CN109231155A - 一种复合梁结构的压阻式mems加速度传感器及封装装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器和封装装置，该传感器具体结构如下：边框为正方形边框，边框上设有五个焊盘，边框的内沿四个边上均设置锚点。硅基底为边框的衬底，硅基底为正方形板状结构，硅基底的尺寸与边框外围尺寸一致，边框键合在硅基底上。质量块的横截面为正方形，敏感质量块四个侧面通过四个敏感梁对应与边框的四边上的锚点相连接，敏感质量块悬空置于硅基底之上。每个敏感梁上设置一个压敏电阻，压敏电阻两侧管脚通过金属引线连接至焊盘，四个压敏电阻连成一个全桥惠斯通电桥。驱动梁为双端固支梁，两个驱动梁设置于敏感梁上方，驱动梁和下面的四梁结构键合在一起，两驱动梁之间通过所述驱动质量块衔接。

Description

一种复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器及封装装置
技术领域
本发明涉及微机电系统MEMS技术领域，具体涉及复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器及封装装置。
背景技术
微机械MEMS加速度传感器的迅速发展，已广泛应用于汽车碰撞、侵彻等复杂环境下，这得益于其体积小，带宽大，能耗小以及抗冲击等优点。单晶硅具有良好的机械性能，单晶硅的强度、硬度、弹性模量和钢接近，因此是制作高冲击传感器的最佳材料。
随着微机械加速度性能(分辨率、灵敏度、带宽)的不断提高，高g值MEMS传感器由于受到的环境非常恶劣，尤其在侵彻过程不但峰值会达到几万个g甚至几十万个g,而且包含的频率成分十分丰富，尤其是当穿层硬目标时，由于弹体速度比较高，穿层过载信号很容易出现粘连而不能有效辨识出穿层信息，要想能够有效辨识出穿层信息，这就要求传感器受激励时，装载速度快，同时要求阻尼比较大，这样卸载速度也比较快，可以保证穿下一层目标的时候信号能回到零点、。对于高g值MEMS传感器压阻式传感器，国内外很多学者只是穿层后的算法来识别穿层信息，但是由于穿层时间很短，这些算法也很难在实际穿靶中使用，此外质量块的质心和悬臂梁的质心不在一个平面上，因此在高速碰撞或者冲击的时候，梁会发生扭转变形因而会产生横向扰动,外界振动对加速度计的性能影响愈发突出,对于传感器的封装也提出了更高的要求，传感器的封装不仅要考虑可靠性，还要考虑封装模态、阻尼对信号输出信号的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器和封装装置，能够实现驱动模态和干扰模态的优化，降低横向灵敏度，提高敏感方向灵敏度，使过载信号装载速度快，卸载速度快，容易辨识出穿层信号等特点。
本发明所提供的技术方案为：一种复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器，该传感器包括边框、硅基底、敏感质量块、四个敏感梁、两个驱动梁、驱动质量块、四个压敏电阻以及五个焊盘。
边框为正方形边框，边框上设有五个焊盘，边框的内沿四个边上均设置锚点。
硅基底为边框的衬底，硅基底为正方形板状结构，硅基底的尺寸与边框外围尺寸一致，边框通过硅硅键合技术键合在硅基底上。
敏感质量块的横截面为正方形，敏感质量块四个侧面通过四个敏感梁对应与边框的四边上的锚点相连接，敏感质量块厚度小于边框的厚度，则敏感质量块悬空置于硅基底之上。
每个敏感梁上均设置一个压敏电阻，每个压敏电阻两侧管脚通过金属引线连接至焊盘，同一压敏电阻的两侧管脚连接不同的焊盘，四个压敏电阻连成一个全桥惠斯通电桥。
驱动梁为双端固支梁，两个驱动梁设置于敏感梁上方，驱动梁和下面的复合梁结构通过硅硅键合工艺键合在一起，两个驱动梁之间通过驱动质量块衔接。
进一步地，敏感梁上的压敏电阻由一个浓硼区、两个淡硼区以及两个欧姆接触区组成。
