CN103323623B

CN103323623B - 一种三凸梁式微机械加速度传感器

Info

Publication number: CN103323623B
Application number: CN201310271572.9A
Authority: CN
Inventors: 孙远程; 苏伟; 袁明权; 张茜梅; 王海青; 武蕊; 屈明山
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: CN103323623A

Abstract

本发明公开了一种三凸梁式微机械加速度传感器。所述的传感器包括敏感芯片和下玻璃板；其中，敏感芯片采用结构对称的双端固支的双质量块，共包含两个锚区、三个敏感凸梁、两个质量块、四个压敏电阻。其连接关系是，所述的两个质量块通过一个敏感凸梁连在一起，另外两个敏感凸梁分别放置在质量块两端，构成敏感芯片的可动部分；四个压敏电阻分别设置在敏感凸梁上表面；可动部分的两端分别与锚区连在一起构成敏感芯片；所述的敏感芯片与下玻璃板通过键合连接。本发明的传感器的固有频率可达300KHz以上，且不使灵敏度下降，避开了常规设计中两者不可协调的矛盾。

Description

一种三凸梁式微机械加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种三凸梁式微机械加速度传感器，具有较高固有频率而且横向效应很小，属于微电子机械系统领域。

背景技术

随着汽车防抱死系统、制导系统、机械振动监测、军用引信等市场的日益发展，加速度传感器需求越来越增加。各种微机械加速度传感器正在不断发展研制中，其中硅微机械压阻式和电容式的加速度传感器的研究占了相当大的部分。

微机械压阻式加速度传感器的基本工作原理是以半导体的压阻效应为基础，常用梁岛结构，通过悬臂梁或连接梁支撑质量块，采用离子注入或扩散工艺在梁上制作压敏电阻。当传感器感受到力作用时，质量块产生偏移，带动悬臂梁或连接梁发生扭曲或弯曲等形变，在电阻中产生应力变化从而引起压敏电阻阻值发生变化。利用适当的外围电路将这种变化转换为可测量信号如电压、电流等形式输出。经过标定就可以建立输出信号与被测加速度之间的关系，从而测量外界加速度。对于一般悬臂梁结构，横向效应相对较大，并且固有频率和灵敏度难以兼顾。对于压阻式加速速计，频率和灵敏度是两个最重要的参数指标。悬臂梁型微加速度计都存在频率和灵敏度相互制约的问题，即频率高则灵敏度低，频率低则灵敏度高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三凸梁式微机械加速度传感器。

本发明的三凸梁式微机械加速度传感器，包括敏感芯片和下玻璃板。其中，敏感芯片含有第一锚区、第二锚区、第一敏感凸梁、第二敏感凸梁、第三敏感凸梁、第一质量块、第二质量块、第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻、第四压敏电阻，其连接关系是,所述的第二敏感凸梁分别与第一质量块、第二质量块的一端连接，第一质量块的另一端与第一敏感凸梁连接，第二质量块的另一端与第三敏感凸梁连接，构成敏感芯片的可动部分；所述的第一压敏电阻设置于第一敏感凸梁上表面，第二压敏电阻、第三压敏电阻设置于第二敏感凸梁上表面、第四压敏电阻设置于第三敏感凸梁上表面；可动部分的两端分别与第一锚区、第二锚区连接，构成敏感芯片；所述的敏感芯片与下玻璃板通过键合连接。

所述的敏感芯片中的第一敏感凸梁、第二敏感凸梁、第三敏感凸梁结构相同，均采用长度相等的上矩形梁、下矩形梁复合而成。

所述的第一敏感凸梁、第二敏感凸梁、第三敏感凸梁中的上矩形梁的宽度小于下矩形梁的宽度，两者宽度之比为0.2～0.8。

所述的下矩形梁的宽度与第一质量块、第二质量块的宽度相同。

所述的下矩形梁的厚度与上矩形梁的厚度之比为0.2～5。

第一敏感凸梁、第二敏感凸梁、第三敏感凸梁的厚度与第一质量块、第二质量块的厚度相同。

所述的第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻、第四压敏电阻，其长度方向与敏感芯片的长度方向垂直。

