專利名稱：集成硅微電阻式加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是屬于測試傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種集成硅微電阻式加速度傳感器。
加速度傳感器是測量各種機械、車輛、船舶航空和航天器的運動參數(shù)和震動數(shù)據(jù)的常用傳感器，傳統(tǒng)的加速度傳感器結(jié)構(gòu)有壓電式。它由一個或更多的裝在質(zhì)量塊下的壓電片，并通過彈簧壓緊在一個相當厚的金屬基座上，其外有保護壓電片的殼體，在一定頻率范圍內(nèi)，壓電片所呈現(xiàn)的電荷量將和傳感器所承受的加速度成正比。如外體固定型的彈簧與殼體禁固在一起，基座、殼體是彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)的一部分，其缺點是外界的溫度、噪聲和試件的變形將由外殼及基座反應(yīng)而影響加速度的輸出，其輸出的信號小，輸出阻抗高。另外，還有應(yīng)變式加速度傳感器，采用質(zhì)量塊、彈性梁、應(yīng)變計、基座和殼體結(jié)構(gòu)。雖然克服壓電式加速度傳感器的上述缺點，但是其結(jié)構(gòu)使制作的加速度傳感器較大，影響了使用范圍。
隨著大規(guī)模集成電路，芯片制造技術(shù)，及近幾年來微機械加工技術(shù)的發(fā)展。產(chǎn)生了在硅晶片(半導(dǎo)體)上形成金屬薄膜，經(jīng)刻蝕制造出了半導(dǎo)體加速度傳感器。中國專利97114505.9和9711322是一種半導(dǎo)體加速度傳感器和其制造方法。它是由懸臂梁、質(zhì)量塊、上下?lián)鯄K，梁上有擴散電阻，以及基座和殼體所構(gòu)成，整個測量構(gòu)件裝在一個陶瓷片上，其懸臂梁采用半導(dǎo)體材料，用微細加工切割而成，另加裝一個質(zhì)量塊。由于是采用的是變形梁、質(zhì)量塊等分體結(jié)構(gòu)組裝而成，其抗過載能力較差，使用時的耐用性和可靠性也比較差。僅適用在單向加速度的測量，在測量三維方向及任一方向時，要用三個傳感器，要求其安裝的精度高，由于不在同一點上，其測量的誤差較大。
本實用新型的目的是克服以上所述的加速度傳感器所存在的不足及其缺點，提供一種測量部分為整體結(jié)構(gòu)，抗過載能力強，并能夠進行三維加速度測量的集成硅微電阻式加速度傳感器。
本實用新型所提供的一種集成硅微電阻式加速度傳感器，包括基座，裝在基座上起保護作用的殼體，由應(yīng)力敏感部分，質(zhì)量塊體部分，壓敏電阻及電橋電路所構(gòu)成的檢測芯片；其特征是所述的檢測芯片在其中心是微動的質(zhì)量塊，在質(zhì)量塊周圍對稱分布著二、四或者八根用于支承質(zhì)量塊，所述敏感部分為應(yīng)變梁。
以上所述的一種集成硅微壓阻式加速度傳感器，其特征是所述質(zhì)量塊與應(yīng)變梁為采用微機械加工成型的一整片單晶硅片所構(gòu)成。
以上所述的一種集成硅微電阻式加速度傳感器，其特征是所述的質(zhì)量塊為一個正菱臺體，其四個側(cè)面與底面均有為α的夾角，而支承應(yīng)變梁的外圍邊為梯形，內(nèi)側(cè)面與底面有為β的夾角。
以上所述的一種集成硅微電阻式加速度傳感器，其特征是所述的壓敏電阻為采用離子注入磷至硅片上的電阻結(jié)構(gòu)，其位置在每根梁上的最大應(yīng)力點處。
所述的一種集成硅微電阻式加速度傳感器，其特征是所述的壓敏電阻分別組成測量X、Y、Z三個方向加速度的電橋電路，其R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=R12=R13=R,R9=R10=R11=4R且R9,R10,R11,R12,R13為在芯片外邊緣上的固定電阻。
