CN110078014A - 基于静电预加载具有准零刚度特性的mems微重力传感器芯片 - Google Patents

Abstract

基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，包括单晶硅衬底，单晶硅衬底上生长二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层上键合单晶硅结构层，单晶硅结构层中制作有MEMS加速度传感器芯片；MEMS加速度传感器芯片包括芯片框架,其四角分别分布有1组电极锚点，每组电极锚点之间连接的成阵列A、B电极板组成电容驱动单元，电极板端部与电极锚点连接，上下侧B电极板和中间臂连接，中间臂通过弹簧和质量块连接，除电极锚点及芯片框架，其余部分下的单晶硅衬底和二氧化硅绝缘层被腐蚀掉；采用静电驱动对弹簧进行轴向位移加载，在不降低弹簧垂向刚度的前提下使质量块在垂向获得一段具有准零刚度的工作区间，可用于微重力加速度检测，具有结构简单等特点。

Description

基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片

技术领域

本发明涉及加速度传感器技术领域，特别涉及一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片。

背景技术

地球重力场蕴含着丰富的物理信息，随着人类生产活动逐步深入地下，重力加速度的测量环境及指标变得更加严苛，人们对于高分辨率、高精度的微重力加速度检测技术的需求愈发急切。随着制造技术的迭代发展，体积小、能耗低、精度高的微机电系统(MEMS)加速度传感器越来越具有取代传统加速度传感器成为主流的趋势。无论是利用光学、电容还是谐振式的测量方式，具有高灵敏度的弹簧质量系统是实现低g值加速度测量的核心结构，对高精度微重力测量领域有重要意义。

桑迪亚国家实验室提出过一种基于亚微米波长光栅检测技术的面内加速度传感器，该传感器具有nano-g(1nano-g＝9.81×10^-9m/s²)分辨率；它是使用四组折型弹簧来悬挂质量块，结合纳米尺寸的差分光栅结构得到了高分辨率的信号，但其本身弹簧质量系统谐振频率并不太低,芯片主体结构的灵敏度还具有提升空间。

格拉斯哥大学Middlemiss等人将MEMS制造工艺运用到加速度传感器上，利用反弹簧结构来设计加速度传感器的弹簧质量系统，得到了具有超低面内振动谐振频率的系统。不过该反弹簧结构特征尺寸很小，对制造工艺要求很高，而且存在带宽较窄的缺点。

综上所述，由于弹簧—质量块系统在竖直方向上的灵敏度与它此方向的刚度是成反比，如果为了提高其灵敏度而单纯降低弹簧的垂向刚度，则系统的承载力也随之下降，即连接的质量块质量下降且能承受的加速度也很小，所以现有的面内运动MEMS加速度传感器主体结构的敏感方向刚度还不能做得很低，质量块灵敏度也因此受限，低g值检测的分辨率仍待提升。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，采用静电驱动来对弹簧进行轴向位移加载，在不直接降低弹簧垂向刚度的前提下使质量块在竖直方向获得一段具有高灵敏度的工作区间，同时不改变系统原有的对质量块质量或较大加速度的承载能力，从而可用于微重力加速度值检测，且具有可批量化、低成本、结构简单的特点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，包括单晶硅衬底1，单晶硅衬底1上生长有二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2上键合有单晶硅结构层3，单晶硅结构层3的电极锚点3-2上沉积有金属电极层4，单晶硅结构层3中制作有MEMS加速度传感器芯片；

所述的MEMS加速度传感器芯片包括芯片框架3-8,在芯片框架3-8四角分别分布有1组电极锚点3-2，每组电极锚点3-2之间连接的成阵列结构的A电极板3-3、B电极板3-4共同组成一组电容驱动单元3-1，A电极板3-3、B电极板3-4端部都与电极锚点3-2连接，对电极锚点3-2施加正负电压以形成正B电极板，每组电容驱动单元3-1中上下两侧的B电极板3-4和中间臂3-5连接，中间臂3-5的一端和弹簧3-6的首端连接，弹簧3-6的尾端和质量块3-7连接，电容驱动单元3-1、中间臂3-5、弹簧3-6、质量块3-7构成了传感器芯片的主体部分，通过一体化MEMS工艺制造，均为固定连接；除去电极锚点3-2以及芯片框架3-8，其余部分下面的单晶硅衬底1和二氧化硅绝缘层2将被腐蚀掉，主体部分成为悬空结构；

电容驱动单元3-1对弹簧3-6进行轴向加载后，能够改变MEMS加速度传感器芯片在其敏感方向的线性刚度，通过改变加载电压与弹簧3-6结构参数，能够实现MEMS加速度传感器芯片准零刚度区间的可调。

所述的电容驱动单元3-1中单侧B电极板3-4长度为1080～1180μm，宽度为40～50μm，单侧A电极板3-3长度为1080～1180μm，宽度为130～140μm，A电极板3-3与B电极板3-4之间的初始间隙是9μm，每组正B电极板之间的间距为220～230μm。

