CN107144275B - 一种微机械惯性传感器抗温漂结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械惯性传感器抗温漂结构，应用于微机械惯性传感器中，所述抗温漂结构包括：三个紧固直梁和一个环形弹性连接结构，其中，三个紧固直梁的一端分别与微机械惯性传感器中的锚点连接，三个紧固直梁的另一端均与环形弹性连接结构连接，微机械惯性传感器中的双端固支梁一端与环形弹性连接结构连接，双端固支梁另一端与微机械惯性传感器中的敏感质量块连接，实现了能够从源头上抑制温度变化所导致的梁轴向应力改变，设计简单，成本较低的技术效果。

Description

一种微机械惯性传感器抗温漂结构

技术领域

本发明涉及微机械惯性传感器研究领域，具体地，涉及一种微机械惯性传感器抗温漂结构。

背景技术

微机械惯性传感器由于其体积小、重量轻、功耗低、易批量生产等优点被广泛应用在汽车电子、工业控制、航空、航天等领域，在军事领域也具有广阔的市场前景。然而微机械惯性传感器件性能指标的稳定性问题是阻碍其实际应用的关键瓶颈之一，温度便是影响其稳定性的重要影响因素。

微机械惯性传感器件温度稳定性较差，究其原因是由于微机械结构对外界环境温度非常敏感，它将影响微结构的弹性模量、结构尺寸、轴向应力等，这些参数的变化会直接改变惯性传感器的谐振频率，特别是在器件封装、键合时，从基板、粘胶处引入的机械应力和热应力，将通过机械锚点传入到敏感结构中改变敏感梁的轴向应力，从而较大的影响惯性器件的谐振频率，最终使得微机械惯性传感器指标稳定性差，测量不准，综合精度不高。

目前提高微机械惯性传感器温度稳定性的方法也有很多，主要是通过性能指标的温度模型进行电路补偿、利用恒温腔进行温度控制以及选用新型材料来降低结构温度敏感性等方法，这些方法都不能从根源上抑制温度的影响，而且电路控制复杂、增加系统功耗；也有采用应力缓冲装置设计优化器件温度稳定性的例子，改善效果比较明显，但是这种设计结构复杂、芯片面积较大，同时存在刚度耦合，影响了器件的系统刚度。

发明内容

本发明提供了一种微机械惯性传感器抗温漂结构，解决了现有的微机械惯性传感器温度稳定性控制方法存在的成本高、复杂，无法从根源上抑制温度的影响技术问题，实现了能够从源头上抑制温度变化所导致的梁轴向应力改变，设计简单，成本较低的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种微机械惯性传感器抗温漂结构，应用于微机械惯性传感器中，所述抗温漂结构包括：

三个紧固直梁和一个环形弹性连接结构，其中，三个紧固直梁的一端分别与微机械惯性传感器中的锚点连接，三个紧固直梁的另一端均与环形弹性连接结构连接，微机械惯性传感器中的双端固支梁一端与环形弹性连接结构连接，双端固支梁另一端与微机械惯性传感器中的敏感质量块连接。

其中，本申请的原理为：当微机械惯性传感器所处外界环境温度发生改变时，微机械结构在器件封装、键合等时引入的机械应力、热应力变化将由基板通过锚点传入到紧固直梁上，并传递作用在环形弹性连接结构内部，环形弹性连接结构将发生形变并释放轴向应力，此时双端固支梁将不受温度变化引起的轴向应力改变的影响；由于均匀分布在环形弹性连接结构的紧固直梁刚度远远大于双端固支梁刚度，所以紧固直梁在存在轴向拉应力或轴向压应力时，相对于双端固支梁来说将不发生形变，即位移量为零，也就是说，三个紧固直梁对环形弹性连接结构还起到限位作用，使轴向应力在环形弹性连接结构中得到释放的同时环形弹性连接结构基本不发生变形，形变量几乎为零，即环形弹性连接结构将不与双端固支梁发生刚度耦合。从根源上抑制温度的影响。