浓硼区和淡硼区均为硼离子掺杂区域，其中浓硼区的硼离子掺杂浓度大于淡硼区的硼离子掺杂浓度。
一个浓硼区连接两个淡硼区，每个淡硼区通过欧姆接触区引出金属引线连接至一个焊盘；同一敏感梁上的两个淡硼区连接不同的焊盘。
进一步地，浓硼区的硼离子掺杂浓度为1.5E16/cm2；淡硼区的硼离子掺杂浓度为3E14/cm2。
进一步地，敏感梁的长×宽×厚为450μm×800μm×100μm；敏感质量块的长×宽×厚为800μm×800μm××240μm。驱动梁的尺寸和敏感梁的尺寸相同。驱动质量块与敏感质量块的尺寸相同。
边框的外围尺寸长×宽为2700μm×2700μm，边框的内沿尺寸长×宽为1700μm×1700μm，边框的厚度为400μm。
本发明实施例还提供了一种复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器封装装置，该封装装置安装于待测设备上，包括上述实施例提供的复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器、PCB板、底板、底座、封帽、固定孔、引线孔、盖帽孔。
底板中央开设沉槽作为安装传感器的底座。
底板上底座四周开设固定孔，固定孔用于将底板固定安装于待测设备。
传感器采用环氧树脂进行整体灌封后，通过紫外固化胶固连在底座上。
底板上底座四周还开设盖帽孔，盖帽孔用于将封帽固定覆盖沉槽，将传感器封闭在底座内。
底座侧壁开设用于向底板外部引线的引线孔，传感器五个焊盘通过金丝引线技术连接到底座上固定的PCB板，在PCB板上将两个GND连接后，共引出四条线通过引线孔引出至底板外部。
进一步地，底板上底座四周开设三个固定孔，分别为第一固定孔、第二固定孔以及第三固定孔；三个固定孔绕底座四周设置；第一固定孔、第二固定孔以及第三固定孔的孔径均为3mm，其中心到底板边框的距离是2mm。
进一步地，底板上底座上开设两个盖帽孔，分别为第一盖帽孔和第二盖帽孔，两个盖帽孔的孔径均为1.5mm；两个盖帽孔分别位于底座的两侧。
有益效果：
1、本发明提供的一种复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器，本发明的驱动梁采用双端固支梁、敏感梁采用十字交叉敏感梁结构，充分利用结构空间，利用复合梁结构的支撑梁将垂直于传感器表面方向的加速度转换为敏感梁的轴向应力，在不降低灵敏度的前提下，实现了检测电阻的变化量与位移变化量的线性转换，同时有效解决了传感器低灵敏度和可靠性问题。本发明通过锚点来连接敏感梁和框架实现了驱动模态和耦合模态的优化，从而使驱动模态远高于耦合模态，既能提高传感器的固有频率，从而防止传感器在高过载环境下引起共振而失效，同时降低了横向灵敏度的干扰，最终获得高线性、大量程的微机械加速度。
2、本发明实施例中采用离子注入法精确控制浓硼区和淡硼区形成压敏电阻，压敏电阻采用U型结构，从而既可以控制压敏电阻的精度在0.1％误差范围之内，又能够具有最大的压阻系数。
3、本发明提供了一种封装装置，将上述复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器通过高粘度、高强度2GPa紫外固化胶固连在封装管壳底座上，从而保证传感器能够测到受冲击时候的真实过载信息。然后用环氧树脂对除敏感部分外进行整体灌封，从而提高封装模态以抑制共振模态的激发，降低横向干扰信号，提高传感器的信噪比。
附图说明
图1为本发明提供的复合梁结构的压阻式微机电系统加速度传感器芯片结构示意图；
其中1-边框；45-硅基底；4、17、33、44-锚点；11金属引线；16-敏感质量块；6、21、25、39-敏感梁；2、3、4、12、13、15、22、23、24、36、37、38-倒角；7、14、28、43-浓硼区；8、20、29、43-淡硼区；9、10、18、19、30、32、40、41-欧姆接触区；26、27、31、34、35-焊盘；
图2为本发明提供的复合梁结构的压阻式微机电系统加速度传感器芯片的剖视图；
