CN103983807A - 硅微机械加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种硅微机械加速度计，包括：敏感装置、第一支撑梁、应力缓冲装置、第二支撑梁、键合锚区和基底，其中，敏感装置通过第一支撑梁与应力缓冲装置相连；应力缓冲装置通过第二支撑梁与键合锚区相连；键合锚区与基底键合连接。本发明提出的硅微机械加速度计能够降低传感器零位输出随环境温度和外界应力变化的漂移，提高硅微机械加速度计的综合精度和环境适应性。

Description

硅微机械加速度计

技术领域

本发明涉及微机械惯性仪表技术领域，特别涉及一种硅微机械加速度计。

背景技术

硅微机械加速度计在汽车、消费电子、武器制导等军民领域具有广泛的应用前景。硅微机械加速度计的微结构通常包含敏感质量以及支撑敏感质量的弹性梁。通过敏感输入加速度引起的惯性力，微机械加速度计将加速度信号转换成电学信号。作为一种力敏感器件，环境温度变化和传感器封装、使用安装造成的应力变化均会引起加速度计零位输出漂移，降低传感器的综合精度。

目前，一种相关技术方案通过减少管壳底部与芯片的接触面积来减少由封装传递到芯片的应力，另一种方案为降低封装应力的方法，管壳粘片区额外使用较低弹性模量的材料制造。上述两种技术方案均为封装的改善方法，但是需要增加模具制造费用。还有一种技术方案通过在玻璃基底上刻蚀L型折叠梁，作为MEMS器件的隔离平台以提供应力缓冲作用，但该方法存在工艺复杂、成本高等不足。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现作出的：硅微机械加速度计在开环工作状态下时，敏感质量的位移带动弹性梁发生弹性形变，产生与惯性力平衡的回复力。发明人发现，硅微机械加速度计零位输出漂移的主要原因在于：弹性梁端部通过锚区键合在玻璃或硅基底上，形成固支连接，外界应力变化经过封装管壳、粘片胶的传导后，通过键合位置直接作用在加速度计的敏感质量上，从而引起加速度计微结构的变形，造成传感器零位输出漂移，从而降低传感器的综合精度。

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种硅微机械加速度计，该硅微机械加速度计能够降低传感器零位输出随环境温度和外界应力变化的漂移，提高传感器的综合精度和环境适应性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种硅微机械加速度计，包括：敏感装置、第一支撑梁、应力缓冲装置、第二支撑梁、键合锚区和基底，其中，所述敏感装置通过所述第一支撑梁与所述应力缓冲装置相连；所述应力缓冲装置通过所述第二支撑梁与所述键合锚区相连；所述键合锚区与所述基底键合连接。

根据本发明实施例的硅微机械加速度计，增加了应力缓冲装置，由基底传导的应力经过应力缓冲装置缓冲后再传递到第一支撑梁上，因此，环境应力及其不均匀性仅反映到应力缓冲装置及第二支撑梁的变形上，从而降低了加速度计敏感结构受环境应力的影响。换言之，本发明的硅微机械加速度计能够有效减小环境温度、封装或传感器安装情况造成的应力变化对其敏感结构的影响，降低了传感器的零位漂移，因此，具有较高的综合精度和环境适应性。

另外，根据本发明上述实施例的硅微机械加速度计还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述敏感装置包括活动梳齿和固定梳齿，所述检测装置用于在外界输入加速度信号时，根据所述活动梳齿和所述固定梳齿之间的电容变化，将所述加速度信号转换为电信号。

在一些示例中，所述第二支撑梁的机械刚度远大于所述第一支撑梁的刚度。

在一些示例中，所述基底为玻璃或硅构成的基底。

在一些示例中，敏感装置与所述应力缓冲装置的构成材料相同。

在一些示例中，所述硅微机械加速度计的机械刚度为：

$K_{\mathrm{Mt}}=\frac{K_{M1}{K}_{M2}}{K_{M1}+K_{M2}},$

其中，K_M1为所述第一支撑梁的机械刚度，K_M2为所述第二支撑梁的机械刚度。

在一些示例中，所述敏感位移作为输出的传递函数为：

$\frac{X_1\left(s\right)}{A\left(s\right)}=\frac{m_1{m}_2{s}^2+(m_1+m_2)\mathrm{Ds}+(m_1{K}_{M1}+m_1{K}_{M2}+m_2{K}_{M1})}{m_1{m}_2{s}^4+(m_1+m_2){\mathrm{Ds}}^3+(m_1{K}_{M1}+m_1{K}_{M2}+m_2{K}_{M1})s^2+K_{M2}\mathrm{Ds}+K_{M1}{K}_{M2}},$

