CN117706113A - 一种基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，属于微机电系统技术领域，包括形状为长方体的质量块，以及四个对称设置于质量块上表面侧方的悬臂梁结构；质量块包括衬底硅层和第一掺杂硅层；悬臂梁结构采用TPoS结构，包括第二掺杂硅层、压电薄膜和叉指换能器；悬臂梁结构的首端分别与质量块上表面的对应棱边相连，末端固定在外围支撑结构上；叉指换能器设置在悬臂梁结构的末端；叉指换能器与其下方的压电薄膜共同构成兰姆波谐振器。本发明利用四个TPoS结构的兰姆波谐振器实现三个方向的运动加速度检测，对悬臂梁结构的厚度不敏感，有助于提升灵敏度，加工制备工艺与CMOS工艺兼容，利于微型化和集成化。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计。
背景技术
随着物联网技术的蓬勃发展，智能传感器的作用日益凸显。基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)技术的传感器凭借其体积小、功耗低、可大批量生产的特点，逐渐成为智能传感器的重要组成部分。与此同时，MEMS技术与集成电路技术的协同发展，使得将传感器敏感单元和传感信号处理电路集成在同一衬底上的单片多功能集成传感芯片成为智能传感器发展的新趋势。
目前，传感器种类包括压阻式、电容式、压电式、热电式、谐振式和磁感应式等。将压电材料嵌入微机械结构中，在精确的惯性测量中得到应用。通过压电效应，这些器件能够作为敏感的加速度计使用，特别是用于振动水平传感和加速度变化监测。压电谐振器制成的敏感结构还可以作为陀螺仪的角速率感测或加速度计应用。谐振式传感器与压阻式、电容式传感器相比，优势在于其检测精度和准确性更高。由于谐振式传感器采用了输出频率信号的形式，无需模数转换器即可将输出信号转换为数字信号，使得其接口电路较为简单，提升了抗干扰能力。尽管谐振式传感器工作时一直处于机械振动的状态，但其性能稳定性和抗机械冲击能力已被证明是十分优异的。
当前，基于声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)的谐振式加速度传感器应用较为广泛。声表面波是一种沿着弹性材料的表面传播的声波，具体有两种主要结构，一种是双端口延迟线结构，另一种是单端口谐振器结构。其中，双端口延迟线结构包含两组叉指换能器，一组叉指换能器用于输入激励信号，产生声表面波，另一组叉指换能器负责收集信号；单端口谐振器结构采用单个叉指换能器，并使用大量反射栅，形成谐振腔。
目前，基于SAW的谐振式加速度传感器的问题在于往往采用单晶压电材料制备，与CMOS(互补金属氧化物半导体)加工制备工艺难以兼容，导致其存在微型化和集成化困难的问题。此外，由于基于SAW的谐振式加速度传感器的加工制备工艺的限制，以及过强加速度惯性力使悬臂梁疲劳断裂等因素，导致悬臂梁的厚度较大，限制了加速度传感器的灵敏度，同时不利于微型化和集成化。这在一定程度上限制了基于SAW的谐振式加速度传感器的进一步发展。
因此，设计一种对悬臂梁的厚度不敏感，可与CMOS工艺兼容，易于微型化和集成化的谐振式加速度传感器，具有重要科学意义和潜在商业价值。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的问题，提供了一种基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，通过检测4个兰姆波谐振器的谐振频率偏移量，确定被测加速度的方向和大小。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，包括形状为长方体的质量块，以及四个对称设置于质量块上表面侧方的悬臂梁结构；所述质量块包括自下而上的衬底硅层和第一掺杂硅层；所述悬臂梁结构采用硅上压电薄膜(Thin Piezoelectric film onSilicon,TPoS)结构，包括自下而上的第二掺杂硅层、压电薄膜和叉指换能器；
其中，悬臂梁结构的首端分别与质量块上表面的对应棱边相连，末端固定在外围支撑结构上；叉指换能器设置在悬臂梁结构的末端；叉指换能器与其下方的压电薄膜共同构成兰姆波谐振器，共计四个兰姆波谐振器。
