CN113933538A - 一种压阻式高g值加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种压阻式高g值加速度计,包括上层敏感结构，上层敏感结构包括加速度计框架、质量块及质量块外围支撑框架；在质量块外围支撑框架内设置四个质量块，在四个质量块之间形成正交于中心轴的十字间隙；每两个相邻的质量块之间的间隙上设置连接两质量块的敏感梁，每个敏感梁上设置有构成惠斯通电桥的电路压敏电阻，所述敏感梁的厚度远小于质量块的厚度。本发明的有益效果是：由于相邻的两个质量块之间的间隙，使质量系统的整体质心的上移，从而抑制横向效应。压敏电阻位于敏感梁上，由于整个结构的应力主要集中于敏感梁，有利于提高结构灵敏度。本发明对于解决高g值加速度计存在的灵敏度低的问题、减小横向效应具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)技术领域，具体涉及一种压阻式高g值加速度计。
背景技术
高g值加速度计是一类具有大量程、高抗冲击性的力学量传感器，具有体积小、重量轻、成本低等特点，主要应用于军事、航空、汽车、医疗等领域。常见的高g值加速度计主要有压电式、电容式、压阻式等，其中，压阻式高g值加速度计与其他加速度计相比具有灵敏度高、高固有频率、可靠性高等优点。
美国Endevco公司研制了7270型高g压阻式加速度计，加速度计中的铰链结构可以减小横向效应、增加固有频率，具有固有频率高、灵敏度高等优点其中7270A-200K的量程可以达到200,000g。加拿大Alberta大学微电子研究中心研制的一种硅压阻式高g加速度计，量程可以达到100,000g，敏感结构采用悬臂梁结构，电路输出灵敏度为0.75μV/g，固有频率大于100kHz。此外，德国、瑞士等国家也均开展了相关研究。
国内对于高g值加速度计的研究不断进步，设计了多种不同结构的高g加速度计，同时，军事武器、惯性导航等技术的进步对高g值加速度计的性能提出了更高的要求。传统的压阻式高g值加速度计主要由质量块以及四周支撑梁组成，将压敏电阻设计于支撑梁上，这些类似结构都存在着固有频率和灵敏度的耦合关系，尽管大多数结构已经对支撑梁和敏感梁分离，减小这种耦合关系，固有频率和灵敏度得到了提升，但是对加速度计整体性能的优化程度依然可以提升，可以在结构设计中同时兼顾量程、灵敏度、固有频率、横向灵敏度的指标优化，因此，对压阻式高g值加速度计的整体性能的提升具有重要的意义，这样才能适用于军事武器、惯性导航等场合的加速度测量。
发明内容
本发明要解决的问题是：提出一种压阻式高g值加速度计结构，以解决现有压阻式高g值加速度计横向效应明显、灵敏度与固有频率存在耦合关系等问题，提高加速度计整体性能，适用于量程20万g以内的高g值测量。
为实现上述目的，本发明提出的技术方案为：一种压阻式高g值加速度计，包括上层敏感结构；其特征在于：上层敏感结构包括加速度计框、质量块及质量块外围支撑框架，所述质量块外围支撑框架通过支撑梁定位在加速度计框架内且与加速度计框架同中心轴；在质量块外围支撑框架内设置四个等质量且等几何尺寸的质量块，在四个质量块之间形成正交于中心轴的十字间隙；每两个相邻的质量块之间的间隙上设置连接两质量块的敏感梁，每个敏感梁上设置有压敏电阻，所述敏感梁的厚度远小于质量块的厚度。
进一步的，所述上层敏感结构的底部设置有下层底板。
在本发明的压阻式高g值加速度计结构中，由于四个质量块完全相同，有利于减小由于四个质量块不对称产生的扭转，避免高冲击损坏。
