CN112285383A - 一种非对称梁谐振式微机械加速度传感器、加速度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微机械传感器技术领域，一个方面，提供了一种非对称梁谐振式微机械加速度传感器，包括多件谐振敏感芯片；所述谐振敏感芯片的惯性不同；所述第一盖板和第二盖板与对应的谐振敏感芯片之间均形成检测电容，相邻两件谐振敏感芯片之间形成静电弱耦合电容。另一个方面，提供了一种电子装置，包括上述的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，及控制单元；所述控制单元分为驱动谐振敏感芯片振动的驱动单元，和检测谐振敏感芯片振动参数的检测单元。应用本发明的技术方案，可提高基于弱耦合谐振原理以检测加速度的灵敏度；在工作中，可控制谐振敏感芯片的耦合强度，方便根据实际需求调节灵敏度参数，同时提高温度适应性。

Description

一种非对称梁谐振式微机械加速度传感器、加速度测量方法
技术领域
本发明涉及微机械传感器技术领域，特别是涉及一种非对称梁谐振式微机械加速度传感器、加速度测量方法。
背景技术
谐振式微机械加速度传感器具有高灵敏度、高精度和高稳定性的优点，是微纳加速度传感器的前沿技术之一。
谐振式微加速度传感器的灵敏度和稳定性是该类传感器的重要性能参数指标。现有技术中，谐振式微加速度传感器通常采对称布置的谐振梁以检测差分频率来计算所测的加速度，传感器的灵敏度会受到结构固有频率的限制；此外温度变化容易对谐振频率产生影响，从而导致稳定性下降。为了提升器件灵敏度的同时保证性能稳定性，通常的做法是采用高度对称的弱机械耦合谐振设计。然而这种设计虽然能提升灵敏度，但效果有限，而且增大了结构的复杂度，扩大了工艺误差造成的影响。此外，耦合强度在制造完成后即固定，虽然温度稳定性得到了提升，但依然无法解决温度适应性低的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种非对称梁谐振式微机械加速度传感器、加速度测量方法，以解决现有技术中谐振式微加速度传感器工作中灵敏度受限、温度适应性不高的上述技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种非对称梁谐振式微机械加速度传感器，包括层叠的第一盖板和第二盖板，及键合连接在第一盖板和第二盖板之间的多件谐振敏感芯片；所述谐振敏感芯片的惯性不同，且多件谐振敏感芯片之间为层叠键合关系；所述第一盖板和第二盖板与对应的谐振敏感芯片之间均形成检测电容，相邻两件谐振敏感芯片之间形成静电弱耦合电容。
根据本发明的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，所述谐振敏感芯片设有两件，分为长梁谐振敏感芯片和短梁谐振敏感芯片；所述长梁谐振敏感芯片包括第一框架和连接在第一框架内的长谐振梁；所述长谐振梁的中间位置设有第一质量块；所述短梁谐振敏感芯片包括第二框架和连接在第二框架内的短谐振梁；所述短谐振梁的中间位置设有第二质量块。
根据本发明的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，所述长谐振梁、短谐振梁平行设置，且长谐振梁与第一质量块，短谐振梁与第二质量块均形成为振动机构。
根据本发明的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，所述第一盖板与长梁谐振敏感芯片通过第一键合层连接，长梁谐振敏感芯片与短梁谐振敏感芯片通过第二键合层连接，短梁谐振敏感芯片与第二盖板通过第三键合层连接。
根据本发明的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，所述第一键合层、第二键合层、第三键合层的厚度为2μm-5μm；所述长谐振梁、短谐振梁的厚度为5μm-10μm，且短谐振梁与长谐振梁的长度比为0.9-1；所述第一质量块与第二质量块之间的耦合电压为0-10V。
根据本发明的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，所述第一盖板对应长梁谐振敏感芯片设置，第二盖板对应短梁谐振敏感芯片设置，且第一盖板和第二盖板的内表面覆盖绝缘氧化层，绝缘氧化层表面镀有检测电极；所述检测电极与第一质量块相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为所述检测电容，作为长谐振梁检测电容；所述检测电极与第二质量块相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为所述检测电容，作为短谐振梁检测电容。