进一步地，所述第一掺杂硅层与第二掺杂硅层为一个整体结构。
进一步地，所述悬臂梁结构的首端通过锚点连接至质量块上表面的对应棱边，以减少能量耗散，提高兰姆波谐振器的Q值。
进一步地，所述压电薄膜的材料为AlN、ZnO或PZT(锆钛酸铅)，厚度为0.5～2μm。
进一步地，所述叉指换能器包括多对叉指电极和两个汇流电极，两个汇流电极分别位于叉指电极的两端。
进一步地，所述叉指电极至少有三对，各对叉指电极包括两个宽度和间距均为1/4λ的子电极，λ为激发的声波波长。
进一步地，所述质量块的上表面为正方形，边长为800～1200μm。
进一步地，所述质量块的厚度为800～1200μm。
进一步地，所述悬臂梁结构的长度为300～600μm，宽度为300～500μm，厚度为10～40μm。
进一步地，三轴加速度计沿质量块的厚度方向进行加速运动时，通过检测四个兰姆波谐振器的谐振频率偏移量，确定三轴加速度计沿质量块的厚度方向的运动加速度；三轴加速度计沿质量块上表面的某一棱边进行加速运动时，通过检测该棱边两端对应的两个兰姆波谐振器的谐振频率偏移量，确定三轴加速度计沿该棱边方向的运动加速度。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，利用四个TPoS结构的兰姆波谐振器实现三个方向的运动加速度检测，结构简单，功率承受能力强，输出信号为频率信号，易于后端接口电路设计；相比于基于SAW的谐振式加速度传感器，本发明对悬臂梁结构的厚度不敏感，采用厚度较薄的悬臂梁结构有助于提升三轴加速度计的灵敏度，同时利于微型化和集成化；TPoS结构的兰姆波谐振器的加工制备工艺与CMOS工艺兼容，有利于实现敏感单元和信号处理电路的单片集成方案。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计的三维结构示意图；
图2为本发明实施例1提出的基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计的俯视图；
图3为本发明实施例1中悬臂梁结构的示意图；
图4为本发明实施例1中叉指换能器的示意图；
图5为图3的A-A’截面图；
图6为图2的B-B’截面图；
图7为本发明实施例1提出的基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计在不同加速运动方向的振动模型示意图；其中，(a)为沿z轴加速运动方向；(b)为沿x轴加速运动方向；(c)为沿y轴加速运动方向；
图8为本发明实施例1提出的基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计在兰姆波S0模式下的悬臂梁结构应变分布图；
图9为本发明实施例1中兰姆波谐振器的谐振频率偏移随加速度的变化曲线；
附图标记说明如下：
1-质量块；2-第一悬臂梁结构；3-第二悬臂梁结构；4-第三悬臂梁结构；5-第四悬臂梁结构；6-第一兰姆波谐振器；7-第二兰姆波谐振器；8-第三兰姆波谐振器；9-第四兰姆波谐振器；10-压电薄膜；11-掺杂硅层；12-衬底硅层；13-汇流电极；14-叉指电极；15-锚点；16-第一对叉指电极；17-第二对叉指电极；18-第三对叉指电极。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了一种基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，结构如图1和图2所示，包括质量块1、第一悬臂梁结构2、第二悬臂梁结构3、第三悬臂梁结构4和第四悬臂梁结构5。
所述质量块1的形状为长方体，其上表面(由x轴和y轴构成)为正方形，边长为1000μm；如图6所示，质量块1包括自下而上的衬底硅层12和第一掺杂硅层，衬底硅层12的厚度(z轴方向)为400μm，第一掺杂硅层的厚度(z轴方向)为15μm。
所述第一悬臂梁结构2、第二悬臂梁结构3、第三悬臂梁结构4和第四悬臂梁结构5对称设置于质量块1上表面侧方(使得三轴加速度计整体呈十字型)，其首端分别通过锚点15与质量块1上表面的对应棱边相连，末端固定在外围支撑结构上；具体地，第一悬臂梁结构2和第二悬臂梁结构3设置于x轴方向，第三悬臂梁结构4和第四悬臂梁结构5设置于y轴方向。
