CN117572021B - 敏感结构及加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于加速度传感器技术领域。本发明提供一种敏感结构及加速度传感器。敏感结构包括边框，边框形成有第一容置空间；外隔离岛，外隔离岛设置于第一容置空间中且固定于边框，外隔离岛形成有第二容置空间；内隔离岛，内隔离岛设置于第二容置空间且连接至外隔离岛；悬臂梁，悬臂梁具有两端，悬臂梁设置于第二容置空间且一端连接至内隔离岛；质量块，质量块连接至悬臂梁的另一端；其中，质量块被构造成在加速度作用下对悬臂梁产生作用力。加速度传感器包括前述的敏感结构。通过设置内、外隔离岛，形成双重隔离结构，可有效消除封装应力、温度应力等外围干扰应力对敏感部分的影响，可提高加速度测量精度和检测可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及加速度传感器。
背景技术
基于微纳加工技术的压阻式加速度传感器在汽车碰撞、爆炸冲击测试等领域具有广泛应用。压阻式加速度传感器包括边框、质量块、悬臂梁和应变电阻（电阻式应变片），悬臂梁的一端固定至边框，悬臂梁的另一端固定至质量块。悬臂梁上设有应变电阻，质量块受加速度作用使悬臂梁产生形变，从而引起悬臂梁上的应变电阻的电阻值变化。在现有技术中，封装应力、温度应力、冲击应力等干扰应力易传递到其惯性敏感部分的支撑梁（尤其是支撑梁的根部）和压阻元件位置，形成测量干扰应力，导致该类产品存在温漂严重、易冲击断裂等工程可靠性问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种敏感结构及包含敏感结构的加速度传感器。
本公开的第一方面提供一种用于加速度传感器的敏感结构，敏感结构包括：
边框，边框形成有第一容置空间；
外隔离岛，外隔离岛设置于第一容置空间中且固定于边框，外隔离岛形成有第二容置空间；
内隔离岛，内隔离岛设置于第二容置空间且连接至外隔离岛；
悬臂梁，悬臂梁具有两端，悬臂梁设置于第二容置空间且一端连接至内隔离岛；
质量块，质量块连接至悬臂梁的另一端；
其中，质量块被构造成在加速度作用下对悬臂梁产生作用力。
进一步地，内隔离岛与外隔离岛的连接处或内隔离岛内设有应力释放孔。优选地，应力释放孔与悬臂梁对齐。
进一步地，敏感结构包括连接梁，外隔离岛通过连接梁固定至边框；连接梁的延伸方向与悬臂梁的延伸方向垂直，连接梁与内隔离岛错开布置。
优选地，连接梁的刚度大于悬臂梁的刚度。
进一步地，敏感结构包括应变电阻，应变电阻设置于悬臂梁的水平面且靠近内隔离岛的一端。优选地，敏感结构包括两个并行设置的内隔离岛和悬臂梁，两个悬臂梁上分别设有质量块，两个悬臂梁上分别设有两个应变电阻。
进一步地，边框设有四个电连接部，四个应变电阻与四个电连接部连接成为惠斯通全桥电路。
本公开的第二方面提供一种加速度传感器，包括第一方面的敏感结构。
进一步地，该加速度传感器还包括上盖板和底板，其中，敏感结构设置于上盖板和底板之间；质量块的敏感方向与敏感结构的上、下表面平行。
本发明的敏感结构及包含该敏感结构的加速度传感器，具备以下几点明显的特点和优点：
1、边框与外隔离岛之间具有第一间隙，因此，作用到边框的干扰应力可被第一间隙有效隔离，可有效降低干扰应力干扰外隔离岛及连接至外隔离岛的部件；
2、外隔离岛与内隔离岛之间具有第二间隙，可有效阻止传递至外隔离岛上的干扰应力传递到悬臂梁上，可进一步减少干扰应力对悬臂梁和质量块检测加速度时的影响；
