專利名稱：基于RTS的MEMS面內(nèi)高g加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及MEMS傳感器，具體是一種基于RTS (共振隧穿結構)的MEMS面內(nèi)高g 加速度傳感器。
背景技術：
現(xiàn)有MEMS高g加速度傳感器的結構多采用懸臂梁-質(zhì)量塊結構，在懸臂梁上設置 敏感元件，由質(zhì)量塊敏感加速度。主要用于測量與傳感器所在平面垂直方向上的加速度，即 當傳感器受到垂直于本身的加速度作用時，質(zhì)量塊將在加速度方向上產(chǎn)生與加速度大小對 應的位移，此時懸臂梁將會發(fā)生彎曲變形，并在其表面產(chǎn)生拉應力(或壓應力)，進而致使位 于懸臂梁表面的敏感元件的阻值增大(或減小)，通過測量阻值的變化就可測得加速度的變 化情況。雖然將敏感元件制作在懸臂梁的側(cè)面也可以實現(xiàn)水平方向(即與傳感器所在平面 平行的方向)上加速度的測量，但是由于其加工工藝復雜，加工精度、一致性、成品率低，實 現(xiàn)極為不易，且成品檢測精度低，無法滿足當前科技發(fā)展進程的使用需要。此外，懸臂梁上設置的敏感元件多采用通過高摻雜工藝制作的壓敏電阻，摻雜制 作時，載流子濃度越高，受溫度影響越大，當工作溫度超過120°C時，會最終導致MEMS傳感 器的特性嚴重失效。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有MEMS高g加速度傳感器結構不易實現(xiàn)水平方向加速度測量、 受工藝條件限制不易實現(xiàn)傳感器三軸向集成、檢測結果易受溫度影響等問題，提供了一種 基于RTS的MEMS面內(nèi)高g加速度傳感器。本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的基于RTS的MEMS面內(nèi)高g加速度傳感器，包 括硅基框架、支懸于硅基框架內(nèi)的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊一側(cè)通過獨立支撐梁與硅基框架固定，相 對側(cè)通過兩平行設置的組合梁與硅基框架固定，獨立支撐梁與組合梁平行，且獨立支撐梁 沿質(zhì)量塊中心線設置，兩組合梁以質(zhì)量塊中心線為對稱軸對稱設置；所述組合梁包含檢測 梁、分別設置于檢測梁兩端用以實現(xiàn)檢測梁與質(zhì)量塊、硅基框架固定的兩連接梁，檢測梁上 設有應變壓敏元件，檢測梁的厚度及寬度小于連接梁；獨立支撐梁、質(zhì)量塊、及組合梁中的 連接梁為等厚設置；硅基框架上設有兩基準壓敏元件，硅基框架上的基準壓敏元件與檢測 梁上的應變壓敏元件連接構成惠斯通半橋，所述基準壓敏元件與應變壓敏元件為共振隧穿 結構RTS。當傳感器受到與傳感器所在平面平行方向上的加速度(即面內(nèi)加速度)時，質(zhì)量塊 將在加速度方向上產(chǎn)生與加速度大小對應的位移，支撐梁和組合梁上應力變化；組合梁中 檢測梁的尺寸小于連接梁和支撐梁，因此應力變化主要產(chǎn)生在檢測梁上，導致檢測梁上應 變敏感元件的參數(shù)變化，通過檢測梁上的應變敏感元件和硅基框架上的基準敏感元件連接 組成惠斯通半橋，可測得加速度方向上檢測梁的應力變化，進而確定水平向加速度的變化 情況。
其中，當質(zhì)量塊敏感到加速度時，檢測梁上應力變化分為1、傳感器所在平面內(nèi)沿 檢測梁方向上的應力變化；2、傳感器所在平面內(nèi)沿與檢測梁垂直方向上的應力變化；3、沿 與傳感器所在平面垂直方向的應力變化；應力變化1、2由加速度的水平向分量引起，應力 變化3由加速度的垂直向分量引起。檢測梁上應變敏感元件的參數(shù)變化受上述應力變化共 同影響，為避免上述應力變化對應變敏感元件的影響相互抵消，導致惠斯通半橋輸出無效， 因此，在應用本發(fā)明所述結構時，應在獨立支撐梁、質(zhì)量塊、檢測梁、組合梁等尺寸確定的情 況下，通過改變檢測梁于組合梁中的設計位置，使應力變化2、3對應變敏感元件的影響相 抵消或最小化，進而使檢測梁僅在自身設置方向上具有形變，即使檢測梁上應變敏感元件 的參數(shù)變化僅與傳感器所在平面內(nèi)沿檢測梁方向上的應力變化相關；這樣，惠斯通半橋的 輸出直接就反映了傳感器所在平面內(nèi)水平向加速度的大小及變化情況，而且利于較大幅度 地提高傳感器本身的靈敏度和固有頻率。