一種mems壓阻式加速度計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種MEMS壓阻式加速度計，包括：襯底、邊框、彈性梁以及通過彈性梁支懸于邊框中心位置的主質量塊、支質量塊、上封帽、多組壓敏電阻；所述邊框固定于襯底上端；所述支質量塊設置于彈性梁上，且與彈性梁構成異形彈性梁結構；所述彈性梁的中間部位以及彈性梁與框架連接處設有多組壓敏電阻；所述主質量塊與彈性梁的厚度相等；所述上封帽固定于框架上端面，其內部有凹槽結構，所述主質量塊在凹槽內部懸空，且在感測各方向的慣性力時自由運動。本發(fā)明采用多根彈性梁單主質量塊的結構，通過一個主質量塊感受不同方向的慣性力時異形彈性梁的不同位置應力的變化，有效減小了器件體積，同時本發(fā)明具有靈敏度高、固有頻率高、抗高過載能力強等優(yōu)點。
【專利說明】—種MEMS壓阻式加速度計
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS傳感器領域，特別涉及一種異形梁三軸集成的MEMS壓阻式加速度計。
【背景技術】
[0002]采用微機械電子技術(MEMS)加工的以硅為襯底、硅玻璃鍵合技術封裝的MEMS加速度計，可以廣泛應用于航空、電子、汽車和機械領域的振動和沖擊測量。隨著微機械電子技術產業(yè)的興起，加速度計逐漸向微型化、集成化發(fā)展。由于采用MEMS加工技術的微加速度計具有體積小、重量輕、成本低、功耗低和易批量生產等優(yōu)點，因此有一定的市場價值和車事、民用前景。
[0003]常見的微加速度計產品都是單軸的，但微慣性系統(tǒng)以及其他一些應用場合往往需要雙軸或者三軸的加速度計來檢測加速度矢量，若僅使用三個單軸加速度計組合使用，會伴生矢量測量精度低、體積大的缺點。已有文獻報導開發(fā)多軸的微加速度計器件，有使用壓電原理研究三軸加速度計設計，但是器件存在精度低、穩(wěn)定性差的弱點；利用電容式原理開發(fā)三軸加速度計，分別使用三個慣性質量塊檢測三個軸向的加速度計，存在體積較大、質心不重合的現(xiàn)象。硅壓阻式加速度計由于具有線性度好、外圍電路簡單和抗高過載能力強等優(yōu)點而得到關注和開發(fā)，并且廣泛應用于沖擊環(huán)境的加速度測量。
[0004]目前，壓阻式三軸加速度計的實現(xiàn)方法主要有三種，第一種是將三個單軸的加速度計進行組裝實現(xiàn)三軸測量功能，但此種方法實現(xiàn)的加速度計體積大，矢量測量精度低；第二種是分別將三軸加速度計加工在同一個芯片上，每個加速度計擁有獨立的質量塊和懸臂梁結構，但這種方式加工的加速度計工藝復雜，加工成本大；第三種是利用同一個質量塊來感測三個方向的加速度信號，當質量塊感測到不同方向的加速度時，不同位置的電阻的阻值會發(fā)生變化，從而使由電阻構成的惠斯通電橋的輸出電壓發(fā)生變化，進而檢測到加速度的大小和方向。這三種方法實現(xiàn)的壓阻式加速度計各有利弊，針對第三種實現(xiàn)方法，現(xiàn)有的單質量塊八懸臂梁結構，垂直軸靈敏度較高而兩個水平軸的靈敏度較低，軸間橫向耦合度較聞。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是:為了解決現(xiàn)有壓阻式三軸加速度計體積大、結構復雜、軸間耦合度較高以及不同軸之間靈敏度差異較大的技術問題，提供一種MEMS壓阻式加速度計。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:提供了一種MEMS壓阻式加速度計，包括:襯底、邊框3、彈性梁2以及通過彈性梁2支懸于邊框3中心位置的主質量塊1、支質量塊、上封帽5、多組壓敏電阻；所述邊框3固定于襯底上端，所述框架3用以固定彈性梁2和主質量塊I ;所述支質量塊4設置于彈性梁2上，且與彈性梁2構成異形彈性梁結構，此結構實現(xiàn)了當受到X軸或I軸的慣性力時，彈性梁2的彎曲變形更大，由此提高X軸和y軸的靈敏度；所述彈性梁2的中間部位以及彈性梁2與框架3連接處設有感測三個垂直軸向慣性力的多組壓敏電阻，每個軸向上的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋；所述主質量塊I與彈性梁2的厚度相等，使主質量塊I的質心上移，與彈性梁2的中間面的距離縮小，所以在感受不同方向慣性力時主質量塊I的位移較小，本發(fā)明MEMS壓阻式加速度計能夠承受較高重力加速度g值的慣性力，因而具有良好的抗高過載能力；所述上封帽5固定于框架3上端面，其內部有凹槽結構，所述主質量塊2在凹槽內部懸空，且在感測各方向的慣性力時自由運動。