3、内隔离岛与外隔离岛的连接处或在内隔离岛内设置应力释放孔，可更进一步地隔离传递至外隔离岛上的干扰应力传递到悬臂梁上，可更进一步减少对悬臂梁和质量块检测加速度时的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明的加速度传感器的立体示意图；
图2示出了图1所示的敏感结构的立体示意图；
图3示出了敏感结构的俯视示意图；
图4示出了敏感结构的质量块受加速度作用的示意图；
图5示出了本实施例的惠斯通全电桥的电连接示意图。
附图标记说明：
100-加速度传感器，10-上盖板，30-底板；
20- 敏感结构，21-边框，22-外隔离岛，23-连接梁，24-内隔离岛，25-悬臂梁，26-质量块，27-应力释放孔，28-应变电阻，29-电连接部；
41-第一间隙，42-第二间隙，421-第一部分，422-第二部分，212-第一容置空间，222-第二容置空间。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开一种加速度传感器100，其至少包括敏感结构20，该敏感结构20具有悬臂梁和质量块，质量块受加速度作用使悬臂梁产生形变。敏感结构20上设有内隔离岛和外隔离岛，通过设置内、外隔离岛，形成双重隔离结构，可有效消除封装应力、温度应力等外围干扰应力对敏感部分的影响，可以获得很好的温度稳定性和加速度测量精度，从而提高加速度传感器100的检测可靠性。其中，敏感部分是指悬臂梁和质量块。
参见图1，在一些实施例中，加速度传感器100包括上盖板10、敏感结构20和底板30，其中，敏感结构20位于上盖板10和底板30之间，三者键合连接。上盖板10和底板30用于支撑和密封敏感结构20，两者的中心区域可设置凹槽，从而为敏感结构20的质量块提供运动空间。上盖板10和底板30的材料可以是玻璃或者硅，敏感结构20的材料为硅。下面具体介绍敏感结构20。
参见图2，敏感结构20包括边框21、外隔离岛22、内隔离岛24、悬臂梁25和质量块26。边框21形成有第一容置空间212，外隔离岛22设置于第一容置空间212中且连接至边框21。外隔离岛22形成有第二容置空间222，内隔离岛24设置于第二容置空间222且连接至外隔离岛22。其中，第二容置空间222包括两部分空间，第一部分空间用于容纳悬臂梁25和质量块26，第二部分空间用于容纳内隔离岛24。悬臂梁25和质量块26设置于第二容置空间222，悬臂梁25具有两端，悬臂梁25的一端连接至内隔离岛24，悬臂梁25的另一端连接至质量块26。其中，质量块26被构造成在加速度作用下对悬臂梁25产生作用力，当该作用力达到阈值时可使悬臂梁25变形。
具体地，敏感结构20被构造成平板状，外隔离岛22设置于边框21形成的第一容置空间212，即边框21环绕外隔离岛22。边框21与外隔离岛22之间具有第一间隙41。第一间隙41可有效隔离作用到边框21的干扰应力传递至外隔离岛22或外隔离岛22的内侧部件（悬臂梁25、质量块26和内隔离岛24）。作用到边框21的干扰应力包括封装应力、温度应力、冲击应力等。边框21可以被构造成圆环状或方环形等规则或不规则环状。外隔离岛22可被构造成任意适宜被容纳于第一容置空间212的形状。在一些实施例中，参见图2，边框21被构造成方环形，第一容置空间212为方形，外隔离岛22的外部轮廓为方形。需要说明的是，方形是指长方形或正方形。
参见图2，敏感结构20还包括连接梁23，外隔离岛22通过连接梁23连接至边框21。具体地，连接梁23可被构造成方形。其中，连接梁23的宽度越大，其刚度越大；连接梁23的长度越长，其刚度越小。可根据不同的应用场景，设计连接梁23的对应参数。