如图3所示，所述第一悬臂梁结构2、第二悬臂梁结构3、第三悬臂梁结构4和第四悬臂梁结构5的结构相同，均采用TPoS结构，包括如图5所示的自下而上的第二掺杂硅层、压电薄膜10和叉指换能器，各叉指换能器设置在对应悬臂梁结构的末端；其中，第一悬臂梁结构2与其上方的叉指换能器共同构成第一兰姆波谐振器6，第二悬臂梁结构3与其上方的叉指换能器共同构成第二兰姆波谐振器7，第三悬臂梁结构4与其上方的叉指换能器共同构成第三兰姆波谐振器8，第四悬臂梁结构5与其上方的叉指换能器共同构成第四兰姆波谐振器9；第一悬臂梁结构2、第二悬臂梁结构3、第三悬臂梁结构4和第四悬臂梁结构5的长度为400μm，宽度为380μm；压电薄膜10的材料为AlN，厚度为1μm；叉指换能器的结构如图4所示，包括多对叉指电极14和两个汇流电极13，两个汇流电极13分别位于叉指电极14的两端，材质为Al，厚度为0.5μm。
所述叉指电极14共有三对，分别为如图5所示的第一对叉指电极16、第二对叉指电极17和第三对叉指电极18；各对叉指电极包括两个宽度和间距均为1/4λ的子电极，λ为激发的声波波长，本实施例中的λ值为20μm。
所述第一掺杂硅层与第二掺杂硅层为一个整体结构，统称为掺杂硅层11。
本实施例提出的基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计的工作原理为：当质量块1受到环境中的惯性力时，其会产生一个微小的位移，这个位移使得悬臂梁结构发生弯曲变形，从而改变悬臂梁结构表面的应力应变分布，引起衬底弹性常数的变化，改变声波的相速度以及兰姆波谐振器的振动频率，从而使兰姆波在悬臂梁结构表面的传播速度以及叉指电极14的宽度、间距发生改变。通过检测兰姆波谐振器的谐振频率偏移量，可以确定加速度计结构的运动加速度方向和大小。
本实施例中，外加电压通过汇流电极13施加在叉指电极14时，压电薄膜10中产生的电场将会引发兰姆波谐振器的振动，将电能转化为机械能，同时激发出声波。兰姆波属于体波。根据声波传播时悬臂梁结构中质点的振动方向，每一种体声波都有两种不同的模态，即对称模态和反对称模态。根据厚度方向的驻波数i,i＝0,1,…,n，将第i阶对称型兰姆波记作Si，第i阶反对称兰姆波记作Ai，0,1,…,n依次表示频率由低到高。本实施例中兰姆波谐振器应用的振动模态为兰姆波的S0模态，相比于其他的振动模态有着明显的优势，如：高相速度，低色散与适中的压电系数。其谐振频率主要由电极周期间距(即两个子电极中心之间的距离)决定，与压电薄膜10的膜厚无关，因而兰姆波谐振器对压电薄膜的工艺厚度制备误差不敏感。S0模态的特征频率f可由公式表示为：
其中，V为兰姆波的声速，p为两个子电极中心之间的距离，λ为激发的声波波长，大小为p的2倍。
本实施例包括第一兰姆波谐振器6、第二兰姆波谐振器7、第三兰姆波谐振器8和第四兰姆波谐振器9，共计四个兰姆波谐振器，可以用来此时x轴、y轴和z轴三个方向的运动加速度，具体为：
如图7(a)所示，当三轴加速度计处于z轴方向的加速运动状态时，在第一悬臂梁结构2、第二悬臂梁结构3、第三悬臂梁结构4和第四悬臂梁结构5会产生相同的应变，进而第一兰姆波谐振器6、第二兰姆波谐振器7、第三兰姆波谐振器8和第四兰姆波谐振器9将发生相同的频率偏移；通过检测第一兰姆波谐振器6、第二兰姆波谐振器7、第三兰姆波谐振器8和第四兰姆波谐振器9的谐振频率偏移量，确定三轴加速度计在z轴的运动加速度；
如图7(b)所示，当三轴加速度计处于x轴方向的加速运动状态时，只有第一悬臂梁结构2和第二悬臂梁结构3会产生相同的应变，进而第一兰姆波谐振器6和第二兰姆波谐振器7将发生相同的频率偏移；通过检测第一兰姆波谐振器6和第二兰姆波谐振器7的谐振频率偏移量，确定三轴加速度计在x轴的运动加速度；
如图7(c)所示，当三轴加速度计处于y轴方向的加速运动状态时，只有第三悬臂梁结构4和第四悬臂梁结构5会产生相同的应变，进而第三兰姆波谐振器8和第四兰姆波谐振器9将发生相同的频率偏移；通过检测第三兰姆波谐振器8和第四兰姆波谐振器9的谐振频率偏移量，确定三轴加速度计在y轴的运动加速度。
