CN204643828U - 一种应力隔离的mems惯性传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应力隔离的MEMS惯性传感器，包括衬底，以及位于衬底上方的应力隔离层，所述应力隔离层通过第一锚点固定在衬底上，所述应力隔离层位于第一锚点两侧的位置悬置在衬底的上方；在所述应力隔离层的上端设置有敏感结构。本实用新型的MEMS惯性传感器，在外界的温度和应力变化时，产生的应变从衬底进入，通过第一锚点传到应力隔离层，再传输至敏感结构上，使得整个敏感结构对温度和应力所产生的应变具有一致的响应，通过敏感结构自身的差分结构就可以把这样的共模信号完全消除掉，从而使这种外界因素引起的信号不会叠加在惯性信号上，也就是说，该传感器最终输出的是完全由惯性所引起的信号变化。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种惯性测量器件，更具体地，涉及一种基于MEMS制造的惯性测量器件，例如MEMS加速度计、陀螺仪、振荡器等。
背景技术
目前，随着消费电子和可穿戴设备的发展，对MEMS惯性传感器的性能提出了越来越高的要求。人们希望在外界温度和应力变化时，传感器的输出对其不敏感，而仅对关注的惯性信号作出反应。但问题在于，MEMS惯性传感器与外界环境并不是独立的，外界温度和应力变化时，势必引起相应的应变。外界环境与传感器敏感结构之间存在上述应变的传输路径，外界温度和应力等影响造成的应变会沿着传输路径传导到传感器的敏感结构，导致传感器的输出信号变化，而传感器的信号处理部分无法区分是由惯性信号还是外界因素引起的信号变化，结果使得外界因素引起的信号变化毫无保留地叠加在惯性信号上，一并输出。
图1是惯性器件通常采用的结构，其包括衬底1和敏感结构4。MEMS芯片的衬底1和敏感结构4之间有氧化层或金属作为中间结合层2a，通过该中间结合层2a将二者硬连接在一起，敏感结构4一般有多个锚点，各个锚点分别通过中间结合层2a固定在MEMS芯片的衬底1上。各个锚点分布比较分散，中间都存在一定的距离，外界温度和应力变化造成的应变的大小和方向并不相同，即使差分的设计也无法将这样的干扰滤除，结果就会造成传感器输出发生变化，参考图2。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是提供一种应力隔离的MEMS惯性传感器的新技术方案。
根据本实用新型的第一方面，提供了一种应力隔离的MEMS惯性传感器，包括衬底，以及位于衬底上方的应力隔离层，所述应力隔离层通过第一锚点固定在衬底上，所述应力隔离层位于第一锚点两侧的位置悬置在衬底的上方；在所述应力隔离层的上端设置有敏感结构。
优选地，所述第一锚点与应力隔离层为一体的。
优选地，所述应力隔离层的第一锚点与衬底键合在一起。
优选地，所述敏感结构包括可动极板，所述可动极板通过第二锚点悬置在应力隔离层的上方。
优选地，所述第二锚点与可动极板为一体的。
优选地，还包括与可动极板组成电容结构的固定极板。
优选地，所述固定极板固定在应力隔离层上与可动极板对应的位置。
优选地，所述固定极板固定在衬底上与可动极板对应的位置；所述应力隔离层上位于可动极板、固定极板之间的位置设置有镂空。
优选地，所述衬底、应力隔离层、第一锚点为单晶硅材料，在所述第一锚点与衬底之间还设有绝缘层。
优选地，所述第一锚点为一个，其分布在敏感结构的中心位置；或者，所述第一锚点为多个，该多个第一锚点靠近敏感结构的中心分布。
本实用新型的MEMS惯性传感器，敏感结构固定在应力隔离层上，而应力隔离层通过第一锚点固定在衬底上。在外界的温度和应力变化时，产生的应变从衬底进入，通过第一锚点传到应力隔离层，再传输至敏感结构上，也就是说，应变的传输路径较为单一。在这种情况下，敏感结构的各个锚点对应变的响应是随应力隔离层整体变化的，也就是说，使得整个敏感结构对温度和应力所产生的应变具有一致的响应，通过敏感结构自身的差分结构就可以把这样的共模信号完全消除掉，从而使这种外界因素引起的信号不会叠加在惯性信号上，也就是说，该传感器最终输出的是完全由惯性所引起的信号变化。
本实用新型的发明人发现，在现有技术中，外界温度和应力等影响造成的应变会沿着各自的传输路径传导到传感器的敏感结构上，导致传感器的输出信号变化，而传感器的信号处理部分无法区分惯性信号还是外界因素引起的信号变化，结果毫无保留的叠加在惯性信号上，一并输出。因此，本实用新型所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本实用新型是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。
图1是传统中惯性传感器的结构示意图。
图2是图1中惯性传感器的应力传输路径分布图。
图3是本实用新型惯性传感器的结构示意图。
图4是图3中惯性传感器的应力传输路径分布图。
图5本实用新型惯性传感器另一种实施方式的结构示意图。
图6是本实用新型一种具体实施方式中惯性传感器的结构示意图。
图7是本实用新型另一种具体实施方式中惯性传感器的结构示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图3，本实用新型提供了一种应力隔离的MEMS惯性传感器，其为一种具有可动质量块结构的惯性测量器件，例如MEMS加速度计、陀螺仪、振荡器等。本实用新型的惯性传感器包括衬底1、盖体3，所述衬底1、盖体3扣合在一起形成用于安装各部件的封闭容腔。
在所述衬底1的上方设置有应力隔离层2，所述应力隔离层2通过第一锚点20固定在衬底1上，所述应力隔离层2位于第一锚点20两侧的位置悬置在衬底1的上方。该第一锚点20与应力隔离层2可以是一体的，其与衬底1之间可以采用键合的方式进行固定连接，例如可以是Si-Si键合的方式。在生产的时候，首先可以在衬底1上键合一层应力隔离层，通过刻蚀的方式，形成第一锚点20，使得应力隔离层2除了第一锚点20的位置，均悬置在衬底1的上方，也就是说，使应力隔离层2形成“孤岛”的结构。衬底1和应力隔离层2、第一锚点20可以采用本领域技术人员所熟知的材料制成，本实用新型中，优选采用单晶硅材料，此时，第一锚点20与衬底1之间还需要设置一绝缘层(视图未给出)。
本实用新型的MEMS惯性传感器，在所述应力隔离层2的上端设置敏感结构4，该敏感结构4为惯性传感器中用于测量惯性信号的部件，例如可以是可动质量块结构等。
