CN103575932A - 一种mems压阻式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS压阻式加速度计，包括：衬底、边框、弹性梁以及通过弹性梁支悬于边框中心位置的主质量块、支质量块、上封帽、多组压敏电阻；所述边框固定于衬底上端；所述支质量块设置于弹性梁上，且与弹性梁构成异形弹性梁结构；所述弹性梁的中间部位以及弹性梁与框架连接处设有多组压敏电阻；所述主质量块与弹性梁的厚度相等；所述上封帽固定于框架上端面，其内部有凹槽结构，所述主质量块在凹槽内部悬空，且在感测各方向的惯性力时自由运动。本发明采用多根弹性梁单主质量块的结构，通过一个主质量块感受不同方向的惯性力时异形弹性梁的不同位置应力的变化，有效减小了器件体积，同时本发明具有灵敏度高、固有频率高、抗高过载能力强等优点。

Description

一种MEMS压阻式加速度计

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域，特别涉及一种异形梁三轴集成的MEMS压阻式加速度计。

背景技术

采用微机械电子技术（MEMS）加工的以硅为衬底、硅玻璃键合技术封装的MEMS加速度计，可以广泛应用于航空、电子、汽车和机械领域的振动和冲击测量。随着微机械电子技术产业的兴起，加速度计逐渐向微型化、集成化发展。由于采用MEMS加工技术的微加速度计具有体积小、重量轻、成本低、功耗低和易批量生产等优点，因此有一定的市场价值和军事、民用前景。

常见的微加速度计产品都是单轴的，但微惯性系统以及其他一些应用场合往往需要双轴或者三轴的加速度计来检测加速度矢量，若仅使用三个单轴加速度计组合使用，会伴生矢量测量精度低、体积大的缺点。已有文献报导开发多轴的微加速度计器件，有使用压电原理研究三轴加速度计设计，但是器件存在精度低、稳定性差的弱点；利用电容式原理开发三轴加速度计，分别使用三个惯性质量块检测三个轴向的加速度计，存在体积较大、质心不重合的现象。硅压阻式加速度计由于具有线性度好、外围电路简单和抗高过载能力强等优点而得到关注和开发，并且广泛应用于冲击环境的加速度测量。

目前，压阻式三轴加速度计的实现方法主要有三种，第一种是将三个单轴的加速度计进行组装实现三轴测量功能，但此种方法实现的加速度计体积大，矢量测量精度低；第二种是分别将三轴加速度计加工在同一个芯片上，每个加速度计拥有独立的质量块和悬臂梁结构，但这种方式加工的加速度计工艺复杂，加工成本大；第三种是利用同一个质量块来感测三个方向的加速度信号，当质量块感测到不同方向的加速度时，不同位置的电阻的阻值会发生变化，从而使由电阻构成的惠斯通电桥的输出电压发生变化，进而检测到加速度的大小和方向。这三种方法实现的压阻式加速度计各有利弊，针对第三种实现方法，现有的单质量块八悬臂梁结构，垂直轴灵敏度较高而两个水平轴的灵敏度较低，轴间横向耦合度较高。 

发明内容

本发明的目的是：为了解决现有压阻式三轴加速度计体积大、结构复杂、轴间耦合度较高以及不同轴之间灵敏度差异较大的技术问题，提供一种MEMS压阻式加速度计。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种MEMS压阻式加速度计，包括：衬底、边框3、弹性梁2以及通过弹性梁2支悬于边框3中心位置的主质量块1、支质量块、上封帽5、多组压敏电阻；所述边框3固定于衬底上端，所述框架3用以固定弹性梁2和主质量块1；所述支质量块4设置于弹性梁2上，且与弹性梁2构成异形弹性梁结构，此结构实现了当受到x轴或y轴的惯性力时，弹性梁2的弯曲变形更大，由此提高x轴和y轴的灵敏度；所述弹性梁2的中间部位以及弹性梁2与框架3连接处设有感测三个垂直轴向惯性力的多组压敏电阻，每个轴向上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥；所述主质量块1与弹性梁2的厚度相等，使主质量块1的质心上移，与弹性梁2的中间面的距离缩小，所以在感受不同方向惯性力时主质量块1的位移较小，本发明MEMS压阻式加速度计能够承受较高重力加速度g值的惯性力，因而具有良好的抗高过载能力；所述上封帽5固定于框架3上端面，其内部有凹槽结构，所述主质量块2在凹槽内部悬空，且在感测各方向的惯性力时自由运动。