图8为本实施例提出的基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计在兰姆波S0模式下的悬臂梁结构应变分布图，可见应变在悬臂梁结构的长度方向呈周期性正负变化，悬臂梁结构末端的应变最大，进而将叉指换能器设置在悬臂梁结构末端，具体将各对叉指电极的两个子电极分别设置在峰(正应变最大值)与谷(负应变最大值)处，以最大化检测灵敏度。
本实施例中的兰姆波谐振器在不受外力作用时的谐振频率为242.2MHz。通过检测兰姆波谐振器的谐振频率偏移量，以确定加速度计结构的运动加速度方向和大小，仿真得到的兰姆波谐振器的谐振频率偏移随加速度的变化曲线如图9所示。
相比于传统的基于电容式谐振器的谐振式加速度计，本实施例提出的基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计降低了对真空环境的依赖，无需直流偏置电压，对悬臂梁结构的厚度不敏感，具备功耗低、体积小、与CMOS工艺兼容等优点，具有广阔的市场应用前景。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，其特征在于，包括形状为长方体的质量块，以及四个对称设置于质量块上表面侧方的悬臂梁结构；所述质量块包括自下而上的衬底硅层和第一掺杂硅层；所述悬臂梁结构采用TPoS结构，包括自下而上的第二掺杂硅层、压电薄膜和叉指换能器；
其中，悬臂梁结构的首端分别与质量块上表面的对应棱边相连，末端固定在外围支撑结构上；叉指换能器设置在悬臂梁结构的末端；叉指换能器与其下方的压电薄膜共同构成兰姆波谐振器，共计四个兰姆波谐振器。
2.根据权利要求1所述基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，其特征在于，所述第一掺杂硅层与第二掺杂硅层为一个整体结构。
3.根据权利要求1所述基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，其特征在于，所述悬臂梁结构的首端通过锚点连接至质量块上表面的对应棱边。
4.根据权利要求1所述基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，其特征在于，所述压电薄膜的材料为AlN、ZnO或PZT，厚度为0.5～2μm。
5.根据权利要求1所述基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，其特征在于，所述叉指换能器包括多对叉指电极和两个汇流电极，两个汇流电极分别位于叉指电极的两端。
6.根据权利要求5所述基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，其特征在于，所述叉指电极至少有三对，各对叉指电极包括两个宽度和间距均为1/4λ的子电极，λ为激发的声波波长。
7.根据权利要求1所述基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，其特征在于，所述质量块的上表面为正方形，边长为800～1200μm。
8.根据权利要求1所述基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，其特征在于，所述质量块的厚度为800～1200μm。
9.根据权利要求1所述基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，其特征在于，所述悬臂梁结构的长度为300～600μm，宽度为300～500μm，厚度为10～40μm。
10.根据权利要求1～9任一项所述基于兰姆波TPoS谐振器的三轴加速度计，其特征在于，三轴加速度计沿质量块的厚度方向进行加速运动时，通过检测四个兰姆波谐振器的谐振频率偏移量，确定三轴加速度计沿质量块的厚度方向的运动加速度；三轴加速度计沿质量块上表面的某一棱边进行加速运动时，通过检测该棱边两端对应的两个兰姆波谐振器的谐振频率偏移量，确定三轴加速度计沿该棱边方向的运动加速度。
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