具体地，外隔离岛22具有第二容置空间222，第二容置空间222可用于容纳悬臂梁25、质量块26和内隔离岛24，外隔离岛22环绕悬臂梁25、质量块26和内隔离岛24，并与后三者之间具有第二间隙42。第二间隙42包括第一部分421和第二部分422。第二间隙42的第一部分421环绕悬臂梁25和质量块26，为质量块26的移动和悬臂梁25的变形提供空间。第二间隙42的第二部分422从内隔离岛24与悬臂梁25的连接处，沿内隔离岛24的侧壁延伸至内隔离岛24与外隔离岛22的连接处。第二间隙42的第二部分422可有效阻止通过连接梁23传递到外隔离岛22上的少量干扰应力传递到悬臂梁25上，可进一步减小外部干扰应力对悬臂梁25和质量块26检测加速度时的影响，使得敏感结构20具有更好的温度稳定性和加速度测量精度。另外，第二间隙42的第二部分422还可缓解外部应力或作用力冲击悬臂梁25的根部，防止悬臂梁25的根部断裂，提高悬臂梁25的抗冲击能力，提高产品可靠性。
继续参见图2，在一些实施例中，内隔离岛24被构造成方形，内隔离岛24的一侧连接至外隔离岛22，内隔离岛24的相对侧连接至悬臂梁25的一端。质量块26可被构造成圆形、椭圆形、方形等规则或不规则形状。在一些实施例中，参见图2，质量块26被构造成长方形，长方形的短边一侧连接至悬臂梁25的另一端。悬臂梁25的形状不受限制，只要质量块26受加速度作用时，可使悬臂梁25产生形变即可。例如，悬臂梁25被构造成悬臂直梁，悬臂梁25的悬伸端连接至质量块26。优选地，悬臂梁25、质量块26和内隔离岛24三者的中轴线对齐。
悬臂梁25的表面设有应变电阻28，质量块26受加速度作用使悬臂梁25产生形变，从而引起应变电阻28的电阻值变化。可通过检测电阻值，计算出加速度值。加速度传感器100的检测方向可以是平行于加速度传感器100的高度方向（即质量块26做面外运动），也可以是平行于加速度传感器100水平面的任意方向（即质量块做面内运动）。其中，加速度传感器100的检测方向即质量块26和悬臂梁25的敏感方向。优选地，在一些实施例中，加速度传感器100的检测方向为平行于加速度传感器100水平面的任意方向，即质量块26的敏感方向与敏感结构20的上、下表面平行，该结构有利于提高抗横向耦合敏感和抗冲击能力。
具体地，在一些实施例中，参见图3，质量块26和悬臂梁25的敏感方向为平行于加速度传感器100的水平面的水平方向。优选地，该水平方向与悬臂梁25、质量块26的中轴线垂直，悬臂梁25的延伸方向为竖直方向。高度方向、水平方向、竖直方向三者中两两垂直。
在一些实施例中，应变电阻28设置于与敏感方向平行的悬臂梁的表面。例如，在图2、图3中，敏感方向为水平方向，应变电阻28设置于悬臂梁25的水平面，即可设置于悬臂梁25的上表面或下表面。优选地，应变电阻28设置于悬臂梁25的水平面且靠近内隔离岛24与悬臂梁25的连接处，即应变电阻28设置于悬臂梁25上靠近内隔离岛24的一端。因为质量块26受加速度作用时，该处形变大，有利于提高检测的灵敏性。可选地，在一些实施例中，在悬臂梁25的上表面、下表面分别设置两个与悬臂梁25延伸方向平行的应变电阻28。一个悬臂梁25上共设置4个应变电阻28，这4个应变电阻28可构造成惠斯通电桥，便于测量电阻值。
优选地，在一些实施例中，参见图2，连接梁23的延伸方向与质量块26和悬臂梁25的敏感方向一致。当敏感方向为水平方向，悬臂梁25的延伸方向为竖直方向时，连接梁23的延伸方向与悬臂梁25的延伸方向垂直。该布置方式既能为外隔离岛22提供稳定支撑，防止外隔离岛22在敏感方向上发生变形，提高抗冲击能力，又能抗横向耦合敏感。具体地，两个沿水平方向延伸的连接梁23分别设置于外隔离岛22的两侧。连接梁23的刚度大于悬臂梁25的刚度。可选地，连接梁23的宽度大于悬臂梁25的宽度，连接梁23的长度小于悬臂梁25的长度，或者连接梁23的厚度大于悬臂梁25的厚度。在一些实施例中，通过设置连接梁23和悬臂梁25的宽度和长度，使得连接梁23的刚度远大于悬臂梁25的刚度，从而保证外隔离岛22在敏感方向上不会发生变形。