通過對本發(fā)明結構進行仿真實驗，在理論上驗證了本結構一階振型和加速度檢 測水平向的方向相同，且具有較高的一階固有頻率，同時本結構還有效地拉開了傳感器一 階振型固有頻率與二階振型固有頻率的差距，避免檢測時發(fā)生交叉耦合(即橫向靈敏度過 大)，有利于減小加速度傳感器的測試誤差，提高了傳感器的敏感軸方向上輸出的精度，滿 足高g值加速度傳感器的應用要求。應用ANSYS有限元分析軟件對本發(fā)明所述傳感器結構按如下表表1尺寸參數(shù)進行 模態(tài)仿真分析，其仿真的結果如下1、一階模態(tài)的固有頻率為340KHZ，質(zhì)量塊的振動沿水 平向Y軸振動；2、二階模態(tài)的固有頻率為670 KHz，質(zhì)量塊的振動沿垂直向Z軸振動；3、三 階模態(tài)的固有頻率為961 KHz，質(zhì)量塊繞X軸轉(zhuǎn)動。由此可知，本發(fā)明所述傳感器結構的一 階固有頻率為340KHz，且一階振型為沿水平向Y軸振動，與加速度檢測方向相同，且頻響大 于ΙΟΚΗζ。其次，對結構加載15萬g載荷進行靜力學分析，計算出檢測梁上的等效應力最大 能達到220MPa左右，小于340MPa，完全滿足設計要求。 表1
硅基框架獨立支撐梁質(zhì)量塊連接梁1連接梁2檢測梁長度(um)1800300600200250100寬度(um)30020035010010050厚度(um)35025025025025080
與組合梁共同支撐質(zhì)量塊的獨立支撐梁，能避免質(zhì)量塊由于自身的重力或者所受到過 大沖擊載荷作用時結構發(fā)生破壞性失效；同時，獨立支撐梁的存在使結構的水平向剛度要 遠小于垂直向剛度，有利于降低傳感器的交叉耦合。共振隧穿結構RTS采用GaAs材料、以硅基異質(zhì)外延GaAs工藝制作獲得，利用超晶 格薄膜壓阻效應敏感應力變化，其超晶格阱區(qū)和壘區(qū)不摻雜載流子，受溫度影響較小，可有 效降低溫度對傳感器特性的影響，避免傳感器特性的嚴重實效。所述獨立支撐梁與質(zhì)量塊固定的端部、獨立支撐梁與硅基框架固定的端部、連接 梁與質(zhì)量塊固定的端部、連接梁與硅基框架固定的端部、檢測梁與連接梁固定的端部皆設 置有倒角；所述倒角設置的位置是應力集中且尖銳的區(qū)域，設置倒角可以在不改變應力大 小的基礎上有效地避免這些區(qū)域應力集中，降低這些區(qū)域處結構因應力集中而斷裂失效的 可能性，從而保證了結構在高g值環(huán)境中工作的可靠性。
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硅基框架在水平檢測方向(即與檢測梁垂直的水平方向)上正對的邊框的內(nèi)壁上 分別設有限位塊；這樣，可以使傳感器在經(jīng)受高沖擊時，其內(nèi)部結構不會因位移過大而發(fā)生 斷裂失效，增加了傳感器的安全性。本發(fā)明的基本結構采用現(xiàn)有經(jīng)典的懸臂梁-質(zhì)量塊結構，其敏感機理則采用超晶 格薄膜壓阻效應的敏感原理。但是與現(xiàn)有加速度傳感器相比，本發(fā)明的主要特點是用于測 量水平方向上的高g值加速度信號。本發(fā)明的主要意義在于通過實現(xiàn)水平方向上高g值加 速度信號的測量，可用于制作通過3個不同的單元Cr、八ζ三個方向檢測單元相互獨立，本 發(fā)明可用于檢測X、/兩個方向)分別檢測3個軸向的加速度的三維高g加速度傳感器，以 解決各軸向間加速度信號的耦合，真正地實現(xiàn)三軸向集成的加速度傳感器。本發(fā)明結構合理、簡單，能實現(xiàn)水平向加速度測量，且加工工藝簡單，受環(huán)境溫度 影響較小，在高溫環(huán)境下不易失效，易于實現(xiàn)三軸集成，具有良好的靈敏度和抗高過載能 力，適用于測量高g值的沖擊加速度。
圖1為本發(fā)明的結構示意圖； 圖2為圖1中的A處放大圖中1-硅基框架；2-質(zhì)量塊；3-獨立支撐梁；4-連接梁；5-檢測梁；6-應變壓敏元 件；7-基準壓敏元件；8-限位塊；9-倒角。