49-底座；46、48、50-固定孔；52-引线孔；47、51-盖帽孔；
图3为本发明结构封装管壳结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提出一种复合梁结构的压阻式微机电系统加速度传感器，充分利用结构空间，当冲击加速度加载的时候，上面的低频梁发生较大变形，驱动质量块会碰撞下面的敏感质量块，使下面的敏感传感器既有较大的装载速度同时由于下面的结构阻尼比较大，而卸载速度也比较快，有效解决了微加速度计在穿靶过程中由于频率成分复杂和卸载速度慢出现的信号粘连问题。通过锚点连接支点和弹性梁的结构，实现了驱动模态，干扰模态的模态优化。优化后的复合梁结构的微结构降低了驱动模态和干扰模态的耦合关系，提高了信噪比。本发明可以从结构上实现微加速度的传感器的灵敏度提高，同时卸载速度比较快，有利于辨识出穿层信息。
本发明提供了一种复合梁结构的压阻式微机电系统加速度传感器，其结构如图1所示，该传感器包括边框1、硅基底45、敏感质量块16、四个敏感梁6、21、25、39、四个压敏电阻以及五个焊盘26、27、31、34、35，两个驱动梁和一个驱动质量块。
边框1为正方形边框，边框1上设有五个焊盘，边框1的内沿四个边上均设置锚点；本发明实施例中，采用正面进行干法刻蚀技术释放形成完整的边框1。
硅基底45为边框1的衬底，硅基底45为正方形板状结构，硅基底45的尺寸与边框1外围尺寸一致，边框1通过硅硅键合技术键合在硅基底45上。
敏感质量块16的横截面为正方形，敏感质量块16四个侧面通过四个敏感梁对应与边框1的四边上的锚点相连接，敏感质量块16厚度小于边框1的厚度，则敏感质量块16悬空置于硅基底45之上；本发明实施例中，通过KOH进行湿法腐蚀，并在此基础上采用凸角补偿技术使腐蚀后的结构达到预期设计效果，从而形成敏感质量块。
每个敏感梁上均设置一个压敏电阻，每个压敏电阻两侧管脚通过金属引线连接至焊盘，同一压敏电阻的两侧管脚连接不同的焊盘，四个压敏电阻连成一个全桥惠斯通电桥。其中两个梁上压敏电阻测纵向应变，另外两个梁上压敏电阻测横向应变。本发明实施例中，四个敏感梁上的P型压敏电阻，都选择N型硅片作为衬底材料，在其上沿晶向采用离子注入法形成P型压阻。
两个驱动梁均为双端固支梁，两个驱动梁设置于敏感梁上方，驱动梁和下面的复合梁结构通过硅硅键合工艺键合在一起，两个驱动梁之间通过驱动质量块衔接。
当有加速度激励信号时，在惯性力的作用下敏感质量块偏离平衡位置引起敏感梁的变形，因而导致压敏电阻电阻布置区域的应力发生变化。根据硅的压阻效应，应力的变化将引起各压敏电阻的电阻率发生变化，则压敏电阻的阻值产生变化，电桥失去平衡，通过惠斯通电桥输出传感信号。键合以后的传感器芯片通过高粘度、高强度紫外固化胶固连在封装管壳底座上，从而保证传感器能够测到受冲击时候的真实加速度信号。然后用环氧树脂对除敏感部分外进行整体灌封，从而提高封装模态以抑制共振模态的激发，降低横向干扰信号，提高传感器的信噪比。
当冲击加速度加载的时候，上面的低频梁发生较大变形，驱动质量块会碰撞下面的敏感质量块，使下面的敏感传感器既有较大的装载速度同时由于下面的结构阻尼比较大，而卸载速度也比较快，有效解决了微加速度计在穿靶过程中由于频率成分复杂和卸载速度慢出现的信号粘连问题。
本发明采用离子注入法精确控制高浓度硼和低浓度硼的形成压敏电阻，压敏电阻采用U型结构，从而既可以控制压敏电阻的精度在0.1％误差范围之内，又能够具有最大的压阻系数。具体地，如图1所示，其中一个敏感梁上的压敏电阻由一个浓硼区7、两个淡硼区8以及两个欧姆接触区9、10组成，此处采用8指代两个淡硼区。
浓硼区7和淡硼区8均为硼离子掺杂区域，其中浓硼区7的硼离子掺杂浓度大于淡硼区8的硼离子掺杂浓度。
一个浓硼区8连接两个淡硼区7，每个淡硼区8通过欧姆接触区9、10引出金属引线连接至一个焊盘；同一敏感梁上的两个淡硼区8连接不同的焊盘例如通过欧姆接触区9连接至焊盘35，通过欧姆接触区10连接至焊盘27。