[0007]其中:所述主質量塊I為中心對稱的形狀，非中心對稱形狀的主質量塊在與彈性梁的連接、壓敏電阻的布置以及加工工藝方面會造成不必要的麻煩。
[0008]其中:為了制備方便，所述主質量塊I采用便于加工的方形，在方形的兩組相對的側面上分別設有互相垂直的彈性梁2。
[0009]其中:所述方形的主質量塊I的每個側面上分別設置兩根彈性梁2 ;所述支質量塊將兩根彈性梁2連接在一起。
[0010]其中:所述主質量塊I位于xy平面,兩組相對的彈性梁2分別沿X軸和y軸互相垂直；所述沿X軸的彈性梁2上設置有感受y軸的慣性力的支質量塊4，以及感測y軸的慣性力的壓敏電阻，所述X軸上的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋；在沿y軸的彈性梁2上設置有感受X軸的慣性力的支質量塊4，以及感測X方向的慣性力的壓敏電阻，所述y軸上的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋。
[0011]其中:所述彈性梁2上設有通孔6，用以獲得臨界阻尼。
[0012]其中:所述襯底和上封帽5為玻璃材料，所述主質量塊1、彈性梁2、框架3和支質量塊4為硅材料。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用多根彈性梁單主質量塊的結構，并且在彈性梁上增設支質量塊構成異形彈性梁，當受到X軸或I軸的慣性力時，彈性梁的彎曲變形更大，因此提高了 X軸和I軸的靈敏度；通過一個主質量塊感受不同方向的慣性力時異形彈性梁的不同位置應力的變化，所述彈性梁上布置的感測不同方向慣性力的多組壓敏電阻連接成惠斯通電橋，進而檢測不同方向的加速度，從而有效的減小了器件體積，通過彈性梁與主質量塊相對位置的確定以及主質量塊和彈性梁的形狀、厚度、寬度的確定，使本發(fā)明具有靈敏度高、固有頻率高、抗高過載能力強等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明一種MEMS壓阻式加速度計的實現(xiàn)方式結構示意圖(a)。
[0015]圖2為本發(fā)明一種MEMS壓阻式加速度計的實現(xiàn)方式結構示意圖(b)。
[0016]圖3為本發(fā)明一種MEMS壓阻式加速度計的實現(xiàn)方式結構示意圖(C)。
[0017]圖4為本發(fā)明一種MEMS壓阻式加速度計的上封帽的結構示意圖。
[0018]圖5為本發(fā)明實施例1的結構示意圖。
[0019]圖6為本發(fā)明實施例1的壓敏電阻連接示意圖。
[0020]圖7為本發(fā)明實施例1在沿X軸的彈性梁上設置的感測y軸慣性力的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋的電路圖。
[0021]圖8為本發(fā)明實施例1在沿y軸的彈性梁上設置的感測X軸慣性力的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋的電路圖。[0022]圖9為本發(fā)明實施例1的感測z軸慣性力的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋的電路圖。
[0023]附圖標識:1-主質量塊，2-彈性梁，3-框架，4-支質量塊，5-上封帽，6-通孔。【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0025]本發(fā)明一種MEMS壓阻式加速度計包括:包括:襯底、邊框3、彈性梁2以及通過彈性梁2支懸于邊框3中心位置的主質量塊1、支質量塊4、上封帽5、多組壓敏電阻；所述邊框3固定于襯底上端，所述框架3用以固定彈性梁2和主質量塊I ;所述支質量塊4設置于彈性梁2上，且與彈性梁2構成異形彈性梁結構，此結構實現(xiàn)了當受到X軸或y軸的慣性力時，彈性梁2的彎曲變形更大，由此提高X軸和y軸的靈敏度；所述彈性梁2的中間部位以及彈性梁2與框架3連接處設有感測三個垂直軸向慣性力的多組壓敏電阻，每個軸向上的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋；所述主質量塊I與彈性梁2的厚度相等，使主質量塊I的質心上移，與彈性梁2的中間面的距離縮小，所以在感受不同方向慣性力時主質量塊I的位移較小，本發(fā)明MEMS壓阻式加速度計能夠承受較高重力加速度g值的慣性力，因而具有良好的抗高過載能力；所述上封帽5固定于框架3上端面，其內部有凹槽結構，所述主質量塊2在凹槽內部懸空，且在感測各方向的慣性力時自由運動。