其中，m₁为所述敏感装置的质量，m₂为应力缓冲装置的质量，D为粘性阻尼系数，X₁(s)为敏感装置的位移，A(s)为输入加速度，s为复变数。

在一些示例中，当外界输入加速度信号时，所述敏感装置相对于所述基底的位移响应的稳态值为：

$x_1=\frac{m_{1}a}{K_{M1}}+\frac{(m_1+m_2)a}{K_{M2}},$

其中，x₁表示外界输入加速度引起的电容间隙变化值，a为外界输入的加速度值。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点，从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的硅微机械加速度计的总体结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的硅微机械加速度计的简化力学模型示意图；

图3a是现有硅微机械加速度计的结构示意图；以及

图3b是根据本发明一个实施例的硅微机械加速度计的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的硅微机械加速度计。

图1是根据本发明一个实施例的硅微机械加速度计的总体结构示意图。如图1所示，根据本发明一个实施例的硅微机械加速度计100，包括：敏感装置110、第一支撑梁120、应力缓冲装置130、第二支撑梁140、键合锚区150和基底160。

具体而言，敏感装置110通过第一支撑梁120与应力缓冲装置130相连，更为具体地，在一个示例中，敏感装置110及第一支撑梁120嵌套在应力缓冲装置130中。应力缓冲装置130通过第二支撑梁140与键合锚区150相连，键合锚区150与基底160键合连接，其中，基底160为玻璃或硅构成的基底。在本发明的一个实施例中，第二支撑梁140的机械刚度远大于第一支撑梁120的机械刚度，因而应力缓冲装置130的模态频率远高于敏感装置110，因此，添加应力缓冲装置130后，对硅微机械加速度计100在微结构敏感方向的模态频率和模态形状基本没有影响。

需要说明的是，在上述示例中，敏感装置110与应力缓冲装置130的构成材料相同，例如均为硅，且在同一刻蚀步骤中加工释放。从而与现有硅微机械加速度计的加工工艺兼容，不增加工艺流程和制造成本，易于大批量生产。其中，上述的刻蚀方法为干法刻蚀或湿法腐蚀工艺。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，敏感装置110包括活动梳齿111和固定梳齿112。当外界输入加速度信号时，根据活动梳齿111和固定梳齿113之间的电容变化，将加速度信号转换为电信号并输出，从而实现对加速度的测量。换言之，即当外界加速度输入时，敏感装置110会发生位移，通过检测敏感装置110的活动梳齿111和固定梳齿112之间的电容变化，即可将加速度信号转换为电信号，并输出该电信号，从而实现将加速度信号转化为加速度计的电学输出。

具体而言，作为一个具体示例，结合图2所示，假设第一支撑梁120的机械刚度为K_M1，第二支撑梁140的机械刚度为K_M2，则硅微机械加速度计100的机械刚度为：

$K_{\mathrm{Mt}}=\frac{K_{M1}{K}_{M2}}{K_{M1}+K_{M2}}$

另外，假设敏感装置110的质量为m₁，应力缓冲装置130的质量为m₂，则敏感装置110位移作为输出的传递函数为：

$\frac{X_1\left(s\right)}{A\left(s\right)}=\frac{m_1{m}_2{s}^2+(m_1+m_2)\mathrm{Ds}+(m_1{K}_{M1}+m_1{K}_{M2}+m_2{K}_{M1})}{m_1{m}_2{s}^4+(m_1+m_2){\mathrm{Ds}}^3+(m_1{K}_{M1}+m_1{K}_{M2}+m_2{K}_{M1})s^2+K_{M2}\mathrm{Ds}+K_{M1}{K}_{M2}},$

其中，D为粘性阻尼系数，X₁(s)为敏感装置的位移，A(s)为输入加速度，s为复变数。

进一步地，当外界输入加速度信号时，即外界加速度输入，则敏感装置110相对于基底160的位移响应的稳态值为：

$x_1=\frac{m_{1}a}{K_{M1}}+\frac{(m_1+m_2)a}{K_{M2}},$

其中，x₁表示外界输入加速度引起的电容间隙变化值，a为外界输入的加速度值。进一步地，当K_M2>>K_M1时，则

$K_{\mathrm{Mt}}~K_{M1},x_1~\frac{m_{1}a}{K_{M1}},$

换言之，即当K_M2>>K_M1时，则硅微机械加速度计100的机械刚度K_M1趋近于第一支撑梁120的机械刚度，敏感装置110相对于基底160的位移响应的稳态值x₁趋近于