所述的弹簧3-6采用欧拉屈曲梁结构，其梁宽为30～34μm，两端跨距为3000～3100μm，中心偏转距为55～60μm。

所述的二氧化硅绝缘层2的生长厚度为2～3μm。

所述的单晶硅结构层3的厚度为40μm，平面尺寸为13mm×14mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

在对称布置的弹簧悬挂质量块的布局基础上，为每根弹簧配备电容驱动单元，电容驱动单元的输入端为直流电源，元件构成简单。在完成芯片整体制造后，采用静电驱动对弹簧进行轴向位移加载，使四组弹簧在初始平衡位置处于受压的预紧力状态。通过合理设计电容驱动单元、弹簧尺寸、预压量等参数，能在不直接降低弹簧垂向刚度的前提下使质量块在初始平衡位置附近的力-位移曲线被调制成非线性，即在一定范围内沿着面内振动方向具有准零刚度特性同时不降低系统原有的对质量块质量或较大加速度的承载能力，通过改变加载电压与弹簧结构参数，准零刚度区间长度也能实现可调，即根据需要改变工作区间范围。由此，在质量块重量一定的情况下，质量块振动被放大，灵敏度被尽可能地提高。

芯片整体结构简单，采用成熟的微纳工艺方法能较为容易地进行生产制造。后续可以与光强差分、光栅等高分辨率的位移检测技术结合来进行微重力加速度的测量，且能方便地集成为体积小、精度高、分辨率高的微重力加速度传感器产品，适合于低频信号的检测，能很好地满足应用及市场需求。

附图说明

图1是本发明的三维结构轴侧图。

图2是本发明的单晶硅结构层主视图。

图3是本发明的单晶硅结构层施加电压后的加载状态主视图。

图4是本发明的电容驱动单元3-1加载状态示意图。

图5是本发明的弹簧-质量块加载后受力示意图。

图6是本发明的弹簧-质量块加载后的力—位移曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。

参照图1，一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，包括单晶硅衬底1，单晶硅衬底1上生长有二氧化硅绝缘层2，生长厚度为2～3μm，二氧化硅绝缘层2上键合有单晶硅结构层3，单晶硅结构层3的电极锚点3-2上沉积有金属电极层4，单晶硅结构层3中制作有MEMS加速度传感器芯片，所述的单晶硅结构层3的厚度为40μm，平面尺寸为13mm×14mm。

参照图2和图3，所述的MEMS加速度传感器芯片包括芯片框架3-8,在芯片框架3-8四角分别分布有1组电极锚点3-2，每组电极锚点3-2之间连接的成阵列结构的A电极板3-3、B电极板3-4共同组成一组电容驱动单元3-1，A电极板3-3、B电极板3-4端部都与电极锚点3-2连接，对电极锚点3-2施加正负电压以形成正B电极板，每组电容驱动单元3-1中上下两侧的B电极板3-4和中间臂3-5连接，中间臂3-5的一端和弹簧3-6的首端连接，弹簧3-6的尾端和质量块3-7连接，电容驱动单元3-1、中间臂3-5、弹簧3-6、质量块3-7构成了传感器芯片的主体部分，通过一体化MEMS工艺制造，均为固定连接；除去电极锚点3-2以及芯片框架3-8，其余部分下面的单晶硅衬底1和二氧化硅绝缘层2将被腐蚀掉，主体部分成为悬空结构；在施加一定电压后，B电极板3-4与A电极板3-3之间产生静电力，B电极板3-4一端位于电极锚点3-2区域，其与电极锚点3-2的连接刚度远小于A电极板3-3与电极锚点3-2的连接刚度，因此在电极板间吸附力作用下，上下两侧B电极板3-4连接处将绕着电极锚点发生挠曲，从而带动中间臂3-5产生轴向位移，当弹簧3-6的回复力与静电力平衡后，弹簧3-6端部在一位置固定下来，即弹簧3-6内部产生了一定的压缩量，此时质量块3-7在四组受压弹簧3-6支撑下可做面内单自由度运动。

所述的电容驱动单元3-1中单侧B电极板3-4长度为1080～1180μm，宽度为40～50μm，单侧A电极板3-3长度为1080～1180μm，宽度为130～140μm，A电极板3-3与B电极板3-4之间的初始间隙是9μm，每组正B电极板之间的间距为220～230μm。

所述的弹簧3-6采用欧拉屈曲梁结构，其梁宽为30～34μm，两端跨距为3000～3100μm，中心偏转距为55～60μm。

本发明的工作原理为：

利用了硅材料的导电效应与静电吸附效应。当在金属电极层4上施加一定的直流电压后，单晶硅材料的电容驱动单元3-1的A电极板3-3和B电极板3-4，B电极板3-4一端位于电极锚点区域，其与电极锚点3-2的连接刚度远小于A电极板3-3与电极锚点3-2的连接刚度，因此在电极板间吸附力作用下，上下两侧B电极板3-4连接处将绕着电极锚点发生挠曲，由于上下两侧B电极板3-4对称，因此连接上下两侧B电极板3-4的中间臂3-5将沿轴线移动，当弹簧3-6的回复力与静电力平衡后，弹簧3-6端部在一位置固定下来，即弹簧3-6内部产生了一定的压缩量，此时质量块3-7在四组受压弹簧3-6支撑下可做面内单自由度运动。对于两端固定的欧拉梁结构，其轴向载荷P与轴向位移y关系可写为：