[0026]所述主質量塊I為中心對稱的形狀。參照圖1-3，分別是主質量塊I為圓形、方形和六邊形的三種不同實施方式，所述主質量塊I的側面設置有互相垂直的彈性梁2連接框架3。主質量塊I側面的四個方向上分別采用兩根彈性梁2為一組連接主質量塊I與框架3。
[0027]所述主質量塊I位于xy平面,兩組相對的彈性梁2分別沿x軸和y軸互相垂直；所述沿X軸的彈性梁2上設置有感受y軸的慣性力的支質量塊4，以及感測y軸的慣性力的壓敏電阻，所述X軸上的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋；在沿y軸的彈性梁2上設置有感受X軸的慣性力的支質量塊4，以及感測X方向的慣性力的壓敏電阻，所述y軸上的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋。當主質量塊I受到X軸或I軸的慣性力時，因為這時X軸或I軸的受力會使主質量塊I基本維持原來的位置不變，這樣主質量塊I就相當于異形彈性梁的另一個固定端點。
[0028]在主質量塊的側面的四個方向上分別設置有彈性梁2，如果每個方向上分別設置有一根彈性梁2，則容易發(fā)生零點位置漂移的問題，為了避免零點位置漂移，就需要將彈性梁2制備的很寬，這樣必然增大彈性梁2的質量，而質量大又將導致靈敏度下降。為了解決上述技術問題，我們在框架3內側的每個方向上分別設置兩根彈性梁2，從而避免了零點位置漂移的問題，同時保證了靈敏度。如果在每個方向上設置三根以上的彈性梁3，雖然也能避免零點位置漂移的問題，但是質量大又將導致靈敏度下降。因此，優(yōu)選地，在每個方向上采用兩根彈性梁2。
[0029]實施例1
參照圖4-5，在本實施例中，主質量塊I采用便于加工的方形，在方形的側面的四個方向上分別設置有兩根彈性梁2，并且每個側面上的兩根彈性梁2上設置有支質量塊4，將兩根彈性梁2連接；所述所述彈性梁2的中間部位以及彈性梁2與框架3連接處設置有感測不同方向慣性力的壓敏電阻Rf R24，所述彈性梁2上設置有通孔6 ;所述襯底和上封帽5的材料采用玻璃，主質量塊1、彈性梁2、框架3和支質量塊4采用硅；所述襯底與上封帽5之間通過靜電鍵合將彈性梁2連接的主質量塊I和框架3密封在二者之間，形成玻璃-硅-玻璃的三明治結構。整體尺寸為5000Mm X5000Mm X 1400Mm ;其中，每根彈性梁的尺寸為IOOOMmX200Mm X200Mm ;主質量塊I的尺寸為600Mm X 600Mm X 200Mm，主質量塊1、多根彈性梁
2、框架3和支質量塊4的硅選用N (100)，襯底和上封帽5的玻璃選用Pyrex 7740。
[0030]參照圖6，主質量塊I位于xy平面，兩組相對的側面上的彈性梁2分別沿x軸和y軸互相垂直。參照圖7，沿X軸的彈性梁2上設置有感測y軸的慣性力的支質量塊4，包括R7、R9、RIO、R12、R19、R2UR22和R24，并連接構成惠斯通電橋；參照圖8，在沿x軸的彈性梁2上設置有感測y軸的慣性力的壓敏電阻，包括電阻R1、R3、R4、R6、R13、R15、R16和R18，并連接構成惠斯通電橋；參照圖9，在每根彈性梁上分別設置有感測z軸的慣性力的壓敏電阻，包括電阻R2、R5、R8、R11、R14、R17、R20和R23，并連接構成惠斯通電橋。
[0031]本發(fā)明的工作過程是:當受到X軸的慣性力時，設置在沿y軸的彈性梁2的支質量塊4將產生較大的變形，從而引起感測X方向的慣性力的壓敏電阻的阻值變化，從而測得X軸的加速度；當受到I軸的慣性力時，設置在沿X軸的彈性梁2的支質量塊4將產生較大的變形，從而引起感測y軸的慣性力的壓敏電阻的阻值變化，從而測得y軸的加速度；當主質量塊I感測與其表面相垂直的z軸的慣性力時，主質量塊I將沿著z軸運動，這樣將會引起在彈性梁2與框架3連接處的感測z軸的慣性力的壓敏電阻的阻值變化，從而測得z軸的加速度。