进一步的，在本发明的压阻式高g值加速度计结构中，四个位置靠近中心轴的质量块之间形成正交于中心轴的间隙分别作为敏感梁的位置，特别是敏感梁靠近十字间隙中心轴位置时，即为十字间隙的形变最大处；质量块之间的间隙有利于提升质量系统的质心，使质心更接近于支撑梁的中性面，避免产生较大的横向效应，对于减小横向串扰具有重要作用。
更进一步的，在本发明的压阻式高g值加速度计结构中，敏感梁厚度远小于质量块的厚度，且靠近中心轴，其上的压敏电阻构成惠斯通电桥电路，当结构受到Z方向的加速度时，四个质量块产生的位移使得较薄的敏感梁产生变形，整个结构的应力主要集中于敏感梁，有利于提高结构灵敏度。同时，支撑梁确保加速度计框与质量块外围支撑框同中心轴且使得整个加速度计结构在XOY面内呈中心对称分布时，更有利于减小加速度计结构的横向串扰。
本发明的有益效果是：本发明采用质量块外围支撑框架固定四个质量块，由其分离敏感梁与支撑梁。其中，质量块的厚度大于质量块外围支撑框架的厚度，且质量块的厚度远大于敏感梁的厚度，因此提高加速度计结构的灵敏度、降低横向效应。压敏电阻放置在敏感梁的最大位移处，当质量块在惯性作用下产生位移，导致敏感梁发生形变，加速度计敏感梁上的压敏电阻将形变产生的应力转化为电阻率的变化，由惠斯通电桥电路输出对应的电压量，通过对于支撑梁分布情况的确定以及对于支撑梁、质量块外围支撑框架、质量块、敏感梁的位置、厚度的确定，可以使本发明具有灵敏度高、横向效应低、固有频率高、高量程等优点。
附图说明
图1为本发明的一个非限定性实施例的立体图；
图2为图1所示实施例的俯视图；
图3为本图1所示实施例的局部剖视图；
图4～9分别为本发明另外六个非限定性实施例的俯视图；
图10为图1所示实施例中压敏电阻具体分布示意图；
图11为图10中压敏电阻构成的惠斯通电桥电路的原理图；
图12为图9实施例中压敏电阻构成的惠斯通电桥电路的原理图；
图13为未设计敏感梁时，十字间隙边缘的形变分布图；
图14为敏感梁的应力差与其所在位置的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参见附图，图中的压阻式高g值加速度计包括上层敏感结构，上层敏感结构包括加速度计框架1、质量块4及质量块外围支撑框架3，所述质量块外围支撑框架3通过支撑梁2定位在加速度计框架1内且与加速度计框架1同中心轴；在质量块外围支撑框架3内设置四个等质量且等几何尺寸的质量块4，在四个质量块之间形成正交于中心轴的十字间隙；每两个相邻的质量块之间的间隙上设置连接两质量块的敏感梁5，敏感梁5靠近十字间隙中心位置，即十字间隙的形变最大处，每个敏感梁5上分别设置有压敏电阻6，所述敏感梁5的厚度远小于质量块4的厚度。
优选地，敏感梁厚度小于质量块厚度的1/20。进一步地，所述敏感梁5的两端与质量块加工为一体。
上层敏感结构中，所述四个质量块4与质量块外围支撑框架3的相邻边加工为一体；质量块外围支撑框架3、支撑梁2及加速度计框架1加工为一体。
进一步的，所述上层敏感结构的底部设置有下层底板8。
参见图1～9，在上层敏感结构中，优选地，所述加速度计框架1、质量块4、质量块外围支撑框架3及敏感梁5的顶面在同一平面上；整个上层敏感结构在XOY面内呈中心对称分布，或者以质量块之间的十字间隙的中心线为对称轴左右、上下对称。
参见附图3，进一步的，上层敏感结构中，所述质量块4的厚度大于质量块外围支撑框架3的厚度。图中可见敏感梁5的厚度远小于其相邻的质量块的厚度，敏感梁的位置靠近中心轴，且与中心轴的水平距离相同。
上层敏感结构中，质量块外围支撑框架3或/和加速度计框架1为正方形框架或圆形框架，所述正方形框架包括内圆外方的结构形式或外圆内方的结构形式。