其他的敏感梁上压敏电阻结构也是如此，例如右侧敏感梁上具有浓硼区14，淡硼区20，欧姆接触区18、19，其中淡硼区20通过欧姆接触区18连接至焊盘26，通过欧姆接触区19连接至焊盘27；左侧敏感梁上有浓硼区43，淡硼区42，欧姆接触区40、41，其中淡硼区42通过欧姆接触区40连接至焊盘34，通过欧姆接触区41连接至焊盘35；下方敏感梁上有浓硼区28，淡硼区29，欧姆接触区30、32，其中淡硼区42通过欧姆接触区30连接至焊盘31，通过欧姆接触区32连接至焊盘34；由此形成全桥惠斯通电桥，其中焊盘作为金属电极分别为焊盘35为金属电极VCC、焊盘34为金属电极Vout2、焊盘26为金属电极Vout1、31和27均为接地的金属电极GND。
本发明实施例中，浓硼区的硼离子掺杂浓度为1.5E16/cm2；淡硼区的硼离子掺杂浓度为3E14/cm2。
本发明实施例中，敏感梁的长×宽×厚为450μm×800μm×100μm；
敏感质量块16的长×宽×厚为800μm×800μm××240μm；
边框1的外围尺寸长×宽为2700μm×2700μm，边框1的内沿尺寸长×宽为1700μm×1700μm，边框1的厚度为400μm。
本发明实施例提供的复合梁结构的压阻式微机电系统加速度传感器不但有较高的固有频率而且具有较高的灵敏度，封装以后的传感器可以耐冲击20×104g，并且由于驱动梁的碰撞导致在高过载的时候灵敏度大大提高，并且较高的结构阻尼导致过载信号卸载速度比较快，有利于辨识出穿靶信号。
本发明实施例还提供了针对上述的复合梁结构的压阻式微机电系统加速度传感器的封装装置，该装置除包括的复合梁结构的压阻式微机电系统加速度传感器之外，如图3所示，还包括底座49、封帽、固定孔46、48、50、引线孔52、盖帽孔47、51；
一种复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器封装装置，其特征在于，包括如权利要求1的传感器、PCB板、底板、底座49、封帽、固定孔、引线孔52、盖帽孔。
底板中央开设沉槽作为安装传感器的底座49。
底板上底座49四周开设固定孔，固定孔用于将底板固定安装于待测设备。本发明实施例中，底板上底座49四周开设三个固定孔，分别为第一固定孔46、第二固定孔48以及第三固定孔50；三个固定孔绕底座49四周设置；三个固定孔可以作为一个三角形的三个顶点，该种设置可以更好地固定封帽。第一固定孔46、第二固定孔48以及第三固定孔50的孔径均为3mm，其中心到底板边框的距离是2mm。
传感器采用环氧树脂进行整体灌封后，通过紫外固化胶固连在底座49上。
底板上底座49四周还开设盖帽孔，盖帽孔用于将封帽固定覆盖沉槽，将传感器封闭在底座49内。本发明实施例中，底板上底座49上开设两个盖帽孔，分别为第一盖帽孔47和第二盖帽孔51，两个盖帽孔的孔径均为1.5mm；两个盖帽孔分别位于底座49的两侧。
底座49侧壁开设用于向底板外部引线的引线孔52，传感器五个焊盘通过金丝引线技术连接到底座上固定的PCB板，在PCB板上将两个GND连接后，共引出四条线通过引线孔52引出至底板外部。
该封装装置，将上述复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器通过高粘度、高强度紫外固化胶固连在封装管壳底座上，并通过固定孔将封装装置安装在待测设备上，从而保证传感器能够测到受冲击时候的真实过载信息。然后用环氧树脂对除敏感部分外进行整体灌封，从而提高封装模态以抑制共振模态的激发，降低横向干扰信号，提高传感器的信噪比。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器，其特征在于，该传感器包括边框(1)、硅基底(45)、敏感质量块(16)、四个敏感梁、两个驱动梁、驱动质量块、四个压敏电阻以及五个焊盘；
