂梁、微梁和质量块，其特征在于：所述悬臂梁处于质量块对称轴线上；所述微梁共有四个，以悬臂梁所在轴线为轴对称地分布于质量块边缘，连接质量块与框架。
2.如权利要求1所述具有全桥微梁结构的压阻式加速度传感器，其特征在于：所述四个微梁均通过扩散或者离子注入在其上形成压敏电阻，四个压敏电阻通过导线连接形成惠斯顿全桥电路。
3.如权利要求1或2所述具有全桥微梁结构的压阻式加速度传感器，其特征在于：所述四个微梁上的压敏电阻分别为R1、R2、R3、R4，其中R1和R2在质量块连接悬臂梁的一侧对称分布，R3和R4在质量块上下左右四侧的任意位置以悬臂梁所在轴线为轴对称分布。
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