例如，在附图1～5、9，给出的实施例中，加速度计框架1和质量块外围支撑框架3为正方形框架；图6实施例中加速度计框架1正方形框架，质量块外围支撑框架3为圆形框架；图7实施例中加速度计框架1和质量块外围支撑框架3均为正方形框架，其中加速度计框架1的正方形框架为内圆外方的结构形式；图8实施例中质量块外围支撑框架3为圆形框架或为外圆内方的结构形式。同样，也不排除加速度计框架1为圆形框架的情形。
显然，支撑梁2的作用除了将质量块外围支撑框架3定位在加速度计框架1内，还要确保两框架同中心轴；加速度计框架1为正方形框架时，加速度计框架1的每个边由至少一个与之垂直的支撑梁2与质量块外围支撑框架3连接；或加速度计框架1的正方形框架四个内角通过支撑梁2与质量块外围支撑框架3连接(图5)。支撑梁的结构形式除了定位质量块外围支撑框架，最佳的情况是，还要兼顾上层敏感结构的对称性。
进一步的，上层敏感结构中，设置在每个敏感梁5上的压敏电阻6完全相同，它们通过与导线和金属电极7连接构成惠斯通电桥电路。
参见附图10、11，每两个相邻的质量块之间的间隙上设置一个两端与质量块一体的敏感梁5，敏感梁5靠近十字间隙中心位置，即十字间隙的形变最大处，每个敏感梁5上分别设置一压敏电阻；图中6-1、6-2、6-3和6-4分别为设置在四个敏感梁上的压敏电阻。
参见附图9、12，图9中每两个相邻的质量块之间的间隙上设置两个两端与质量块一体的敏感梁5，敏感梁5靠近十字间隙中心位置，即十字间隙的形变最大处，每个敏感梁5上分别设置有一压敏电阻，图10中6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7和6-8分别为设置在八个敏感梁上的压敏电阻，八个敏感电阻构成双惠斯通电桥电路。
进一步的，在图11和图12所示的惠斯通电桥电路中，金属电极7包括电极V01、V02、Vin及GND。
进一步的，图12所示的惠斯通电桥电路，也适用于每两个相邻的质量块之间的间隙上设置一个两端与质量块一体的敏感梁5，每个敏感梁5上分别设置两个压敏电阻的情况。
当然，所述设置在敏感梁上的压敏电阻也可以是并联的压敏电阻组。
所述敏感梁5所用的材料为硅或碳化硅；所述压敏电阻采用离子注入的方式设置在敏感梁上。
进一步的，上层敏感结构的材料选自硅或者碳化硅；所述上层敏感结构的底部与下层底板8嵌合或粘接。下层底板8所用的材料为玻璃或者硅。
参见图给出的非限定性实施例中，四个质量块4分别位于质量块外围支撑框架3的四个角，每个质量块4与质量块外围支撑框架3的相邻面紧密连接。相邻质量块之间的间隙有利于质量块系统整体质心的上移，从而减小加速度计的横向效应，两个质量块之间的间隙作为四个敏感梁5的位置。
本发明的上述结构，可以通过一个非限定性的加工工艺进一步说明
首先，选择与加速度计框架1尺寸及厚度大致的N型100硅板：
步骤一：对硅板进行清洗，在900℃-1200℃摄氏度下(正反面)进行高温氧化，形成二氧化硅层；
步骤二：压敏电阻沿
晶向，使用P-压敏电阻版，正面光刻并使用反应离子刻蚀(RIE)工艺腐蚀表面二氧化硅层，对压敏电阻区域进行淡硼离子注入，注入浓度为3×1014cm-2，形成P-电阻。
步骤三：使用P+欧姆接触版，正面光刻并腐蚀表面二氧化硅层，并使用反应离子刻蚀(RIE)工艺形成欧姆接触区，进行浓硼离子注入，注入浓度为3×1015cm-2，形成P+电阻，采用快速热处理(RTP)工艺进行硅片退火处理。
步骤四：使用金属引线版，正面光刻出金属引线和电极，使用铝材料溅射金属层。
