CN107765036A - 电感双端固支梁无线无源加速度传感器 - Google Patents

电感双端固支梁无线无源加速度传感器 Download PDF

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王立峰
黄庆安
董蕾
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Abstract

本发明是一种电感双端固支梁无线无源加速度传感器，其中，绝缘介质层(2)设置在所述衬底(1)上表面；所述电感结构(3)和所述锚区结构(4)并排设置在所述绝缘介质层(2)上表面；所述电感双端固支梁结构(5)的两端与所述锚区结构(4)形成固定连接；所述电感双端固支梁(5)和所述电感结构(3)构成LC谐振回路；所述质量块(6)设置在所述电感双端固支梁(5)上方。本发明为片上集成结构，利用电感双端固支梁的形变来改变LC谐振回路的谐振频率，传感器的结构简单、可靠性高且易于加工；无需引线和电池供电，能在高温环境、密闭环境或旋转环境等恶劣环境进行加速度测量。

Description

电感双端固支梁无线无源加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种电感双端固支梁无线无源加速度传感器技术，属于微电子技术领域。
背景技术
加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器，在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量获得加速度值。加速度传感器的应用十分广泛，包括汽车、智能手机、玩具、数码设备等。纵观加速度传感器的发展历程，加速度传感器朝着智能化的集成式加速度传感器方向发展，从有线的加速度传感器向着无线的加速度传感器方向发展。
半导体集成电路工艺和MEMS(微机电系统)技术的发展和进步，大大促进了加速度传感器的发展。多种不同原理和结构的微型加速度传感器被发明出来。较为常见的加速度传感器结构有应变式、压阻式、压电式和电容式等。从工作模式来看，加速度传感器又分为开环式和闭环式。
在对一些恶劣环境(如高温环境、密闭环境或旋转环境等)进行加速度测量时，有线的加速度传感器将不再适用。恶劣环境中的加速度测量大都采用无线的工作方式。无线加速度传感器又分为有源和无源两种。无线有源的加速度传感器一般采用射频收发电路进行数据传输，其收发电路依靠电池进行供电。无线无源的加速度传感器一般采用电感近场耦合原理传输数据，传感器结构简单不需要电池供电，特别适用恶劣环境中的应用。
发明内容
技术问题针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种电感双端固支梁无线无源加速度传感器，可以采用无线无源方式进行环境加速度的测量。
技术方案本发明的电感双端固支梁无线无源加速度传感器包括衬底、绝缘介质层、电感结构、锚区结构、电感双端固支梁结构和质量块；所述绝缘介质层设置在所述衬底上表面；所述电感结构和所述锚区结构并排设置在所述绝缘介质层上表面；所述电感双端固支梁结构的两端与所述锚区结构形成固定连接；所述电感双端固支梁和所述电感结构构成LC谐振回路；所述质量块设置在所述电感双端固支梁内圈的上方。
所述质量块采用高密度材料(如，铂、金)，具有较大的惯性。
所述电感结构为平面螺旋结构。
所述电感双端固支梁结构为平面螺旋结构。
所述电感双端固支梁结构和所述电感结构是上下正对放置。
本发明的电感双端固支梁无线无源加速度传感器的工作原理为：
测量原理：由于质量块具有较大惯性，当环境加速度变化时，质量块会带动电感双端固支梁发生形变。电感双端固支梁发生形变后，由电感双端固支梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率将发生变化。
读出原理：基于平面电感之间的近场耦合原理，采用连接阻抗分析仪的读出线圈，可以无线、无源地读出电感双端固支梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率值。
