CN201083760Y - 三轴集成压阻式加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三轴集成压阻式加速度传感器，包括分别测量X、Y、Z三个方向加速度信号的硅MEMS压阻式加速度传感器，其中测量平面内X向和Y向加速度信号的两个硅MEMS压阻式加速度传感器都是包括硅框架、质量块、悬臂梁、压敏电阻、支撑梁的结构，它们在平面内垂直布置；第三个压阻式加速度传感器位于X向和Y向压阻式加速度传感器的一侧，用于测量Z方向的加速度信号。三个传感器的压敏电阻都分别设置在各自微结构的敏感梁的上表面。采用该结构可在一个芯片上采用相同的工艺同时制作出三个压阻加速度传感器，降低了加工难度。该传感器具有体积小、质量轻、可靠性高、成本低和易于集成的特点。

Description

三轴集成压阻式加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种采用压阻原理制作的多轴集成式加速度传感器，属于微机械传感器领域。

背景技术

微加速度传感器是采用微机械加工技术制作的传感器。根据所采用的工作原理不同，微加速度传感器可分为电容式、压阻式、热流式、隧穿式和谐振式等多种。和其它形式的微加速度传感器相比，压阻式微加速度传感器由于具有加工工艺简单、测试方便和成本低廉等特点而获得了广泛的应用。压阻式加速度传感器以半导体的压阻效应为基础，由质量块和悬臂梁以及设置在悬臂梁上表面或侧面的压敏电阻组成。三轴微加速度传感器可以同时测量三个方向的加速度信号，和单轴微加速度传感器相比具有集成度高、安装简单等更多优势，因此在实际应用中需求量也更大。

压阻式三轴微加速度传感器的实现方法主要有三种，第一种方式是采用一个敏感元件测量三个方向的加速度信号，当敏感元件感受不同方向的加速度时，不同位置的电阻阻值产生变化，通过测量电阻的阻值得到加速度的大小和方向，这种传感器最大的问题是各轴之间的交叉耦合比较大。另一种方式是将三个单轴压阻式微加速度传感器组装在一起，实现三轴测量功能，但是这种方式体积较大，并且组装比较困难，容易导致较大的安装误差。

第三种方式是将三个单轴压阻式加速度传感器同时制作在同一个芯片上，避免上述两种方式导致的交叉耦合和安装误差等，单个单轴压阻式加速度传感器的结构是由硅框架、质量块、悬臂梁以及设置在悬臂梁上表面的压敏电阻组成的，质量块和硅框架之间通过悬臂梁连接成一体。但现有结构中测量平面内(即X方向和Y方向)加速度信号的传感器是将压敏电阻制作在悬臂梁的侧面，而测量垂直方向(Z方向)的加速度信号则须将压敏电阻制作在悬臂梁上表面。在敏感梁的上表面和侧面制作压敏电阻需要采用不同的工艺，甚至使用不同的设备，因此这种方式带来的问题是加工工艺复杂，增大了加工成本。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种可以利用单一加工工艺制作的三轴压阻式微加速度传感器的微结构。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：

三轴集成压阻式加速度传感器，包括三个相互独立的硅MEMS压阻式加速度传感器，其中测量平面内X向和Y向加速度信号的两个硅MEMS压阻式加速度传感器的结构完全相同，它们都包括硅框架、质量块、扭转梁、敏感梁以及设置在敏感梁上表面的压敏电阻，质量块和硅框架之间通过支撑梁和敏感梁连接成一体；上述两个硅MEMS压阻式加速度传感器在芯片平面内垂直分布，从而一个硅MEMS压阻式加速度传感器测量X方向的加速度信号，另一个硅MEMS压阻式加速度传感器测量Y方向的加速度信号。第三个压阻式加速度传感器位于X向和Y向压阻式加速度传感器的一侧，用于测量Z方向的加速度信号，其结构是由硅框架、质量块、悬臂梁以及设置在悬臂梁上表面的压敏电阻组成，质量块和硅框架之间通过悬臂梁连接成一体。

本实用新型结构的进一步改进在于：上述三个方向压阻式微加速度传感器结构的压敏电阻均位于梁的上表面，因此可以采用相同的工艺将三个压阻式微加速度传感器制作在同一个芯片上。

上述X轴和Y轴方向上的硅MEMS压阻式加速度传感器的结构为：包括硅框架、质量块、扭转梁、敏感梁和压敏电阻，质量块位于硅框架中间并通过扭转梁和敏感梁与硅框架连接，在质量块的两侧和硅框架之间设置有互相对称的厚度小于质量块的敏感梁，敏感梁可以为一对或多对，在敏感梁的上表面制作有检测应力大小的压敏电阻，压敏电阻分布在敏感梁的端部；在质量块的另外两个侧面设置有厚度大于敏感梁的一对对称分布的扭转梁，扭转梁连接在质量块和硅框架之间。

上述Z轴方向的硅MEMS压阻式加速度传感器的结构为：包括硅框架、质量块、悬臂梁和压敏电阻，质量块位于硅框架中间并通过悬臂梁连接成一体，质量块的每个侧面和硅框架之间有一个或多个悬臂梁，四个侧面的悬臂梁数量相等并对称分布。悬臂梁的一端或两端制作有检测应力大小的压敏电阻。

由于采用上述技术方案，本实用新型所产生的有益效果在于：

三轴集成压阻式加速度传感器由三个相互独立的单轴压阻式微加速度传感器组成，每个传感器只能测量一个方向的加速度信号，而对另外两个方向的加速度信号不会产生响应。通过检测三个传感器的输出信号的值，即可得到外界加速度信号的方向和大小。