L为弹簧两端原始跨距，q₀为梁的中心偏转距，P_e＝π²EI/L²为欧拉梁发生屈曲的临界载荷，E为单晶硅的弹性模量，I为欧拉梁横截面的惯性矩。

参照图5，两侧欧拉屈曲梁具有轴向刚度K_轴，由于欧拉屈曲梁首端的边界条件为固定，因此其支撑质量块3-7的简化模型可等效为弹簧3-6首端铰支加上一个刚度为常数K_垂的垂直弹簧；左图为芯片处于初始平衡位置时的受力模型，由于上下对称故可简化为一个质量块3-7被一组受压弹簧3-6支撑；当质量块3-7发生向下偏移并在新位置平衡后，受力模型如右图所示。考虑质量块3-7从平衡位置向下偏移的情况，则质量块3-7所受的无量纲垂向力与平衡位置无量纲偏移量的关系可写为：

F为质量块3-6所受垂向力，刚度比K_垂为弹簧-质量块的垂向刚度，压缩比a为欧拉梁受压后两端的跨距， 为坐标系原点无量纲偏移量， 为弹簧两端无量纲跨距。

将对求导，得到系统的垂向运动刚度在时，令得到满足准零刚度区间的λ₀：

参照图6，设计弹簧-质量块尺寸使其满足λ₀所需条件，则芯片在初始平衡位置附近的力-位移曲线便呈现准零刚度特性，通过改变加载电压与弹簧3-6结构参数，准零刚度区间长度也能实现可调。

在低频的微重力加速度测量中，质量块所受到的加速度A与平衡位置偏移量u的关系可写为：

A＝ω₀ ²·u，

为系统无阻尼固有角频率，k、m分别为系统某方向上的刚度及质量。通过光学、电容等手段来检测位移量u，即可得到质量块所受加速度。在本发明中，由于芯片在准零刚度区间内工作，其刚度可以趋近于0。因此在所受加速度A一定的情况下，质量块产生的位移量u能变得很大，即灵敏度被大大提高，从而非常适用于低g值的低频信号检测。

Claims (5)

1.一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，包括单晶硅衬底(1)，其特征在于：单晶硅衬底(1)上生长有二氧化硅绝缘层(2)，二氧化硅绝缘层(2)上键合有单晶硅结构层(3)，单晶硅结构层(3)的电极锚点(3-2)上沉积有金属电极层(4)，单晶硅结构层(3)中制作有MEMS加速度传感器芯片；

所述的MEMS加速度传感器芯片包括芯片框架(3-8),在芯片框架(3-8)四角分别分布有1组电极锚点(3-2)，每组电极锚点(3-2)之间连接的成阵列结构的A电极板(3-3)、B电极板(3-4)共同组成一组电容驱动单元(3-1)，A电极板(3-3)、B电极板(3-4)端部都与电极锚点(3-2)连接，对电极锚点(3-2)施加正负电压以形成正B电极板，每组电容驱动单元(3-1)中上下两侧的B电极板(3-4)和中间臂(3-5)连接，中间臂(3-5)的一端和弹簧(3-6)的首端连接，弹簧(3-6)的尾端和质量块(3-7)连接，电容驱动单元(3-1)、中间臂(3-5)、弹簧(3-6)、质量块(3-7)构成了传感器芯片的主体部分，通过一体化MEMS工艺制造，均为固定连接；除去电极锚点(3-2)以及芯片框架(3-8)，其余部分下面的单晶硅衬底(1)和二氧化硅绝缘层(2)将被腐蚀掉，主体部分成为悬空结构；

电容驱动单元(3-1)对弹簧(3-6)进行轴向加载后，能够改变MEMS加速度传感器芯片在其敏感方向的线性刚度，通过改变加载电压与弹簧(3-6)结构参数，能够实现MEMS加速度传感器芯片准零刚度区间的可调。

2.根据权利要求1所述的一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，其特征在于：所述的电容驱动单元(3-1)中单侧B电极板(3-4)长度为1080～1180μm，宽度为40～50μm，单侧A电极板(3-3)长度为1080～1180μm，宽度为130～140μm，A电极板(3-3)与B电极板(3-4)之间的初始间隙是9μm，每组正B电极板之间的间距为220～230μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，其特征在于：所述的弹簧(3-6)采用欧拉屈曲梁结构，其梁宽为30～34μm，两端跨距为3000～3100μm，中心偏转距为55～60μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，其特征在于：所述的二氧化硅绝缘层(2)的生长厚度为2～3μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，其特征在于：所述的单晶硅结构层(3)的厚度为40μm，平面尺寸为13mm×14mm。