其中：所述主质量块1为中心对称的形状，非中心对称形状的主质量块在与弹性梁的连接、压敏电阻的布置以及加工工艺方面会造成不必要的麻烦。

其中：为了制备方便，所述主质量块1采用便于加工的方形，在方形的两组相对的侧面上分别设有互相垂直的弹性梁2。

其中：所述方形的主质量块1的每个侧面上分别设置两根弹性梁2；所述支质量块将两根弹性梁2连接在一起。

其中：所述主质量块1位于xy平面，两组相对的弹性梁2分别沿x轴和y轴互相垂直；所述沿x轴的弹性梁2上设置有感受y轴的惯性力的支质量块4，以及感测y轴的惯性力的压敏电阻，所述x轴上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥；在沿y轴的弹性梁2上设置有感受x轴的惯性力的支质量块4，以及感测x方向的惯性力的压敏电阻，所述y轴上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥。

其中：所述弹性梁2上设有通孔6，用以获得临界阻尼。

其中：所述衬底和上封帽5为玻璃材料，所述主质量块1、弹性梁2、框架3和支质量块4为硅材料。

本发明的有益效果是：本发明采用多根弹性梁单主质量块的结构，并且在弹性梁上增设支质量块构成异形弹性梁，当受到x轴或y轴的惯性力时，弹性梁的弯曲变形更大，因此提高了x轴和y轴的灵敏度；通过一个主质量块感受不同方向的惯性力时异形弹性梁的不同位置应力的变化，所述弹性梁上布置的感测不同方向惯性力的多组压敏电阻连接成惠斯通电桥，进而检测不同方向的加速度，从而有效的减小了器件体积，通过弹性梁与主质量块相对位置的确定以及主质量块和弹性梁的形状、厚度、宽度的确定，使本发明具有灵敏度高、固有频率高、抗高过载能力强等优点。

