CN103995151A - 复合八梁高频响加速度传感器芯片 - Google Patents

Abstract

复合八梁高频响加速度传感器芯片，包括硅基底和键合于硅基底背面的硼玻璃衬底，硅基底的中心空腔内配置有悬空质量块，四个短小敏感梁沿着悬空质量块的一组对边对称排布，四个宽大支撑梁分别与悬空质量块的另一组对边的四角相连，短小敏感梁和宽大支撑梁共同支撑悬空质量块，使其保持悬空状态，每个短小敏感梁上均制作一个压敏电阻，四个压敏电阻通过金属引线连接组成的半开环惠斯通全桥检测电路与焊盘相连，本发明一方面通过四个短小敏感梁和四个宽大支撑梁的组合方式缓解固有频率与测量灵敏度之间的制约关系，获得高频响、高灵敏度的加速度传感器，另一方面通过梁的四角排布方式有效的降低了横向灵敏度。

Description

复合八梁高频响加速度传感器芯片

技术领域

本发明涉及微加速度传感器芯片技术领域，特别涉及复合八梁高频响加速度传感器芯片。

背景技术

随着MEMS微加工技术的发展，压阻式加速度传感器出现了很多不同的敏感结构，包括单悬臂梁，双悬臂梁，单桥梁，双桥梁，十字梁，双岛五梁，复合多梁等。这些结构的出现，解决了传感器性能方面的很多问题。如双悬臂梁结构相对于单悬臂梁降低了传感器的横向交叉灵敏度；四梁结构，如双桥梁、十字梁等则在考虑横向交叉灵敏度的同时，提高了传感器的固有频率；双岛五梁结构则是为了通过自身结构特点来消除横向交叉灵敏度的干扰而被提出的。复合多梁结构则是通过长短梁的组合方式来提高传感器的综合性能。目前开发的硅微加速度传感器受敏感结构与传感方式的限制,大都性能不高,如频响范围较窄且横向灵敏度高,结构尺寸和质量也无法做到很小,限制了传感器的检测精度。此外,在高灵敏度硅微加速度传感器设计方面,虽然国内外学者提出了许多高灵敏度的机械传感元件,但大都采用微悬臂梁一质量块结构形式,而在微悬臂梁一质量块结构中,灵敏度与测试带宽是无法避免的矛盾。因此,如何在保证测量带宽的条件下,来提高硅微加速度传感器的检测性能需要进一步研究。

针对智能机床主轴测振系统对于加速度传感器的技术要求，需要在保证传感器灵敏度的同时，尽可能提高传感器芯片的固有频率以及抗冲击能力，因此如何在现有微传感器的结构的基础上，通过改进梁的分布和尺寸参数来提高传感器的固有频率以及抗冲击能力也需要进一步研究。综合考虑传感器固有频率和测量灵敏度以及横向灵敏度三个方面的因素，设计了一种具有优良综合性能的高频加速度传感器。在之前的研究工作中，传感器的结构设计多旨在解决其中的某一个或者某两个方面的问题，通过牺牲非目标参数的数值来获取所需的性能提升。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供复合八梁高频响加速度传感器芯片，一方面通过四个短小敏感梁和四个宽大支撑梁的组合方式缓解固有频率与测量灵敏度之间的制约关系，获得高频响、高灵敏度的加速度传感器，另一方面通过梁的四角排布方式有效的降低了横向灵敏度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

复合八梁高频响加速度传感器芯片，包括硅基底1和键合于硅基底1背面的硼玻璃衬底2，硅基底1的中心空腔内配置有悬空质量块5，四个相同的短小敏感梁3沿着悬空质量块5的一组对边对称排布，四个宽大支撑梁4分别与悬空质量块5的另一组对边的四角相连，短小敏感梁3和宽大支撑梁4共同支撑悬空质量块5，使其保持悬空状态，硼玻璃衬底2与悬空质量块5之间预留有工作间隙；