步骤五：使用背腔版，对硅板进行背面光刻，使用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺腐蚀出支撑梁2、质量块支撑框架3、质量块4和敏感梁5的下底面；
步骤六：使用正面穿通版，对硅板进行正面光刻，通过感应耦合等离子体腐蚀(ICP)工艺释放形成质量块支撑框架3、支撑梁2、质量块4以及敏感梁5；
步骤七：将上层敏感结构与下层玻璃底板在300℃-450℃温度、1000V-1800V电压条件下进行硅-玻璃阳极嵌合。
参见图6，质量块4的厚度大于质量块外围支撑框架3的厚度，便于质量块在惯性作用下产生位移，支撑梁2和质量块4的厚度远大于敏感梁的厚度，有利于保证应力集中在敏感梁，从而转化为电路的输出值，使加速度计更加灵敏地感应到外界输入的加速度。进一步的，图11中的惠斯通电桥电路，当结构不受到加速度的作用时，敏感电阻不会发生应变，此时，四个压敏电阻的阻值相等，惠斯通电桥输出为零。当结构受到Z方向的加速度时，质量块产生位移，使压敏电阻的阻值发生变化，结构的应力集中在敏感梁。惠斯通电路的灵敏度与压敏电阻所受应力的关系为：式中：S表示电桥电路的灵敏度；
Vo1，Vo2表示加速度计输出端电压；
R0表示压敏电阻的初始阻值；
aZ表示加速度输入值；
Vin表示加速度的工作电压；
πl表示P型硅在[110]晶向的纵向压阻系数；
πt表示P型硅在[110]晶向的横向压阻系数；
σl分别表示材料的纵向应力；
σt分别表示材料的横向应力。
因此，由压敏电阻构成的惠斯通电桥电路在加速度计感应到加速度输入时失去平衡，输出一个与加速度输入aZ成正比的输出电压Vo1-Vo2，输出电压与加速度输入的比值为加速度计灵敏度。
另外，根据力学理论，本发明的压阻式加速度计的固有频率可以表示为：
因此，由压敏电阻构成的惠斯通电桥电路在加速度计感应到加速度输入时失去平衡，输出一个与加速度输入aZ成正比的输出电压Vo1-Vo2，输出电压与加速度输入的比值为加速度计灵敏度。
式中，E表示杨氏模量；
ρ表示材料密度；
a1，b1，h1分别表示支撑梁的长、宽、厚；
a2，b2，h2分别表示敏感梁的长、宽、厚；
a3，h4分别表示质量块的边长和厚度；
l1，l2，h3分别表示质量块支撑框架的外边长、内边长和厚。
由于敏感梁的厚度小于质量块厚度的1/20，敏感梁的长度和宽度也远小于质量块边长，因此敏感梁的质量可以忽略不计，则固有频率f仅与其他部分的尺寸有关，则可以通过改变支撑梁的尺寸来调节固有频率的大小，可见发明的压阻式加速度计弱化了固有频率和灵敏度的相互限制。
以硅为例，未设计敏感梁时，十字间隙边缘的形变分布图如图13所示，结果表明：靠近十字间隙中心位置形变最大。图13中a为敏感梁靠近十字间隙中心的位置；b为敏感梁远离中心的位置，由图13可以得到a点，即靠近十字间隙中心的形变最大，并且由灵敏度计算公式可以得到，此时的灵敏度最大。显然最佳效果是四梁等距靠近中心。
以硅为例，此时灵敏度计算公式可以表示为：
式中：σl1分别表示电阻6-1的纵向应力；
σt1分别表示电阻6-1的横向应力；
σl2分别表示电阻6-2的纵向应力；
σt2分别表示电阻6-2的横向应力。
由于十字间隙本身不存在应力，所以使用敏感梁所在位置的应力差值(σl1-σt1)-(σl2-σt2)表征十字间隙不同位置的应力对加速度计灵敏度的影响，敏感梁的应力差与其所在位置的关系如图14所示。在该结构中，考虑金属线布图的情况下，当敏感梁靠近十字间隙中心时加速度计具有最大灵敏度。
本发明的一个非限定性实施例中，压阻式高g值加速度计结构以如下尺寸为例：