附图说明

图1为本发明一种MEMS压阻式加速度计的实现方式结构示意图（a）。

图2为本发明一种MEMS压阻式加速度计的实现方式结构示意图（b）。

图3为本发明一种MEMS压阻式加速度计的实现方式结构示意图（c）。

图4为本发明一种MEMS压阻式加速度计的上封帽的结构示意图。

图5为本发明实施例1的结构示意图。

图6为本发明实施例1的压敏电阻连接示意图。

图7为本发明实施例1在沿x轴的弹性梁上设置的感测y轴惯性力的压敏电阻连接构成惠斯通电桥的电路图。

图8为本发明实施例1在沿y轴的弹性梁上设置的感测x轴惯性力的压敏电阻连接构成惠斯通电桥的电路图。

图9为本发明实施例1的感测z轴惯性力的压敏电阻连接构成惠斯通电桥的电路图。

附图标识：1-主质量块，2-弹性梁，3-框架，4-支质量块，5-上封帽，6-通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明一种MEMS压阻式加速度计包括：包括：衬底、边框3、弹性梁2以及通过弹性梁2支悬于边框3中心位置的主质量块1、支质量块4、上封帽5、多组压敏电阻；所述边框3固定于衬底上端，所述框架3用以固定弹性梁2和主质量块1；所述支质量块4设置于弹性梁2上，且与弹性梁2构成异形弹性梁结构，此结构实现了当受到x轴或y轴的惯性力时，弹性梁2的弯曲变形更大，由此提高x轴和y轴的灵敏度；所述弹性梁2的中间部位以及弹性梁2与框架3连接处设有感测三个垂直轴向惯性力的多组压敏电阻，每个轴向上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥；所述主质量块1与弹性梁2的厚度相等，使主质量块1的质心上移，与弹性梁2的中间面的距离缩小，所以在感受不同方向惯性力时主质量块1的位移较小，本发明MEMS压阻式加速度计能够承受较高重力加速度g值的惯性力，因而具有良好的抗高过载能力；所述上封帽5固定于框架3上端面，其内部有凹槽结构，所述主质量块2在凹槽内部悬空，且在感测各方向的惯性力时自由运动。

所述主质量块1为中心对称的形状。参照图1-3，分别是主质量块1为圆形、方形和六边形的三种不同实施方式，所述主质量块1的侧面设置有互相垂直的弹性梁2连接框架3。主质量块1侧面的四个方向上分别采用两根弹性梁2为一组连接主质量块1与框架3。

所述主质量块1位于xy平面，两组相对的弹性梁2分别沿x轴和y轴互相垂直；所述沿x轴的弹性梁2上设置有感受y轴的惯性力的支质量块4，以及感测y轴的惯性力的压敏电阻，所述x轴上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥；在沿y轴的弹性梁2上设置有感受x轴的惯性力的支质量块4，以及感测x方向的惯性力的压敏电阻，所述y轴上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥。当主质量块1受到x轴或y轴的惯性力时，因为这时x轴或y轴的受力会使主质量块1基本维持原来的位置不变，这样主质量块1就相当于异形弹性梁的另一个固定端点。

在主质量块的侧面的四个方向上分别设置有弹性梁2，如果每个方向上分别设置有一根弹性梁2，则容易发生零点位置漂移的问题，为了避免零点位置漂移，就需要将弹性梁2制备的很宽，这样必然增大弹性梁2的质量，而质量大又将导致灵敏度下降。为了解决上述技术问题，我们在框架3内侧的每个方向上分别设置两根弹性梁2，从而避免了零点位置漂移的问题，同时保证了灵敏度。如果在每个方向上设置三根以上的弹性梁3，虽然也能避免零点位置漂移的问题，但是质量大又将导致灵敏度下降。因此，优选地，在每个方向上采用两根弹性梁2。

实施例1

参照图4-5，在本实施例中，主质量块1采用便于加工的方形，在方形的侧面的四个方向上分别设置有两根弹性梁2，并且每个侧面上的两根弹性梁2上设置有支质量块4，将两根弹性梁2连接；所述所述弹性梁2的中间部位以及弹性梁2与框架3连接处设置有感测不同方向惯性力的压敏电阻R1~R24，所述弹性梁2上设置有通孔6；所述衬底和上封帽5的材料采用玻璃，主质量块1、弹性梁2、框架3和支质量块4采用硅；所述衬底与上封帽5之间通过静电键合将弹性梁2连接的主质量块1和框架3密封在二者之间，形成玻璃-硅-玻璃的三明治结构。整体尺寸为5000μm ×5000μm ×1400μm；其中，每根弹性梁的尺寸为1000μm ×200μm ×200μm；主质量块1的尺寸为600μm × 600μm ×200μm，主质量块1、多根弹性梁2、框架3和支质量块4的硅选用N（100），衬底和上封帽5的玻璃选用Pyrex 7740。

参照图6，主质量块1位于xy平面，两组相对的侧面上的弹性梁2分别沿x轴和y轴互相垂直。参照图7，沿x轴的弹性梁2上设置有感测y轴的惯性力的支质量块4，包括R7、R9、R10、R12、R19、R21、R22和R24，并连接构成惠斯通电桥；参照图8，在沿x轴的弹性梁2上设置有感测y轴的惯性力的压敏电阻，包括电阻R1、R3、R4、R6、R13、R15、R16和R18，并连接构成惠斯通电桥；参照图9，在每根弹性梁上分别设置有感测z轴的惯性力的压敏电阻，包括电阻R2、R5、R8、R11、R14、R17、R20和R23，并连接构成惠斯通电桥。