进一步的，紧固直梁和双端固支梁均匀分布在环形弹性连接结构四周。这样设计便于受力均匀。

进一步的，三个紧固直梁尺寸一致。

进一步的，紧固直梁刚度大于双端固支梁刚度。

进一步的，锚点通过氧化层固定在基片上。

进一步的，基片材料为掺杂多晶硅或者玻璃。

进一步的，环形弹性连接结构与双端固支梁不发生刚度耦合。

进一步的，微机械惯性传感器中四周分布有多个抗温漂结构，多个抗温漂结构分别位于微机械惯性传感器的四周呈中心对称分布。

本申请提供了一种新的微机械惯性传感器抗温漂结构，该结构的特点是：1、由三个紧固直梁和一个环形弹性连接结构组成，其中环形弹性连接结构分别与三个紧固直梁和一个双端固支梁一端连接，紧固直梁和双端固支梁均匀分布在环形弹性连接结构四周；2、三个紧固直梁结构尺寸一致，其另一端与锚点连接，锚点固定在衬底上；3、双端固支梁另一端与敏感质量块连接，控制质量块上下敏感位移量；4、紧固直梁刚度远大于双端固支梁刚度；5、该结构与双端固支梁不发生耦合，系统刚度不受影响。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请中的微机械惯性传感器抗温漂结构，该结构能够从源头上抑制温度变化所导致的梁轴向应力改变，对基板向敏感结构传导的机械应力及热应力成功地隔离、释放，将大大降低温度对器件谐振频率的影响，提高微机械惯性传感器件指标的温度稳定性和综合精度，同时该结构的设计不存在系统刚度耦合，尺寸小，没有复杂的电路控制问题，设计简单，有利于提高器件良品率，降低生产制造成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是微机械惯性传感器抗温漂结构示意图；

图2是无抗温漂结构时，梁受轴向拉应力示意图；

图3是无抗温漂结构时，梁受轴向压应力示意图；

图4是本申请中抗温漂结构作用时，结构受轴向拉应力示意图；

图5是本申请中抗温漂结构作用时，结构受轴向压应力示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种微机械惯性传感器抗温漂结构，解决了现有的微机械惯性传感器温度稳定性控制方法存在的成本高、复杂，无法从根源上抑制温度的影响技术问题，实现了能够从源头上抑制温度变化所导致的梁轴向应力改变，设计简单，成本较低的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，以单质量块微机械惯性传感器为例说明本发明，但本发明的结构不限于使用在该类型微机械惯性传感器结构上，其它类型的微机械惯性传感器同样适用。根据本发明实施例的微机械惯性传感器抗温漂结构，包括有基片1，其材料可为掺杂多晶硅或者玻璃；基片1上有层较薄的氧化层，氧化层起绝缘隔离及固定作用，锚点2通过氧化层固定在基片1上，氧化层上面是敏感器件层，其材料为重掺杂硅，敏感器件层包括有敏感质量3，双端固支梁4，环形弹性连接结构5，紧固直梁6，各结构通过MEMS加工工艺制作完成。每一个抗温漂结构由三个紧固直梁6和一个环形弹性连接结构5组成，紧固直梁6一端通过锚点2被固定在基片1上，另一端连接在环形弹性连接结构5上，双端固支梁4一端与环形弹性连接结构5连接，另一端与敏感质量块3连接，双端固支梁4控制着敏感质量块5的敏感位移量，同时决定着系统的整体刚度。环形弹性连接结构指图1中抗温漂结构中间的那个圆环(圆环的自身性质决定其可发生弹性形变)，同时它与三个直梁和双端固支梁相连。

本实施例给出了四组抗温漂结构，分别位于敏感器件的四周呈中心对称分布，但并不是说本发明只限于四组结构，根据需要可以增减若干组同类单元结构。

本发明实施例结构不受温度影响时，即温度为恒定值，轴向应力变化量为0，系统固有谐振频率为：

其中，K₀和M₀分别为传感器系统等效刚度和等效质量，E为硅材料的弹性模量，h、b、l分别为梁的高、宽、长。

当环境温度发生改变时，微机械结构在器件封装、键合时引入的机械应力、热应力等将发生明显变化，此应力的改变将由基板通过锚点传递作用到微机械惯性传感器敏感梁上，从而改变梁的轴向应力值，影响惯性器件的谐振频率，使得微机械惯性传感器指标稳定性变差，测量不准，综合精度不高。