在优选的实施例中，参见图2，连接梁23的延伸方向与悬臂梁25的延伸方向垂直，并且连接梁23与内隔离岛24错开布置，使得内隔离岛24不布置在连接梁23的延伸方向正对的区域，也即，内隔离岛24布置在第一间隙41包绕的区域内。此时，第二间隙42的第二部分422位于第一间隙41包绕的区域内，也即，在连接梁23的延伸方向上，第二间隙42的第二部分422的投影位于第一间隙41的投影内。在连接梁23的延伸方向上，第一间隙41和第二间隙42的第二部分422对内隔离岛24进行双重隔离，可以更有效地减小边框21上的干扰应力传递至悬臂梁25。
优选地，在一些实施例中，参见图2，内隔离岛24与外隔离岛22之间（即两者的连接处）设置应力释放孔27。在另一些实施例中，在内隔离岛24内设置应力释放孔27。设置应力释放孔27，可进一步隔离外隔离岛22上的应力传递到悬臂梁25上，更进一步地减少外部应力对悬臂梁25和质量块26检测加速度时的影响。并且，设置应力释放孔27还可以释放悬臂梁25根部的应力，避免悬臂梁25断裂。更优选地，应力释放孔27与悬臂梁25对齐，优选地，应力释放孔27的中心与悬臂梁25的中轴线对齐。
优选地，在一些实施例中，参见图2、图3，敏感结构20包括两个并行设置的内隔离岛24和悬臂梁25，每个悬臂梁25上分别设有质量块26。悬臂梁25的上表面分别设有两个与悬臂梁25延伸方向平行的应变电阻28。在一些实施例中，应变电阻28被构造成长条形，应变电阻28沿着悬臂梁25上表面的外侧轮廓布置，从悬臂梁25的根部沿着悬臂梁25的长度方向延伸。
继续参见图2，边框21设有与应变电阻28电连接的电连接部29，电连接部29方便与外部电路连接。在一些实施例中，边框21被构造成正方形的环形。优选地，边框21被构造成偏心的环形，宽的一侧可用于布置电连接部29。具体地，电连接部29为焊盘，边框21设有四个焊盘，分别为焊盘PAD1、PAD2、PAD3、PAD4，四个应变电阻28与四个焊盘连接成为惠斯通全桥电路。在一些实施例中，参见图4，四个焊盘PAD1、PAD2、PAD3、PAD4连接至电阻为R1、R2、R3、R4的应变电阻。其中电阻为R1、R2、R3、R4的应变电阻沿水平方向依次分布。
下面结合图3至图5，详细讲解加速度传感器100的工作原理。当质量块26受到加速度a的作用时，在惯性力作用下，质量块26沿着敏感结构20的水平方向产生面内位移，使得悬臂梁25产生变形。悬臂梁25的根部将产生相应的拉应力和压应力，其大小与加速度成正比。悬臂梁25弯曲变形时，悬臂梁25将产生垂直于横截面的拉应力和压应力，如图3所示的变形中，电阻为R1、R3的应变电阻受到沿应变电阻长度方向的拉应力，电阻为R2、R4的应变电阻受到沿应变电阻长度方向的压应力，两组电阻受力大小相同，方向相反。
如图5所示，将电阻为R1~R4的应变电阻连接成惠斯通全桥电路。其中，向上的箭头代表正应变，又称为拉应变，表示该应变电阻受到的力为拉力；向下的箭头代表负应变，又称为压应变，表示该应变电阻受到的力为压力。根据惠斯通电桥原理，加速度传感器100输出信号与电阻值变化量成正比，从而与待测加速度成正比，实现对加速度的测量。图5示出了本实施例的惠斯通全电桥的电连接示意图。通过Vout = Vin×ΔR / R可计算出ΔR，从而获得加速度值。其中，Vin为输入电压，Vout为输出电压，R为应变电阻的基础电阻值，ΔR为应变电阻的变化电阻值。