本发明的工作过程是：当受到x轴的惯性力时，设置在沿y轴的弹性梁2的支质量块4将产生较大的变形，从而引起感测x方向的惯性力的压敏电阻的阻值变化，从而测得x轴的加速度；当受到y轴的惯性力时，设置在沿x轴的弹性梁2的支质量块4将产生较大的变形，从而引起感测y轴的惯性力的压敏电阻的阻值变化，从而测得y轴的加速度；当主质量块1感测与其表面相垂直的z轴的惯性力时，主质量块1将沿着z轴运动，这样将会引起在弹性梁2与框架3连接处的感测z轴的惯性力的压敏电阻的阻值变化，从而测得z轴的加速度。

本发明一种MEMS压阻式加速度计的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅基板上利用离子注入工艺加工出P型压敏电阻；

步骤2:在硅基板分别利用氢氧化钾KOH湿法腐蚀工艺和ICP深刻蚀工艺形成出主质量块1、弹性梁2、弹性梁2上的通孔6、支质量块4和框架3；

步骤3：采用溅射工艺将压敏电阻形成的惠斯通电桥进行金属连接；

步骤4：上封帽5腐蚀加工出凹槽，利用硅-玻璃静电键合工艺将框架3与上封帽5进行静电键合，然后再与衬底进行框架3的下底面的静电键合，完成本发明MEMS压阻式加速度计的整体结构加工。

所述框架3下端面与衬底的静电键合形成了整个发明的保护基底，对本发明MEMS压阻式加速度计起到保护作用。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种MEMS压阻式加速度计，包括：衬底、边框（3）、弹性梁（2）以及通过弹性梁（2）支悬于边框（3）中心位置的主质量块（1）；所述边框（3）固定于衬底上端；其特征在于：所述一种MEMS压阻式加速度计还包括：支质量块（4）、上封帽（5）、多组压敏电阻；所述支质量块（4）设置于弹性梁（2）上，且与弹性梁（2）构成异形弹性梁结构；所述弹性梁（2）的中间部位以及弹性梁（2）与框架（3）连接处设有感测三个垂直轴向惯性力的多组压敏电阻，每个轴向上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥；所述主质量块（1）与弹性梁（2）的厚度相等；所述上封帽（5）固定于框架（3）上端面，其内部有凹槽结构，所述主质量块（2）在凹槽内部悬空，且在感测各方向的惯性力时自由运动。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式加速度计，其特征在于：所述主质量块（1）为中心对称的形状。

3.根据权利要求1或2所述的一种MEMS压阻式加速度计，其特征在于：所述主质量块（1）采用方形，在方形的两组相对的侧面上分别设有互相垂直的弹性梁（2）。

4.根据权利要求3所述的一种MEMS压阻式加速度计，其特征在于：所述方形的主质量块（1）的每个侧面上分别设置两根弹性梁（2）；所述支质量块（4）将两根弹性梁（2）连接在一起。

5.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式加速度计，其特征在于：所述主质量块（1）位于xy平面，两组相对的弹性梁（2）分别沿x轴和y轴互相垂直；所述沿x轴的弹性梁（2）上设置有感受y轴的惯性力的支质量块（4），以及感测y轴的惯性力的压敏电阻，所述x轴上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥；在沿y轴的弹性梁（2）上设置有感受x轴的惯性力的支质量块（4），以及感测x方向的惯性力的压敏电阻，所述y轴上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥。

6.根据权利要求2所述的一种MEMS压阻式加速度计，其特征在于：所述弹性梁（2）上设有通孔（6）。

7.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式加速度计，其特征在于：所述衬底和上封帽（5）为玻璃材料，所述主质量块（1）、弹性梁（2）、框架（3）和支质量块（4）为硅材料。

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