具體實施例方式如圖1所示，基于RTS的MEMS面內(nèi)高g加速度傳感器，包括硅基框架1、支懸于硅 基框架1內(nèi)的質(zhì)量塊2，質(zhì)量塊2 —側(cè)通過獨立支撐梁3與硅基框架1固定，相對側(cè)通過兩 平行設置的組合梁與硅基框架1固定，獨立支撐梁3與組合梁平行，且獨立支撐梁3沿質(zhì)量 塊2中心線設置，兩組合梁以質(zhì)量塊2中心線為對稱軸對稱設置；所述組合梁包含檢測梁 5、分別設置于檢測梁5兩端用以實現(xiàn)檢測梁5與質(zhì)量塊2、硅基框架1固定的兩連接梁4， 檢測梁5上設有應變壓敏元件6，檢測梁5的厚度及寬度小于連接梁4 ；獨立支撐梁3、質(zhì)量 塊2、及組合梁中的連接梁4為等厚設置；硅基框架1上設有兩基準壓敏元件7，硅基框架1 上的基準壓敏元件7與檢測梁4上的應變壓敏元件6連接構成惠斯通半橋，所述基準壓敏 元件7與應變壓敏元件6為共振隧穿結構RTS。所述獨立支撐梁3與質(zhì)量塊2固定的端部、獨立支撐梁3與硅基框架1固定的端 部、連接梁4與質(zhì)量塊2固定的端部、連接梁4與硅基框架1固定的端部、檢測梁5與連接 梁4固定的端部皆設置有倒角9 ；硅基框架1在水平檢測方向(即與檢測梁垂直的水平方向) 上正對的邊框的內(nèi)壁上分別設有限位塊8。
權利要求
1.一種基于RTS的MEMS面內(nèi)高g加速度傳感器，其特征在于包括硅基框架(1 )、支懸 于硅基框架(1)內(nèi)的質(zhì)量塊(2 )，質(zhì)量塊(2 ) —側(cè)通過獨立支撐梁(3 )與硅基框架(1)固定， 相對側(cè)通過兩平行設置的組合梁與硅基框架(1)固定，獨立支撐梁(3)與組合梁平行，且獨 立支撐梁(3)沿質(zhì)量塊(2)中心線設置，兩組合梁以質(zhì)量塊(2)中心線為對稱軸對稱設置； 所述組合梁包含檢測梁(5 )、分別設置于檢測梁(5 )兩端用以實現(xiàn)檢測梁(5 )與質(zhì)量塊(2 )、 硅基框架(1)固定的兩連接梁(4)，檢測梁(5)上設有應變壓敏元件(6)，檢測梁(5)的厚度 及寬度小于連接梁(4);獨立支撐梁(3)、質(zhì)量塊(2)、及組合梁中的連接梁(4)為等厚設置； 硅基框架(1)上設有兩基準壓敏元件(7)，硅基框架(1)上的基準壓敏元件(7)與檢測梁(4) 上的應變壓敏元件(6 )連接構成惠斯通半橋，所述基準壓敏元件(7 )與應變壓敏元件(6 )為 共振隧穿結構RTS。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于RTS的MEMS面內(nèi)高g加速度傳感器，其特征在于所述 獨立支撐梁(3)與質(zhì)量塊(2)固定的端部、獨立支撐梁(3)與硅基框架(1)固定的端部、連 接梁(4)與質(zhì)量塊(2)固定的端部、連接梁(4)與硅基框架(1)固定的端部、檢測梁(5)與 連接梁(4)固定的端部皆設置有倒角(9)。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于RTS的MEMS面內(nèi)高g加速度傳感器，其特征在于硅基 框架(1)在水平檢測方向上正對的邊框的內(nèi)壁上分別設有限位塊(8)。
全文摘要
本發(fā)明涉及MEMS傳感器，具體是一種基于RTS的MEMS面內(nèi)高g加速度傳感器。解決了現(xiàn)有MEMS高g加速度傳感器結構不易實現(xiàn)水平向加速度測量、檢測結果易受溫度影響等問題，包括硅基框架、質(zhì)量塊，質(zhì)量塊兩側(cè)分別通過獨立支撐梁、兩組合梁與硅基框架固定，獨立支撐梁沿質(zhì)量塊中心線設置，兩組合梁以質(zhì)量塊中心線為對稱軸對稱設置；組合梁含檢測梁、兩連接梁，檢測梁上設有應變壓敏元件，檢測梁的厚度及寬度小于連接梁；獨立支撐梁、質(zhì)量塊、組合梁中的連接梁為等厚設置。結構合理、簡單，能實現(xiàn)水平向加速度測量，加工工藝簡單，受環(huán)境溫度影響較小，在高溫環(huán)境下不易失效，易于實現(xiàn)三軸集成，適用于測量高g值的沖擊加速度。
文檔編號B81B3/00GK102141576SQ20101060924
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月28日 優(yōu)先權日2010年12月28日
發(fā)明者劉俊, 唐軍, 張賀, 石云波, 趙銳 申請人:中北大學