本实用新型的MEMS惯性传感器，敏感结构固定在应力隔离层上，而应力隔离层通过第一锚点固定在衬底上。在外界的温度和应力变化时，产生的应变从衬底进入，通过第一锚点传到应力隔离层，再传输至敏感结构上，也就是说，应变的传输路径较为单一。在这种情况下，敏感结构的各个锚点对应变的响应是随应力隔离层整体变化的，也就是说，使得整个敏感结构对温度和应力所产生的应变具有一致的响应，通过敏感结构自身的差分结构就可以把这样的共模信号完全消除掉，从而使这种外界因素引起的信号不会叠加在惯性信号上，也就是说，该传感器最终输出的是完全由惯性所引起的信号变化，参考图4。
本实用新型中，所述第一锚点20可以只设置一个，其位于敏感结构4的中心位置，使得温度和应力所产生的应变只有一条传输路径。考虑到不同的工艺能力，所述第一锚点20也可以设置多个，该多个第一锚点20靠近敏感结构4的中心分布，参考图5，也就是说，该多个第一锚点20集中设置在芯片的中央，将温度和应力所产生应变的传输路径集中在芯片的中央位置，也可以使整个敏感结构对温度和应力所产生的应变具有较为一致的响应。
在本实用新型一个具体的实施方式中，所述敏感结构4包括可动极板，所述可动极板通过第二锚点悬置在应力隔离层的上方。其中，所述第二锚点与可动极板可以是一体的，可动极板与第二锚点也可以采用单晶硅材料制成。还包括与可动极板对应设置的固定极板5，该固定极板5与可动极板共同构成了惯性测量的电容结构。
该固定极板5可以固定在应力隔离层2上与可动极板对应的位置，使得悬置在应力隔离层2上方的可动极板与固定在应力隔离层2上的固定极板形成电容结构，参考图6。
在本实用新型另一实施方式中，所述固定极板5固定在衬底1上与可动极板对应的位置；也就是说，固定极板5设置在衬底1的端面上，在所述应力隔离层2上位于可动极板、固定极板5之间的位置设置有镂空21，使得可动极板、固定极板5直接正对起来，可以形成用于测量惯性信号的电容结构，参考图7。
虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种应力隔离的MEMS惯性传感器，其特征在于：包括衬底(1)，以及位于衬底(1)上方的应力隔离层(2)，所述应力隔离层(2)通过第一锚点(20)固定在衬底(1)上，所述应力隔离层(2)位于第一锚点(20)两侧的位置悬置在衬底(1)的上方；在所述应力隔离层(2)的上端设置有敏感结构(4)。
2.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述第一锚点(20)与应力隔离层(2)为一体的。
3.根据权利要求2所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述应力隔离层(2)的第一锚点(20)与衬底(1)键合在一起。
4.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述敏感结构(4)包括可动极板，所述可动极板通过第二锚点悬置在应力隔离层(2)的上方。
5.根据权利要求4所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述第二锚点与可动极板为一体的。
6.根据权利要求4所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：还包括与可动极板组成电容结构的固定极板(5)。
7.根据权利要求6所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述固定极板(5)固定在应力隔离层(2)上与可动极板对应的位置。
8.根据权利要求6所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述固定极板(5)固定在衬底(1)上与可动极板对应的位置；所述应力隔离层(2)上位于可动极板、固定极板(5)之间的位置设置有镂空(21)。
9.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述衬底(1)、应力隔离层(2)、第一锚点(20)为单晶硅材料，在所述第一锚点(20)与衬底(1)之间还设有绝缘层。
10.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述第一锚点(20)为一个，其分布在敏感结构(4)的中心位置；或者，所述第一锚点(20)为多个，该多个第一锚点(20)靠近敏感结构(4)的中心分布。
Priority Applications (1)
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| CN201520287630.1U CN204643828U (zh) | 2015-05-06 | 2015-05-06 | 一种应力隔离的mems惯性传感器 |
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| CN201520287630.1U CN204643828U (zh) | 2015-05-06 | 2015-05-06 | 一种应力隔离的mems惯性传感器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104817051A (zh) * | 2015-05-06 | 2015-08-05 | 歌尔声学股份有限公司 | 一种应力隔离的mems惯性传感器 |
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2015
- 2015-05-06 CN CN201520287630.1U patent/CN204643828U/zh not_active Withdrawn - After Issue
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN104817051B (zh) * | 2015-05-06 | 2017-03-15 | 歌尔股份有限公司 | 一种应力隔离的mems惯性传感器 |
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