支撑梁：长a1，宽b1，厚h1分别为350μm，550μm，100μm；
质量块外围支撑框架：外边长l1，内边长l2，厚h3分别为800μm，600μm，110μm；
质量块：边长a3，厚h4分别为280μm，200μm；
敏感梁：长a2，宽b2，厚h2分别为40μm，55μm，10μm；
总之，通过对于加速度计结构中的支撑梁分布情况的确定以及对于支撑梁、质量块外围支撑框架、质量块、敏感梁的位置、厚度的确定，可以使本发明具有较高灵敏度和较低横向串扰，同时使压阻式高g值加速度计能够具有更好的固有频率。
本实例能够达到的主要技术指标如下：
1、量程0～200000g
2、灵敏度＞0.5μV/g/5V
3、固有频率＞350kHz
4、横向灵敏度＜0.5％
综上所述，本发明提出一种压阻式高g值加速度计结构，具有高灵敏度、横向串扰低、固有频率高、高量程等优点，可应用于航空航天、军事等领域。
Claims (10)
1.一种压阻式高g值加速度计，包括上层敏感结构；其特征在于：上层敏感结构包括加速度计框架(1)、质量块(4)及质量块外围支撑框架(3)，所述质量块外围支撑框架(3)通过支撑梁(2)定位在加速度计框架(1)内且与加速度计框架(1)同中心轴；在质量块外围支撑框架(3)内设置四个等质量且等几何形状的质量块(4)，在四个质量块之间形成正交于中心轴的十字间隙；每两个相邻的质量块之间的间隙上设置连接两质量块的敏感梁(5)，每个敏感梁(5)上设置有压敏电阻(6)，所述敏感梁(5)的厚度远小于质量块(4)的厚度。
2.根据权利要求1所述的压阻式高g值加速度计，其特征在于：所述上层敏感结构的底部设置有下层底板(8)。
3.根据权利要求1所述的压阻式高g值加速度计，其特征在于：上层敏感结构中，所述加速度计框架(1)、质量块(4)、质量块外围支撑框架(3)及敏感梁(5)的顶面在同一平面上；整个上层敏感结构在XOY面内呈中心对称分布或者以十字间隙的中心线为对称轴左右、上下对称。
4.根据权利要求1所述的压阻式高g值加速度计，其特征在于：上层敏感结构中，所述质量块(4)的厚度大于质量块外围支撑框架(3)的厚度。
5.根据权利要求1所述的压阻式高g值加速度计，其特征在于：上层敏感结构中，所述四个质量块(4)与质量块外围支撑框架(3)的相邻边加工为一体；质量块外围支撑框架(3)、支撑梁(2)及加速度计框架(1)加工为一体。
6.根据权利要求1所述的压阻式高g值加速度计，其特征在于：上层敏感结构中，质量块外围支撑框架(3)或/和加速度计框架(1)为正方形框架或圆形框架。
7.根据权利要求1所述的压阻式高g值加速度计，其特征在于：上层敏感结构中，每两个相邻的质量块之间的间隙上设置一个连接两质量块的敏感梁(5)；或者每两个相邻的质量块之间的间隙上设置两个连接两质量块敏感梁(5)；敏感梁(5)靠近十字间隙中心位置，每个敏感梁(5)上分别设置一压敏电阻；所述压敏电阻也可以是压敏电阻组。
8.根据权利要求1或7所述的压阻式高g值加速度计，其特征在于：上层敏感结构中，设置在每个敏感梁(5)上的压敏电阻(6)或压敏电阻组完全相同，它们通过导线和金属电极(7)连接构成惠斯通电桥电路。
9.根据权利要求1～7之一所述的压阻式高g值加速度计，其特征在于：上层敏感结构的材料选自硅或者碳化硅。
10.根据权利要求1或2所述的压阻式高g值加速度计，其特征在于所述上层敏感结构的底部与下层底板(8)嵌合或粘接。
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