每个短小敏感梁3上均制作一个压敏电阻6，压敏电阻6采用U型方式制作而成，四个压敏电阻6通过芯片上的金属引线7连接组成半开环惠斯通全桥检测电路，半开环惠斯通全桥检测电路的输出端与芯片中的焊盘8相连，四根压敏电阻6按照短小敏感梁3上的应力分布规律布置，且位于硅晶体相同的晶向上。

所述的短小敏感梁3的长度和宽度均小于宽大支撑梁4，而短小敏感梁3和宽大支撑梁4的厚度相同。

所述的短小敏感梁3和宽大支撑梁4以及悬空质量块5与硅基底1之间存在着7-15μm的间隙。

所述的具有八梁结构的加速度传感器芯片是由MEMS制造技术制作的加速度转换芯片。

本发明的有益效果是：本发明针对实际应用环境中对加速度传感器的性能需求及目前MEMS加速度传感器存在的不足，以高固有频率、较好量灵敏度为设计目标，采用了四边分布的梁排布方式使得整个结构的横向交叉干扰降低；通过短小敏感梁和宽大支撑梁的组合方式缓解了传统结构传感器固有频率和灵敏度之间的制约关系。前人在双桥结构的基础上加入了两根短小的敏感梁并沿着一组对边的中线分布，虽然在一定程度上增加了传感器的固有频率，但是由于梁排布方式的影响，不能最大化的减小传感器结构的横向交叉干扰。本结构不仅增加了传感器的固有频率，横向交叉干扰相较于六梁结构有所降低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的正视图。

图3为短小敏感梁3上压敏电阻6的布置方式示意图。

图4为压敏电阻6构成的半开环惠斯通全桥检测电路示意图。

图5为本发明芯片的工作原理示意图(取一半结构作为研究对象)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行更为详细的说明。

参照图1，复合八梁高频响加速度传感器芯片，包括硅基底1和键合于硅基底1背面的硼玻璃衬底2，硅基底1的中心空腔内配置有悬空质量块5，四个相同的短小敏感梁3沿着悬空质量块5的一组对边对称排布，以便最大程度上降低传感器的横向交叉干扰，四个宽大支撑梁4分别与悬空质量块5的另一组对边的四角相连，短小敏感梁3和宽大支撑梁4共同支撑悬空质量块5，使其保持悬空状态，硼玻璃衬底2与悬空质量块5之间预留有工作间隙以保证悬空质量块5在传感器正常工作时能够始终悬空，而在某些过载环境中其下底面能够与硼玻璃2接触，防止过载破坏传感器芯片。

参照图2，每个短小敏感梁3上均制作一个压敏电阻6，压敏电阻6采用U型方式制作而成，采用了硅晶体的压阻效应作为敏感原理，参照图3，每个短小敏感梁3均布置着两根压敏电阻条，两根压敏电阻条连接组成一个压敏电阻6，四个压敏电阻6中的第一个压敏电阻6-1、第二个压敏电阻6-2、第三个压敏电阻6-3、第四压敏电阻6-4均布置于短小敏感梁3和悬空质量块5连接的部位，第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3、第四压敏电阻6-4、通过芯片上的金属引线7相互连接组成半开环惠斯通全桥检测电路，参照图4，其中第一压敏电阻6-1和第四压敏电阻6-4位于一组相对的桥臂，第二压敏电阻6-2和第三压敏电阻6-3位于另一组相对的桥臂。半开环惠斯通全桥检测电路的输出端与芯片中的焊盘8相连，四根压敏电阻6按照短小敏感梁3上的应力分布规律布置，且位于硅晶体相同的晶向上。

所述的短小敏感梁3的长度和宽度均小于宽大支撑梁4，而短小敏感梁3和宽大支撑梁4的厚度相同。

所述的短小敏感梁3和宽大支撑梁4以及悬空质量块5与硅基底1之间存在着7-15μm的间隙，用以释放短小敏感梁3、宽大支撑梁4以及悬空质量块5连接组成的可动结构。

所述的具有八梁结构的加速度传感器芯片是由MEMS制造技术制作的加速度转换芯片。

本发明芯片的工作原理为：

参照图5，本发明利用的单晶硅材料的压阻效应作为敏感原理，当压敏电阻6处于一定应力作用下时，由于载流子迁移率的变化，其电阻率发生变化，其阻值的变化与其所受应力之间的比例关系为：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}={\mathrm{\π}}_1{\mathrm{\σ}}_i+{\mathrm{\π}}_2{\mathrm{\τ}}_i---\left(1\right)$