[0032]本發(fā)明一種MEMS壓阻式加速度計的制備方法，包括以下步驟:
步驟1:在硅基板上利用離子注入工藝加工出P型壓敏電阻；
步驟2:在硅基板分別利用氫氧化鉀KOH濕法腐蝕工藝和ICP深刻蝕工藝形成出主質量塊1、彈性梁2、彈性梁2上的通孔6、支質量塊4和框架3 ；
步驟3:采用濺射工藝將壓敏電阻形成的惠斯通電橋進行金屬連接；
步驟4:上封帽5腐蝕加工出凹槽，利用硅-玻璃靜電鍵合工藝將框架3與上封帽5進行靜電鍵合，然后再與襯底進行框架3的下底面的靜電鍵合，完成本發(fā)明MEMS壓阻式加速度計的整體結構加工。
[0033]所述框架3下端面與襯底的靜電鍵合形成了整個發(fā)明的保護基底，對本發(fā)明MEMS壓阻式加速度計起到保護作用。
[0034]以上內容是結合優(yōu)選技術方案對本發(fā)明所做的進一步詳細說明，不能認定發(fā)明的具體實施僅限于這些說明。對本發(fā)明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明的構思的前提下，還可以做出簡單的推演及替換，都應當視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種MEMS壓阻式加速度計，包括:襯底、邊框(3)、彈性梁(2)以及通過彈性梁(2)支懸于邊框(3)中心位置的主質量塊(I);所述邊框(3)固定于襯底上端；其特征在于:所述一種MEMS壓阻式加速度計還包括:支質量塊(4)、上封帽(5)、多組壓敏電阻；所述支質量塊(4)設置于彈性梁(2)上，且與彈性梁(2)構成異形彈性梁結構；所述彈性梁(2)的中間部位以及彈性梁(2)與框架(3)連接處設有感測三個垂直軸向慣性力的多組壓敏電阻，每個軸向上的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋；所述主質量塊(I)與彈性梁(2)的厚度相等；所述上封帽(5)固定于框架(3)上端面，其內部有凹槽結構，所述主質量塊(2)在凹槽內部懸空,且在感測各方向的慣性力時自由運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種MEMS壓阻式加速度計，其特征在于:所述主質量塊(I)為中心對稱的形狀。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種MEMS壓阻式加速度計，其特征在于:所述主質量塊(I)采用方形，在方形的兩組相對的側面上分別設有互相垂直的彈性梁(2)。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種MEMS壓阻式加速度計，其特征在于:所述方形的主質量塊(I)的每個側面上分別設置兩根彈性梁(2 );所述支質量塊(4)將兩根彈性梁(2 )連接在一起。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種MEMS壓阻式加速度計，其特征在于:所述主質量塊(I)位于xy平面，兩組相對的彈性梁(2)分別沿X軸和y軸互相垂直；所述沿X軸的彈性梁(2)上設置有感受I軸的慣性力的支質量塊(4)，以及感測y軸的慣性力的壓敏電阻，所述X軸上的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋;在沿I軸的彈性梁(2)上設置有感受X軸的慣性力的支質量塊(4)，以及感測X方向的慣性力的壓敏電阻，所述y軸上的壓敏電阻連接構成惠斯通電橋。
6.根據(jù)權利要求2所述的一種MEMS壓阻式加速度計，其特征在于:所述彈性梁(2)上設有通孔(6)。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種MEMS壓阻式加速度計，其特征在于:所述襯底和上封帽(5)為玻璃材料，所述主質量塊(I)、彈性梁(2)、框架(3)和支質量塊(4)為硅材料。
【文檔編號】G01P15/12GK103575932SQ201310582072
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月20日 優(yōu)先權日:2013年11月20日
【發(fā)明者】劉勐, 郭吉洪, 王奇, 汪家奇 申請人:大連理工大學