根据本发明的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，所述第二盖板的绝缘氧化层表面镀有驱动电极；且所述驱动电极与第二质量块相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为驱动电容。
根据本发明的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，所述第一质量块与第二质量块相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为所述静电弱耦合电容。
本发明的另一个方面，提供了一种电子装置，包括上述任意一项公开的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，及控制单元；所述控制单元分为驱动谐振敏感芯片振动的驱动单元，和检测谐振敏感芯片振动参数的检测单元。
本发明的再一个方面，提供了一种加速度测量方法，驱动惯性不同的多件谐振敏感芯片中的一件谐振敏感芯片产生振动；检测谐振状态各谐振敏感芯片的频率和振幅，计算出频率差值和振幅比值以确定待测量的加速度值。
本发明的有益效果：
应用本发明的技术方案，设置多件惯性不同的谐振敏感芯片，可提高基于弱耦合谐振原理以检测加速度的灵敏度；通过调节谐振敏感芯片的惯性(例如质量、长度等)，可进一步调节灵敏度，以适应实际需求。另外，非对称梁谐振式微机械加速度传感器在工作中，可控制谐振敏感芯片的耦合强度，方便根据实际需求调节灵敏度参数，同时提高温度适应性。
附图说明
图1是本发明的非对称梁谐振式微机械加速度传感器优选实施例的结构分解示意图；
图2是图1的非对称梁谐振式微机械加速度传感器的剖视示意图；
图3是长梁谐振敏感芯片的俯视图；
图4是短梁谐振敏感芯片的俯视图；
图5是第二盖板的俯视图；
图6是第一盖板的仰视图；
附图标记：
1-第一盖板，2-长梁谐振敏感芯片，3-短梁谐振敏感芯片，4-第二盖板，5-长梁谐振检测电极，6-长谐振梁检测电容，7-第一键合层，8-静电弱耦合电容，9-第二键合层，10-短谐振梁检测电容，11-第三键合层，12-驱动电极，13-短梁谐振检测电极，14-第一框架，15-长谐振梁，16-第一质量块，17-第二框架，18-短谐振梁，19-第二质量块，20-绝缘氧化层。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
请参阅图1-图6，本发明提供了一种非对称梁谐振式微机械加速度传感器，包括层叠的第一盖板1和第二盖板4，及键合连接在第一盖板1和第二盖板4之间的多件谐振敏感芯片；所述谐振敏感芯片的惯性不同，且多件谐振敏感芯片之间为层叠键合关系；所述第一盖板1和第二盖板4与对应的谐振敏感芯片之间均形成检测电容，相邻两件谐振敏感芯片之间形成静电弱耦合电容8。
所述谐振敏感芯片设有两件，分为长梁谐振敏感芯片2和短梁谐振敏感芯片3；所述长梁谐振敏感芯片2包括第一框架14和连接在第一框架14内的长谐振梁15；所述长谐振梁15的中间位置设有第一质量块16；所述短梁谐振敏感芯片3包括第二框架17和连接在第二框架17内的短谐振梁18；所述短谐振梁18的中间位置设有第二质量块19。
所述第一盖板1、第二盖板4，及谐振敏感芯片选用单晶硅材料制成，厚度均为400μm。谐振敏感芯片的厚度指长梁谐振敏感芯片2的第一框架14、短梁谐振敏感芯片3的第二框架17的厚度。
所述长谐振梁15、短谐振梁18平行设置，且长谐振梁15与第一质量块16，短谐振梁18与第二质量块19均形成为振动机构。该振动机构也可称之为长梁谐振敏感芯片2、短梁谐振敏感芯片3的可动部分。
第一盖板1、长梁谐振敏感芯片2、短梁谐振敏感芯片3、第二盖板4自上而下，依次通过热压键合的工艺方式紧密叠加在一起，形成多层结构。各层结构之间有2μm的等间距间隙。所述第一盖板1与长梁谐振敏感芯片2通过第一键合层7连接，长梁谐振敏感芯片2与短梁谐振敏感芯片3通过第二键合层9连接，短梁谐振敏感芯片3与第二盖板4通过第三键合层11连接。
所述第一键合层7、第二键合层9、第三键合层11的厚度为2μm-5μm；所述长谐振梁15、短谐振梁18的厚度为5μm-10μm，且短谐振梁18与长谐振梁15的长度比为0.9-1；所述第一质量块16与第二质量块19之间的耦合电压为0-10V；第一质量块16与第二质量块19的厚度可为300μm-400μm。
所述第一盖板1对应长梁谐振敏感芯片2设置，第二盖板4对应短梁谐振敏感芯片3设置，且第一盖板1和第二盖板4的内表面覆盖绝缘氧化层20(绝缘氧化层20可为氧化硅绝缘层)，绝缘氧化层20表面镀有检测电极；所述检测电极与第一质量块16相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为所述检测电容，作为长谐振梁检测电容6；所述检测电极与第二质量块19相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为所述检测电容，作为短谐振梁检测电容10。