本发明公开的敏感结构20具有相互连接的外隔离岛22和内隔离岛24，外隔离岛22固定至边框21，悬臂梁25一端与质量块26连接，悬臂梁25的另一端与内隔离岛24连接。首先，边框21与外隔离岛22之间具有第一间隙41，因此作用到边框21的干扰应力可被第一间隙41有效隔离，即第一间隙41可有效隔离加速度传感器100外围的封装应力、温度应力、冲击应力等测量干扰，降低对外隔离岛22及连接至外隔离岛22的部件的干扰。并且，外隔离岛22与内隔离岛24之间具有第二间隙42，可有效阻止通过连接梁23传递至外隔离岛22上的干扰应力传递至悬臂梁25上，可进一步减少外围干扰应力对悬臂梁25和质量块26检测加速度时的影响。另外，内隔离岛24与外隔离岛22之间或在内隔离岛24上设置应力释放孔27，还可进一步有效隔离外隔离岛22上的干扰应力传递到悬臂梁25上，可更进一步地减少对悬臂梁25和质量块26检测加速度时的影响。综上，通过上述的多重隔离方式，使得应变电阻只受到质量块26惯性作用产生的应力，其他干扰应力均被第一间隙41、第二间隙42及应力释放孔27隔离，不会作用在应变电阻的布置位置，显著抑制了外围干扰应力对惯性敏感单元的影响，获得很好的温度稳定性和加速度测量精度。
需要补充的是，敏感结构20可以和上盖板10或底板30可以形成一个整体。因此，在一些实施例中，敏感结构20不是加速度传感器100的中间层，而是构成加速度传感器100的上层或下层。
以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种敏感结构，用于压阻式加速度传感器，其特征在于，所述敏感结构包括：
边框，所述边框形成有第一容置空间；
外隔离岛，所述外隔离岛设置于所述第一容置空间中且固定于所述边框，所述外隔离岛形成有第二容置空间，所述外隔离岛通过设置于所述外隔离岛两侧的两个连接梁固定至所述边框，所述连接梁的延伸方向与敏感结构的敏感方向一致；
内隔离岛，所述内隔离岛设置于所述第二容置空间且直接连接至所述外隔离岛；
悬臂梁，所述悬臂梁具有两端，所述悬臂梁设置于所述第二容置空间且一端连接至所述内隔离岛；及
质量块，所述质量块连接至所述悬臂梁的另一端；
其中，所述质量块被构造成在加速度作用下产生面内位移对所述悬臂梁产生作用力。
2.根据权利要求1所述的敏感结构，其特征在于，所述内隔离岛与所述外隔离岛的连接处或所述内隔离岛内设有应力释放孔。
3.根据权利要求2所述的敏感结构，其特征在于，所述应力释放孔与所述悬臂梁对齐。
4.根据权利要求1所述的敏感结构，其特征在于，所述连接梁的延伸方向与所述悬臂梁的延伸方向垂直，所述连接梁与所述内隔离岛错开布置。
5.根据权利要求4所述的敏感结构，其特征在于，所述连接梁的刚度大于所述悬臂梁的刚度。
6.据权利要求1~5任一项所述的敏感结构，其特征在于，所述敏感结构包括应变电阻，所述应变电阻设置于所述悬臂梁的水平面且靠近所述内隔离岛的一端。
7.根据权利要求6所述的敏感结构，其特征在于，所述敏感结构包括两个并行设置的内隔离岛和悬臂梁，所述两个悬臂梁上分别设有质量块，所述两个悬臂梁上分别设有两个应变电阻。
8.根据权利要求7所述的敏感结构，其特征在于，所述边框设有四个电连接部，四个所述应变电阻与四个所述电连接部连接成为惠斯通全桥电路。
9.一种加速度传感器，其特征在于，包括权利要求1~8中任一项所述的敏感结构。
10.根据权利要求9所述的加速度传感器，其特征在于，还包括上盖板和底板，所述敏感结构设置于所述上盖板和所述底板之间；
其中，所述质量块的敏感方向与所述敏感结构的上、下表面平行。
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