当然，在上述示例中，应力缓冲装置130的质量和第二支撑梁140的机械刚度可以在设计时根据需要随时调整，保证硅微机械加速度计100的数学模型满足上述分析，从而不影响传感器对外界加速度计的敏感机理。

以下结合图3a和图3b来描述本发明实施例的硅微机械加速度计的优点。具体而言，当环境温度、封装及传感器安装引起的应力变化时，对于现有硅微机械加速度计(图3a所示)，由基底6传导的应力经锚区键合位置5，直接作用于加速度计的敏感质量支撑梁2。因而当四周传导的应力不均匀时，支撑梁2形变不一致产生的机械弹性力不同，使得敏感质量1产生位移或者扭转，造成传感器输出漂移。而对于本发明实施例的带片上应力缓冲装置的硅微机械加速度计(图3b所示)，由基底160传导的应力经过缓冲装置130缓冲后再传递到支撑加速度计敏感装置的第一支撑梁120上，从而使环境应力及其不均匀性仅反映到缓冲装置130及其第二支撑梁140的变形上，降低了加速度计敏感装置110受环境应力的影响，提高了硅微机械加速度计100的综合精度及环境适应性。

根据本发明实施例的硅微机械加速度计，增加了应力缓冲装置，由基底传导的应力经过应力缓冲装置缓冲后在传递到第一支撑梁上，因此，环境应力及其不均匀性仅反映到应力缓冲装置及第二支撑梁的变形上，从而降低了加速度计敏感结构受环境应力的影响。换言之，本发明的硅微机械加速度计能够有效减小环境温度、封装或传感器安装情况造成的应力变化对其敏感结构的影响，降低了传感器的零度位移，因此，具有较高的综合精度和环境适应性。另外，由于应力缓冲装置与现有硅微机械加速度计的加工工艺兼容，因此，无需增加工艺流程和制造成本，且易于大批量生产。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种硅微机械加速度计，其特征在于：包括：敏感装置、第一支撑梁、应力缓冲装置、第二支撑梁、键合锚区、基底和检测装置，其中，

所述敏感装置通过所述第一支撑梁与所述应力缓冲装置相连；

所述应力缓冲装置通过所述第二支撑梁与所述键合锚区相连；

所述键合锚区与所述基底键合连接。

2.根据权利要求1所述的硅微机械加速度计，其特征在于，所述敏感装置包括活动梳齿和固定梳齿。

3.根据权利要求2所述的硅微机械加速度计，其特征在于，所述第二支撑梁的机械刚度远大于所述第一支撑梁的机械刚度。

4.根据权利要求3所述的硅微机械加速度计，其特征在于，所述基底为玻璃或硅构成的基底。

5.根据权利要求1-4任一项所述的硅微机械加速度计，其特征在于，所述敏感装置与所述应力缓冲装置的构成材料相同。

6.根据权利要求3所述的硅微机械加速度计，其特征在于，所述硅微机械加速度计的机械刚度为：

$K_{\mathrm{Mt}}=\frac{K_{M1}{K}_{M2}}{K_{M1}+K_{M2}},$

其中，K_M1为所述第一支撑梁的机械刚度，K_M2为所述第二支撑梁的机械刚度。

7.根据权利要求6所述的硅微机械加速度计，其特征在于，所述敏感装置位移作为输出的传递函数为：

$\frac{X_1\left(s\right)}{A\left(s\right)}=\frac{m_1{m}_2{s}^2+(m_1+m_2)\mathrm{Ds}+(m_1{K}_{M1}+m_1{K}_{M2}+m_2{K}_{M1})}{m_1{m}_2{s}^4+(m_1+m_2){\mathrm{Ds}}^3+(m_1{K}_{M1}+m_1{K}_{M2}+m_2{K}_{M1})s^2+K_{M2}\mathrm{Ds}+K_{M1}{K}_{M2}},$

其中，m₁为所述敏感装置的质量，m₂为应力缓冲装置的质量，D为粘性阻尼系数，X₁(s)为敏感装置的位移，A(s)为输入加速度，s为复变数。

8.根据权利要求7所述的硅微机械加速度计，其特征在于，当外界输入加速度信号时，所述敏感装置相对于所述基底的位移响应的稳态值为：

$x_1=\frac{m_{1}a}{K_{M1}}+\frac{(m_1+m_2)a}{K_{M2}},$

其中，x₁表示外界输入加速度引起的电容间隙变化值，a为外界输入的加速度值。