上述中，绝缘氧化层20的厚度约为0.5μm。检测电极分为长梁谐振检测电极5和短梁谐振检测电极13，而长梁谐振检测电极5、短梁谐振检测电极13、驱动电极12是厚度约为0.5μm的金属结构，且短梁谐振检测电极13与驱动电极12相互绝缘。
所述第二盖板4的绝缘氧化层20表面镀有驱动电极12；且所述驱动电极12与第二质量块19相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为驱动电容。
所述第一质量块16与第二质量块19相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为所述静电弱耦合电容8。
其中，如图2，长谐振梁检测电容6的间隙宽度由第一键合层7与长梁谐振检测电极5的厚度决定，静电弱耦合电容8的间隙宽度由第二键合层9的厚度决定，短谐振梁检测电容10的间隙宽度由第三键合层11、驱动电极12和短梁谐振检测电极13的厚度决定。上述中，第一键合层7、第二键合层9和第三键合层11的厚度相等，厚度值为2.5μm。第一框架14、第二框架17，长谐振梁15、短谐振梁18，第一质量块16、第二质量块19均通过湿法腐蚀工艺加工而成。图3是长梁谐振敏感芯片2的俯视图；长谐振梁15的厚度为5μm，第一质量块16的厚度为400μm，第一质量块16在长谐振梁15的正中间，整体结构呈左右对称分布。图4是短梁谐振敏感芯片3的俯视图；短谐振梁18的厚度为5μm，第二质量块19的厚度为400μm，第二质量块19在短谐振梁18的正中间，整体结构呈左右对称分布。短梁谐振敏感芯片3与长梁谐振敏感芯片2的整体结构相似，区别在于其谐振梁更短；从而使得上下层叠结构的长梁谐振敏感芯片2和短梁谐振敏感芯片3形成非对称梁设计。第一质量块16与第二质量块19之间构成静电耦合效应。图5为第二盖板4的俯视图，图6为第一盖板1的顶视图，第一盖板1和第二盖板4通过对单晶硅先进行热氧化工艺制作绝缘层，然后通过光刻和镀膜制作金属电极而加工成型。
当传感器工作时，在驱动电极12施加激励电信号，由静电力驱动短梁谐振敏感芯片3的第二质量块19产生振动，同时带动短谐振梁18产生振动；短梁谐振敏感芯片3的第二质量块19振动通过静电耦合效应驱动长梁谐振敏感芯片2的第一质量块16产生振动，同时带动长谐振梁15振动。长梁谐振敏感芯片2与短梁谐振敏感芯片3的质量块、谐振梁均谐振时，通过长梁谐振检测电极5和短梁谐振检测电极13分别检测长谐振梁检测电容6与短谐振梁检测电容10。当外部产生垂直于质量块表面方向的加速度时，第一质量块16与第二质量块19产生惯性力分别改变长谐振梁15与短谐振梁18的刚度，从而产生不同的频率和振幅偏移，通过检测频率差值和振幅比值来计算待测量的加速度值。
与现有技术相比，本发明通过设计长度比合理的长谐振梁15与短谐振梁18作为谐振敏感结构(即振动机构、可动部分)，二者之间采用静电耦合，利用模式局域化原理针对两非对称梁的振幅比进行检测，可大幅提升加速度的测量灵敏度，同时由于静电耦合的可调节能力，能够使微加速度计具有较高的温度适应性和稳定性。进一步，所带来的有益技术效果表现在：
1、本发明采用的非对称的两谐振梁设计，可以进一步提高基于弱耦合谐振原理检测加速度的灵敏度。通过光刻版图的设计改变两谐振梁的长度比可以调节灵敏度，以适应实际需求。
2、本发明采用质量块之间的静电力实现两谐振梁的耦合，可在加速度传感器工作时通过调节两质量块间的电压自由控制梁谐振的耦合强度，方便根据实际需求调节灵敏度参数，同时提高温度适应性。
3、本发明采用的双质量块设计，一方面可通过制造工艺控制两个质量块的质量比，以调节惯性力的敏感程度，从而调节灵敏度；另一方面，使用质量块作为功能电极，可降低整体结构的复杂度，有利于提高加速度传感器的稳定性。
实施例二
请参阅图1-图6，本发明提供了一种电子装置，包括如实施例一公开的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，及控制单元；所述控制单元分为驱动谐振敏感芯片振动的驱动单元，和检测谐振敏感芯片振动参数的检测单元。
进一步的，由第二盖板4内表面的驱动电极12输入驱动电信号，利用驱动电容两极板的静电力使短梁谐振敏感芯片3的第二质量块19及短谐振梁18产生振动；短梁谐振敏感芯片3的第二质量块19的振动又通过耦合电容两极板间的静电力使长梁谐振敏感芯片2的第一质量块16及长谐振梁15产生振动。当长谐振梁15与短谐振梁18都产生谐振后，分别由长谐振梁检测电容6、短谐振梁检测电容10对谐振频率和振幅进行检测。当垂直于电容面的方向受到外界加速度作用时，两个质量块(指第一质量块16和第二质量块19)分别对长谐振梁15和短谐振梁18产生了不同大小的惯性力，分别改变长谐振梁15和短谐振梁18的振动刚度，从而导致长谐振梁检测电容6、短谐振梁检测电容10的频率和幅值产生差异，通过外围电路检测长谐振梁检测电容6、短谐振梁检测电容10的频率差和幅值比来计算待测的加速度。