所述的敏感芯片中的可动部分与下玻璃板之间的距离为2μm～20μm。一方面使敏感芯片有足够的运动间隙，另一方面在条件合适的时候可以调整阻尼系数。

本发明的三凸梁式微机械加速度传感器，当受到力作用时，质量块相对基体运动导致敏感凸梁发生变形，从而引起敏感凸梁上的压敏电阻发生变化，通过外围检测电路就可知道加速度的大小。

本发明的三凸梁式微机械加速度传感器其优点是：

1. 采用双端固支的三凸梁。由于采用双质量块，结构对称，横向效应远小于悬臂梁和双端固支的单质量块的双端固支结构。最主要的是敏感凸梁的底部宽度在同样灵敏度下可以更宽，即具有较大的刚度系数，因而本发明的传感器具有高的固有频率，固有频率可达到500kHz以上。

2．由于采用凸梁形式，压敏电阻制作在复合梁相对较窄的上部矩形梁上，这样，不仅可以获得较小的横向效应，同时又能够获得较高的灵敏度。

3. 敏感凸梁顶部矩形梁的宽度和厚度可以根据灵敏度及固有频率的需要进行调整，增大了设计的灵活性。

4. 压敏电阻头尾相接构成惠斯通全桥放置在凸梁应力集中的地方，因此可以获得较大的灵敏度。

5. 敏感凸梁起着弹性梁作用，其厚度与传感器的量程有关，敏感部分的芯片中的锚区不形成封闭式框架，这样，敏感芯片占满一个单元，避免了工艺上有很大难度的穿通、释放梁岛结构的过程，因此工艺简单、重复性好、成品率高。

6. 本发明三凸梁式微机械加速度传感器是由敏感芯片与下玻璃板键合在一起构成，该封装工艺简单，操作方便。

7. 敏感芯片可动结构与下盖板之间有适当的距离，一方面使敏感芯片有足够的运动间隙，另一方面在条件合适的时候可以调整阻尼系数，这样保证了该器件工作频带较宽。

附图说明

图1 是本发明微机械压阻式加速度传感器结构示意图；

图中：11.第一锚区 12.第二锚区 21.第一敏感凸梁 21.第一敏感凸梁 22.第二敏感凸梁 31.第一质量块 32.第二质量块 41.第一压敏电阻 42.第二压敏电阻 43.第三压敏电阻 44.第四压敏电阻 5.下玻璃板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

图1是本发明微机械压阻式加速度传感器结构示意图。在图1中，本发明的一种三凸梁式微机械加速度传感器，包括敏感芯片和下玻璃板5；其中，敏感芯片含有第一锚区11、第二锚区12、第一敏感凸梁21、第二敏感凸梁22、第三敏感凸梁23、第一质量块31、第二质量块32、第一压敏电阻41、第二压敏电阻42、第三压敏电阻43、第四压敏电阻44，其连接关系是,所述的第二敏感凸梁22分别与第一质量块31、第二质量块32的一端连接，第一质量块31的另一端与第一敏感凸梁21连接，第二质量块32的另一端与第三敏感凸梁23连接，构成敏感芯片的可动部分；所述的第一压敏电阻41设置于第一敏感凸梁21上表面，第二压敏电阻42、第三压敏电阻43设置于第二敏感凸梁22上表面、第四压敏电阻44设置于第三敏感凸梁23上表面；可动部分的两端分别与第一锚区11、第二锚区12连接，构成敏感芯片；所述的敏感芯片与下玻璃板5通过键合连接。