其中的π₁、π₂分别为压敏电阻6的横向压阻系数和纵向压阻系数，压阻系数是用来表征压阻效应强弱的，被定义为单位作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。σ_i、τ_i分别为压敏电阻的正应力和剪应力。

参照图4，对于有压敏电阻6组成的惠斯通半开环检测电路，采用恒压源供电时，其输出电压如下表示(不考虑后续的温补电路)：

$V_o=(\frac{R_3+\mathrm{\Δ}{R}_3}{R_1+R_3}-\frac{R_4-\mathrm{\Δ}{R}_4}{R_2+R_4})V_i---\left(2\right)$

公式2中的V_o、V_i分别为电桥的输出电压和输出电压，R₁、R₂、R₃、R₄分别为第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3、第四压敏电阻6-4的电阻初始电阻值，相对应的，△R₁为第一压敏电阻6-1的阻值变化量；△R₂为第一压敏电阻6-2的阻值变化量；△R₃为第一压敏电阻6-3的阻值变化量；△R₄为第一压敏电阻6-4的阻值变化量；特别的，四个电阻的阻值相等，且变化量的绝对值相等的情况下，有如下公式：

$V_o=\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}{V}_i---\left(3\right)$

根据牛顿定律可知，当悬空质量块5受到某一方向加速度作用时，将会有一个与加速度成正比且同向的惯性力作用于悬空质量块5上，从而使得悬空质量块5产生一定的位移；短小敏感梁3和宽大支撑梁4均与悬空质量块5相连，两组梁都将在悬空质量块5的带动下发生弯曲变形，从而在短小敏感梁3表面产生相应的应力。芯片中的压敏电阻6布置于短小敏感梁3上，当短小敏感梁3受应力作用时，根据压阻效应公式，各个压敏电阻6的阻值都会发生变化，引起电桥平衡失效，从而输出一个电压值，由于短小敏感梁3上产生的应力与输入加速度成正比，而压敏电阻6与短小敏感梁3上的应力成正比，因此输出电压与其所承受的加速度值成正比，最终实现了将加速度转化成电信号的功能。

Claims (4)

1.复合八梁高频响加速度传感器芯片，包括硅基底(1)和键合于硅基底(1)背面的硼玻璃衬底(2)，硅基底(1)的中心空腔内配置有悬空质量块(5)，其特征在于：四个相同的短小敏感梁(3)沿着悬空质量块(5)的一组对边对称排布，四个宽大支撑梁(4)分别与悬空质量块(5)的另一组对边的四角相连，短小敏感梁(3)和宽大支撑梁(4)共同支撑悬空质量块(5)，使其保持悬空状态，硼玻璃衬底(2)与悬空质量块(5)之间预留有工作间隙；

每个短小敏感梁(3)上均制作一个压敏电阻(6)，压敏电阻(6)采用U型方式制作而成，四个压敏电阻(6)通过芯片上的金属引线(7)连接组成半开环惠斯通全桥检测电路，半开环惠斯通全桥检测电路的输出端与芯片中的焊盘(8)相连，四根压敏电阻(6)按照短小敏感梁(3)上的应力分布规律布置，且位于硅晶体相同的晶向上。

2.根据权利要求1所述的复合八梁高频响加速度传感器芯片，其特征在于：所述的短小敏感梁(3)的长度和宽度均小于宽大支撑梁(4)，而短小敏感梁(3)和宽大支撑梁(4)的厚度相同。

3.根据权利要求1所述的复合八梁高频响加速度传感器芯片，其特征在于：所述的短小敏感梁(3)和宽大支撑梁(4)以及悬空质量块(5)与硅基底(1)之间存在着7-15μm的间隙。

4.根据权利要求1所述的复合八梁高频响加速度传感器芯片，其特征在于：所述的具有八梁结构的加速度传感器芯片是由MEMS制造技术制作的加速度转换芯片。