其中X、Y方向上的单轴压阻式微加速度传感器的主要作用为：当整个结构受到X或者Y方向的加速度作用时，其对应的压阻式加速度传感器的质量块绕扭转梁发生相对于硅框架的转动，导致相应的敏感梁发生弯曲变形，并在其上表面产生分布变化的应力，使位于敏感梁上表面的压敏电阻的阻值发生变化，通过检测电阻阻值的变化得到对应的X或Y方向的加速度的大小。这种结构的压阻式微加速度传感器的两个支撑梁与质量块的厚度在垂直方向接近，并大于敏感梁的厚度，且对称分布在质量块的两侧，其主要作用一方面是用于支撑质量块的质量，防止质量块由于自身重力或受冲击载荷作用时，致使整个结构发生破坏失效；另一方面，支撑梁相对其所在的单个微结构来说，对敏感方向的刚度影响较小，却使其它两个方向的刚度变得很大，这样设计带来的好处是只有当传感器受到敏感方向的加速度作用时才会产生位移变化，当质量块受到其它方向的加速度作用时，质量块产生的位移很小，因此由加速度导致的悬臂梁变形也会很小，有利于降低传感器的交叉耦合。

当结构受到Z向的加速度信号作用时，X轴和Y轴两个压阻式加速度传感器没有输出，另一个Z轴压阻式加速度传感器在加速度作用下产生Z方向的位移，导致悬臂梁产生弯曲变形，并在上表面产生分布变化的应力，导致位于悬臂梁上表面的压敏电阻的阻值发生变化，通过检测电阻阻值的变化得到Z方向的加速度的大小。

采用该结构可借助表面扩散这一种工艺，将所有压敏电阻制作在梁的上表面，并且其它部分的加工工艺也完全相同，因此可以在一个芯片上制作出三个压阻式加速度传感器结构，实现三轴集成。该结构避免了在悬臂梁侧面制作电阻的复杂工艺，降低了加工难度。并且还具有体积小、质量轻、可靠性高、成本低和易于集成的特点。

附图说明

图1是本发明的三轴集成压阻式加速度传感器三维立体结构示意图。

其中：1、硅框架，2、质量块，3、扭转梁，4、敏感梁，5、压敏电阻，6、悬臂梁，11、X方向的加速度传感器，12、Y方向的加速度传感器，13、Z方向的加速度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

本实用新型的结构和X、Y、Z方向的压阻式加速度传感器的位置关系如图1所示。这三个传感器分别用于测量X、Y、Z方向的加速度信号。本实施例的X和Y方向的压阻式微加速度传感器的结构相同，都是由一个硅框架1、质量块2、二个扭转梁3和四个敏感梁4组成，扭转梁和敏感梁将质量块和硅框架连接成一体。敏感梁4对称分布于质量块2的两侧，扭转梁3位于质量块2另外两侧平面的中心线上，扭转梁3的宽度远远小于质量块的宽度，扭转梁3垂直方向的高度与质量块2的高度相近；在每个敏感梁4的上表面的两端分别制作有一个压敏电阻5。测量X方向和Y方向的两个硅MEMS压阻式加速度传感器11和12在水平面内垂直分布，从而一个硅MEMS压阻式加速度传感器11测量X方向的加速度信号，另一个硅MEMS压阻式加速度传感器12测量Y方向的加速度信号。

第三个压阻式加速度传感器13位于X向和Y向压阻式加速度传感器的一侧，用于测量Z方向的加速度信号，其结构是由硅框架1、质量块2、悬臂梁6以及设置在悬臂梁6上表面的压敏电阻5组成，质量块2位于硅框架1的中间，并通过悬臂梁6连接成一体。悬臂梁6设置在质量块2的四个侧面的右上角处，悬臂梁6的厚度小于质量块2的厚度，每个悬臂梁6的上表面的两端分别设置有一个压敏电阻5。

X、Y、Z三个方向的压阻式加速度传感器的压敏电阻均位于梁的上表面，所采用的加工工艺完全相同，因此三个结构可以在一个芯片上同时加工完成。

Claims (4)

1.三轴集成压阻式加速度传感器，包括三个相互独立的硅MEMS压阻式加速度传感器，其特征在于：测量X向和Y向加速度信号的两个硅MEMS加速度传感器的结构相同，它们都包括硅框架、质量块、扭转梁、敏感梁以及设置在敏感梁上表面的压敏电阻，质量块和硅框架之间通过支撑梁和敏感梁连接；上述两个硅MEMS压阻式加速度传感器在平面内垂直分布，第三个用于测量Z方向的加速度信号的压阻式加速度传感器的压敏电阻也设置在悬臂梁的上表面。

2.根据权利要求1所述的三轴集成压阻式加速度传感器，其特征在于测量X向和Y向加速度信号的两个硅MEMS压阻式加速度传感器具体结构为：包括硅框架、质量块、敏感梁及位于敏感梁上的压敏电阻，敏感梁互相对称的设置在质量块的两侧，敏感梁的厚度小于质量块的厚度，在敏感梁的上表面设置有压敏电阻；在质量块的另外两个侧面上设置有厚度大于敏感梁的支撑梁。

3.根据权力要求1所述的三轴集成压阻式加速度传感器，其特征在于：测量Z向加速度信号的压阻式加速度传感器由硅框架、质量块、悬臂梁以及设置在悬臂梁上表面的压敏电阻组成，质量块位于硅框架中并通过悬臂梁与硅框架连接成一体，质量块的每个侧面和硅框架之间有一个或多个悬臂梁，四个侧面的悬臂梁数量相等并对称分布，悬臂梁的一端或两端制作有检测应力大小的压敏电阻。

4.根据权利要求1所述的三轴集成压阻式加速度传感器，其特征在于：三个硅MEMS压阻式加速度传感器采用完全相同的工艺制作在一个芯片上。