所述的敏感芯片中的第一敏感凸梁21、第二敏感凸梁22、第三敏感凸梁23结构相同，均采用长度相等的上矩形梁、下矩形梁复合而成。

所述的第一敏感凸梁21、第二敏感凸梁22、第三敏感凸梁23中的上矩形梁的宽度小于下矩形梁的宽度，两者宽度之比为0.2～0.8。

所述的下矩形梁的宽度与第一质量块31、第二质量块32的宽度相同。

所述的下矩形梁的厚度与上矩形梁的厚度之比为0.2～5。

第一敏感凸梁21、第二敏感凸梁22、第三敏感凸梁23的厚度与第一质量块31、第二质量块32的厚度相同。

所述的第一压敏电阻41、第二压敏电阻42、第三压敏电阻43、第四压敏电阻44，其长度方向与敏感芯片的长度方向垂直。

所述的敏感芯片在锚区不形成封闭式框架；敏感芯片占满一个单元。

所述的敏感凸梁的长度可以小到10μm。

本实施例中，敏感凸梁上矩形梁宽度为550μm，厚度为200μm，长度为60μm；敏感凸梁下矩形梁宽度为3000μm，厚度为80μm，长度也是为60μm；质量块厚度为300μm，长度为1000μm，宽度为3000μm。该传感器固有频率约为240kHz，灵敏度约0.2μV/g/V。敏感芯片的可动部分与下玻璃板5的间隙为5μm。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的敏感凸梁顶部宽度为150μm，厚度为100μm，长度为30μm；敏感芯片底部宽度为900μm，厚度为200μm，长度为30μm；质量块厚度为300μm，长度为900μm，宽度与凸梁相同，为900μm。该传感器固有频率为385kHz，灵敏度约0.1μV/g/V。敏感芯片的可动部分与玻璃板的间隙为3μm。

Claims

1.一种三凸梁式微机械加速度传感器，其特征在于：所述的传感器包括敏感芯片和下玻璃板（5）；其中，敏感芯片含有第一锚区（11）、第二锚区（12）、第一敏感凸梁（21）、第二敏感凸梁（22）、第三敏感凸梁（23）、第一质量块（31）、第二质量块（32）、第一压敏电阻（41）、第二压敏电阻（42）、第三压敏电阻（43）、第四压敏电阻（44），其连接关系是,所述的第二敏感凸梁（22）分别与第一质量块（31）、第二质量块（32）的一端连接，第一质量块（31）的另一端与第一敏感凸梁（21）连接，第二质量块（32）的另一端与第三敏感凸梁（23）连接，构成敏感芯片的可动部分；所述的第一压敏电阻（41）设置于第一敏感凸梁（21）上表面，第二压敏电阻（42）、第三压敏电阻（43）设置于第二敏感凸梁（22）上表面、第四压敏电阻（44）设置于第三敏感凸梁（23）上表面；可动部分的两端分别与第一锚区（11）、第二锚区（12）连接，构成敏感芯片；所述的敏感芯片与下玻璃板（5）通过键合连接。

2.根据权利要求l所述的三凸梁式微机械加速度传感器，其特征在于：所述的敏感芯片中的第一敏感凸梁（21）、第二敏感凸梁（22）、第三敏感凸梁（23）结构相同，均采用长度相等的上矩形梁、下矩形梁复合而成。

3.根据权利要求2所述的三凸梁式微机械加速度传感器，其特征在于：所述的第一敏感凸梁（21）、第二敏感凸梁（22）、第三敏感凸梁（23）中的上矩形梁的宽度小于下矩形梁的宽度，两者宽度之比为0.2～0.8。

4.根据权利要求2所述的三凸梁式微机械加速度传感器，其特征在于：所述的下矩形梁的宽度与第一质量块（31）、第二质量块（32）的宽度相同。

5.根据权利要求2所述的三凸梁式微机械加速度传感器，其特征在于，所述的下矩形梁的厚度与上矩形梁的厚度之比为0.2～5。

6.根据权利要求1所述的三凸梁式微机械加速度传感器，其特征在于：第一敏感凸梁（21）、第二敏感凸梁（22）、第三敏感凸梁（23）的厚度与第一质量块（31）、第二质量块（32）的厚度相同。

7.根据权利要求1所述的三凸梁式微机械加速度传感器，其特征在于，所述的第一压敏电阻（41）、第二压敏电阻（42）、第三压敏电阻（43）、第四压敏电阻（44），其长度方向与敏感芯片的长度方向垂直。

8.根据权利要求1所述的三凸梁式微机械加速度传感器，其特征在于，所述的敏感芯片中的可动部分与下玻璃板（5）之间的距离为2μm～20μm。