实施例三
本发明提供了一种加速度测量方法，可应用于上述实施例一中的非对称梁谐振式微机械加速度传感器及实施例二中的电子装置。该方法为：驱动惯性不同的多件谐振敏感芯片中的一件谐振敏感芯片产生振动；检测谐振状态各谐振敏感芯片的频率和振幅，计算出频率差值和振幅比值以确定待测量的加速度值。该加速度测量方法的具体应用，参见实施例一末尾部分的内容。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种非对称梁谐振式微机械加速度传感器，其特征在于，包括层叠的第一盖板和第二盖板，及键合连接在第一盖板和第二盖板之间的多件谐振敏感芯片；所述谐振敏感芯片的惯性不同，且多件谐振敏感芯片之间为层叠键合关系；所述第一盖板和第二盖板与对应的谐振敏感芯片之间均形成检测电容，相邻两件谐振敏感芯片之间形成静电弱耦合电容。
2.根据权利要求1所述的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，其特征在于，所述谐振敏感芯片设有两件，分为长梁谐振敏感芯片和短梁谐振敏感芯片；所述长梁谐振敏感芯片包括第一框架和连接在第一框架内的长谐振梁；所述长谐振梁的中间位置设有第一质量块；所述短梁谐振敏感芯片包括第二框架和连接在第二框架内的短谐振梁；所述短谐振梁的中间位置设有第二质量块。
3.根据权利要求2所述的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，其特征在于，所述长谐振梁、短谐振梁平行设置，且长谐振梁与第一质量块，短谐振梁与第二质量块均形成为振动机构。
4.根据权利要求2或3所述的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，其特征在于，所述第一盖板与长梁谐振敏感芯片通过第一键合层连接，长梁谐振敏感芯片与短梁谐振敏感芯片通过第二键合层连接，短梁谐振敏感芯片与第二盖板通过第三键合层连接。
5.根据权利要求4所述的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，其特征在于，所述第一键合层、第二键合层、第三键合层的厚度为2μm-5μm；所述长谐振梁、短谐振梁的厚度为5μm-10μm，且短谐振梁与长谐振梁的长度比为0.9-1；所述第一质量块与第二质量块之间的耦合电压为0-10V。
6.根据权利要求2所述的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，其特征在于，所述第一盖板对应长梁谐振敏感芯片设置，第二盖板对应短梁谐振敏感芯片设置，且第一盖板和第二盖板的内表面覆盖绝缘氧化层，绝缘氧化层表面镀有检测电极；所述检测电极与第一质量块相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为所述检测电容，作为长谐振梁检测电容；所述检测电极与第二质量块相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为所述检测电容，作为短谐振梁检测电容。
7.根据权利要求6所述的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，其特征在于，所述第二盖板的绝缘氧化层表面镀有驱动电极；且所述驱动电极与第二质量块相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为驱动电容。
8.根据权利要求2、3、5、6、7中任意一项所述的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，其特征在于，所述第一质量块与第二质量块相对应的面积之间形成以空气为电介质的电容面，成形为所述静电弱耦合电容。
9.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求1-8中任意一项所述的非对称梁谐振式微机械加速度传感器，及控制单元；所述控制单元分为驱动谐振敏感芯片振动的驱动单元，和检测谐振敏感芯片振动参数的检测单元。
10.一种加速度测量方法，其特征在于，驱动惯性不同的多件谐振敏感芯片中的一件谐振敏感芯片产生振动；检测谐振状态各谐振敏感芯片的频率和振幅，计算出频率差值和振幅比值以确定待测量的加速度值。
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