有益效果与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明的无线无源的LC谐振回路为片上集成结构，具有体积小、功耗低和可批量生产的优点；
(2)本发明利用电感双端固支梁的形变来改变LC谐振回路的谐振频率，传感器的结构简单、可靠性高且易于加工；
(3)本发明无需引线和电池供电，能在高温环境、密闭环境或旋转环境等恶劣环境进行加速度测量；
(4)本发明中的双端固支梁结构的刚性比悬臂梁结构更高，在高加速度冲击下形变量较小，适用于高加速度情形的检测。
附图说明
图1为本发明的剖面图。
图2为本发明的三维图。
其中有：衬底1、绝缘介质层2、电感结构3、锚区结构4、电感双端固支梁结构5、质量块6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的电感双端固支梁无线无源加速度传感器包括衬底1、绝缘介质层2、电感结构3、锚区结构4、电感双端固支梁结构5和质量块6；所述绝缘介质层2设置在所述衬底1上表面；所述电感结构3和所述锚区结构4并排设置在所述绝缘介质层2上表面；所述电感双端固支梁结构5的两端与所述锚区结构4形成固定连接；所述电感双端固支梁5和所述电感结构3构成LC谐振回路；所述质量块6设置在所述电感双端固支梁5内圈的上方。所述质量块6采用高密度材料(如，铂、金)，具有较大的惯性。所述电感结构3为平面螺旋结构。所述电感双端固支梁结构5为平面螺旋结构。所述电感双端固支梁结构5和所述电感结构3是上下正对放置。
本发明的电感双端固支梁无线无源加速度传感器的制备工艺如下：
a：在衬底表面淀积一层绝缘介质层；
b：在绝缘介质层表面淀积一层金属层并刻蚀，形成电感结构；
c：在绝缘介质层表面淀积一层介质层并刻蚀；形成锚区结构；
d：涂敷牺牲层并刻蚀；
e：淀积一层金属层并刻蚀，形成电感双端固支梁结构；
f：淀积一层厚膜并刻蚀，形成质量块；
g：腐蚀牺牲层，释放结构；
本发明的电感双端固支梁无线无源加速度传感器的工作过程为：
当环境加速度的方向向下时，质量块6会带动电感双端固支梁5向下形变。电感双端固支梁5发生向下形变后，电感双端固支梁5和电感结构3之间的电容增大，因此由电感双端固支梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率将减小；当环境加速度的方向向上时，质量块6会带动电感双端固支梁5向上形变。电感双端固支梁5发生向上形变后，电感双端固支梁5和电感结构3之间的电容减小，因此由电感双端固支梁5和电感结构3构成的LC谐振回路的谐振频率将增大；
使用方法：测量前，使用连接阻抗分析仪的读出线圈对本发明的传感器进行标定，建立其谐振频率与不同环境加速度之间的关系。测量时，使用连接阻抗分析仪的读出线圈读出本发明传感器的谐振频率，与标定值进行对比，即可得到待测环境加速度值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电感双端固支梁无线无源加速度传感器，其特征在于：该加速度传感器包括衬底(1)、绝缘介质层(2)、电感结构(3)、锚区结构(4)、电感双端固支梁结构(5)和质量块(6)；所述绝缘介质层(2)设置在所述衬底(1)上表面；所述电感结构(3)和所述锚区结构(4)并排设置在所述绝缘介质层(2)上表面；所述电感双端固支梁结构(5)的两端分别与所述锚区结构(4)形成固定连接；所述电感双端固支梁(5)和所述电感结构(3)构成LC谐振回路；所述质量块(6)设置在所述电感双端固支梁(5)内圈的上方。
2.根据权利要求1所述的电感双端固支梁无线无源加速度传感器，其特征在于：所述质量块(6)采用高密度材料，具有较大的惯性。
3.根据权利要求1所述的电感双端固支梁无线无源加速度传感器，其特征在于：所述高密度材料为铂、金，具有较大的惯性。
4.根据权利要求1所述的电感双端固支梁无线无源加速度传感器，其特征在于：所述电感结构(3)为平面螺旋结构。
5.根据权利要求1所述的电感双端固支梁无线无源加速度传感器，其特征在于：所述电感双端固支梁结构(5)为平面螺旋结构。
6.根据权利要求1、4或5所述的电感双端固支梁无线无源加速度传感器，其特征在于：所述电感双端固支梁结构(5)和所述电感结构(3)是上下正对放置。
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