所述边框(1)为正方形边框，所述边框(1)上设有所述五个焊盘，所述边框(1)的内沿四个边上均设置锚点；
所述硅基底(45)为所述边框(1)的衬底，硅基底(45)为正方形板状结构，硅基底(45)的尺寸与所述边框(1)外围尺寸一致，所述边框(1)通过硅硅键合技术键合在所述硅基底(45)上；
所述敏感质量块(16)的横截面为正方形，所述敏感质量块(16)四个侧面通过四个敏感梁对应与所述边框(1)的四边上的锚点相连接，所述敏感质量块(16)厚度小于所述边框(1)的厚度，则所述敏感质量块(16)悬空置于硅基底(45)之上；
每个敏感梁上均设置一个压敏电阻，每个压敏电阻两侧管脚通过金属引线连接至焊盘，同一压敏电阻的两侧管脚连接不同的焊盘，四个压敏电阻连成一个全桥惠斯通电桥；
所述驱动梁为双端固支梁，两个驱动梁设置于敏感梁上方，驱动梁和下面的四梁结构通过硅硅键合工艺键合在一起，两个驱动梁之间通过所述驱动质量块衔接。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述敏感梁上的压敏电阻由一个浓硼区、两个淡硼区以及两个欧姆接触区组成；
所述浓硼区和淡硼区均为硼离子掺杂区域，其中浓硼区的硼离子掺杂浓度大于淡硼区的硼离子掺杂浓度；
所述一个浓硼区连接两个淡硼区，每个淡硼区通过欧姆接触区引出金属引线连接至一个焊盘；同一敏感梁上的两个淡硼区连接不同的焊盘。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述浓硼区的硼离子掺杂浓度为1.5E16/cm2；所述淡硼区的硼离子掺杂浓度为3E14/cm2。
4.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述敏感梁的长×宽×厚为450μm×800μm×100μm；所述驱动梁的尺寸和敏感梁的尺寸相同；
所述敏感质量块(16)的长×宽×厚为800μm×800μm××240μm；所述驱动质量块与所述敏感质量块的尺寸相同；
所述边框(1)的外围尺寸长×宽为2700μm×2700μm，所述边框(1)的内沿尺寸长×宽为1700μm×1700μm，所述边框(1)的厚度为400μm。
5.一种复合梁结构的压阻式MEMS加速度传感器封装装置，其特征在于，该封装装置安装于待测设备上，包括如权利要求1所述的传感器、PCB板、底板、底座(49)、封帽、固定孔、引线孔(52)、盖帽孔；
所述底板中央开设沉槽作为安装所述传感器的底座(49)；
所述底板上底座(49)四周开设固定孔，所述固定孔用于将所述底板固定安装于待测设备；
所述传感器采用环氧树脂进行整体灌封后，通过紫外固化胶固连在所述底座(49)上；
所述底板上底座(49)四周还开设盖帽孔，所述盖帽孔用于将所述封帽固定覆盖所述沉槽，将所述传感器封闭在所述底座(49)内；
所述底座(49)侧壁开设用于向底板外部引线的引线孔(52)，所述传感器五个焊盘通过金丝引线技术连接到底座上固定的PCB板，在PCB板上将两个GND连接后，共引出四条线通过所述引线孔(52)引出至底板外部。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底板上底座(49)四周开设三个固定孔，分别为第一固定孔(46)、第二固定孔(48)以及第三固定孔(50)；
三个固定孔绕所述底座(49)四周设置；
所述第一固定孔(46)、第二固定孔(48)以及第三固定孔(50)的孔径均为3mm，其中心到所述底板边框的距离是2mm。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底板上底座(49)上开设两个盖帽孔，分别为第一盖帽孔(47)和第二盖帽孔(51)，两个盖帽孔的孔径均为1.5mm；
两个盖帽孔分别位于底座(49)的两侧。
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