如图2所示，为微机械惯性传感器无抗温漂结构时，梁受轴向拉应力示意图，此时系统谐振频率为：

其中，δ为比例系数，I为梁所受惯性力距，F为微机械惯性传感器在外界环境温度变化后，梁受到的轴向拉应力值，此值大小与外界环境温度变化引起的封装机械应力、热应力大小有关。由式(2)可以知道，由于温度变化的作用，系统谐振频率将发生改变，影响器件的灵敏度、零偏等，使得微机械惯性传感器指标稳定性差，测量不准，综合精度不高。

同理，当微机械惯性传感器无抗温漂结构，梁由于温度变化作用受到轴向压应力时，如图3所示，此时系统谐振频率为：

由式(3)知，由于温度变化的作用，系统谐振频率也将发生改变，影响器件的灵敏度、零偏等，使得微机械惯性传感器指标稳定性差，测量不准，综合精度不高。

图4，图5分别为本发明抗温漂结构作用时，结构受轴向拉应力和压应力示意图，当微机械惯性传感器所处外界环境温度发生改变时，微机械结构在器件封装、键合等时引入的机械应力、热应力变化将由基板1通过锚点2传入到紧固直梁6上，并传递作用在环形弹性连接结构5内部，环形弹性连接结构5将发生形变并释放轴向应力，此时双端固支梁4将不受温度变化引起的轴向应力改变的影响；由于均匀分布在环形弹性连接结构5的紧固直梁6刚度远远大于双端固支梁刚度4，所以紧固直梁6在存在轴向拉应力或轴向压应力时，相对于双端固支梁4来说将不发生形变，即位移量为零，也就是说，三个紧固直梁6对环形弹性连接结构5还起到限位作用，使轴向应力在环形弹性连接结构5中得到释放的同时环形弹性连接结构5基本不发生变形，形变量几乎为零，即环形弹性连接结构5将不与双端固支梁4发生刚度耦合。

综上，当外界环境温度发生变化时，基于抗温漂结构设计的微机械惯性传感器系统谐振频率与式(1)相同，即等于系统固有谐振频率，本发明结构的设计不存在系统刚度耦合，能够从源头上抑制温度变化所导致的敏感梁轴向应力改变，对基板向敏感结构传导的机械应力及热应力成功地隔离、释放，将大大降低温度对器件谐振频率的影响，提高微机械惯性传感器件指标的温度稳定性和综合精度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种微机械惯性传感器抗温漂结构，应用于微机械惯性传感器中，其特征在于，所述抗温漂结构包括：

三个紧固直梁和一个环形弹性连接结构，其中，三个紧固直梁的一端分别与微机械惯性传感器中的锚点连接，三个紧固直梁的另一端均与环形弹性连接结构连接，微机械惯性传感器中的双端固支梁一端与环形弹性连接结构连接，双端固支梁另一端与微机械惯性传感器中的敏感质量块连接；紧固直梁和双端固支梁均匀分布在环形弹性连接结构四周，均匀分布在环形弹性连接结构的紧固直梁刚度远远大于双端固支梁刚度。

2.根据权利要求1所述的微机械惯性传感器抗温漂结构，其特征在于，三个紧固直梁尺寸一致。

3.根据权利要求1所述的微机械惯性传感器抗温漂结构，其特征在于，锚点通过氧化层固定在基片上。

4.根据权利要求3所述的微机械惯性传感器抗温漂结构，其特征在于，基片材料为掺杂多晶硅或者玻璃。

5.根据权利要求1所述的微机械惯性传感器抗温漂结构，其特征在于，所述环形弹性连接结构与双端固支梁不发生刚度耦合。

6.根据权利要求1所述的微机械惯性传感器抗温漂结构，其特征在于，微机械惯性传感器中四周分布有多个抗温漂结构，多个抗温漂结构分别位于微机械惯性传感器的四周呈中心对称分布。

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