本實用新型所提供的一種集成硅微電阻式加速度傳感器。它與懸臂梁、質(zhì)量塊、上下?lián)鯄K，梁上有擴散電阻，以及基座和殼體所構(gòu)成的，整個測量構(gòu)件裝在一個陶瓷片上，其懸臂梁采用半導(dǎo)體材料，用微細加工切割而成，分體結(jié)構(gòu)組裝而成的加速度傳感器比較?？朔舜嬖诘钠淇惯^載能力較差，使用時的耐用性和可靠性也比較差。僅適用在單向加速度的測量，在測量三維方向及任一方向時，要用三個傳感器，要求其安裝的精度高，由于不在同一點上，其測量的誤差較大的不足及其缺點。而本實用新型是一種測量部分為整體結(jié)構(gòu)，過載能力強，可進行單向及三維測量加速度的傳感器。
在加速度測量傳感器部分，采用Ansys分析軟件進行了仿真計算。雖結(jié)構(gòu)為二維對稱，但受力不對稱，且為了分析結(jié)構(gòu)對三軸加速度的可分離性，所以對整體結(jié)構(gòu)進行了仿真計算，圖10為加速度傳感器的有限元模型，選取Solid 45八結(jié)點3D單元，所有單元均為標準長方體結(jié)構(gòu)，長寬高的比值接近于1，共8868個單元，10080個結(jié)點。材料特性按如下計算彈性模量Ex=130×10^9Pa，剪切模量G=79×10^9Pa，密度2.33×10^3Kg/m^3，泊松比0.18。圖11、圖12和圖13為分別受x,y,z單向載荷的情況下結(jié)構(gòu)的變形圖，以及圖14為x,y,z三方向合成載荷的情況下結(jié)構(gòu)的變形圖。圖15為位移曲線。圖16為應(yīng)力曲線。仿真結(jié)果與檢測結(jié)果相近，其單值誤差在10％范圍內(nèi)，并驗證了在微米級的受力狀態(tài)與尺度效應(yīng)關(guān)系不大的理論。經(jīng)以上計算機仿真分析結(jié)果，本發(fā)明提供的一種集成硅微電阻式加速度傳感器具有很好的可靠性和耐用性。


圖1是集成硅微電阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是二根變形梁加速度傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是四根變形梁加速度傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是八根變形梁加速度傳感器芯片結(jié)構(gòu)主視圖；圖5是八根變形梁加速度傳感器芯片結(jié)構(gòu)剖視圖；圖6是八根變形梁加速度傳感器芯片上電阻、導(dǎo)線布置圖；圖7是x向電橋電路圖；圖8是y向電橋電路圖；圖9是z向電橋電路圖；圖10是加速度傳感器的有限元模型；圖11是x單向載荷的情況下結(jié)構(gòu)的變形圖；圖12是y單向載荷的情況下結(jié)構(gòu)的變形圖；圖13是z單向載荷的情況下結(jié)構(gòu)的變形圖；圖14是x,y,z三方向合成載荷的情況下結(jié)構(gòu)的變形圖；圖15是位移曲線圖；圖16是應(yīng)力曲線圖；圖17是x軸受力時力學模型圖；圖18是y軸受力時力學模型圖；圖19是z軸受力時力學模型以下結(jié)合附圖詳細說明本實用新型的典型實施例。
圖1，一種集成硅微電阻式加速度傳感器，包括基座1，裝在基座上起保護作用的殼體2，由應(yīng)力敏感部分，質(zhì)量塊體部分，壓敏電阻及電橋電路所構(gòu)成的檢測芯片3；圖2、圖3和圖4是所述的檢測芯片，在其中心是微動的質(zhì)量塊4，在質(zhì)量塊周圍對稱分布著所述的敏感部分，為二、四或者八根用于支承質(zhì)量塊的應(yīng)變梁5。其質(zhì)量塊與應(yīng)變梁為采用微機械加工成型的一整片單晶硅片所構(gòu)成。
圖5，所示加速度傳感器芯片中的質(zhì)量塊為一個正菱臺體，(也可為圓錐臺形)其四個側(cè)面與底面均有為α的夾角，而支承應(yīng)變梁的外圍邊為梯形，內(nèi)側(cè)面與底面有為β的夾角。其α和β最好的夾角均為54.7°。
圖6，電阻式加速度傳感器，所述的壓敏電阻6為采用磷離子注入至硅片上的電阻結(jié)構(gòu)，其位置在每根梁上的最大應(yīng)力點處。對用于支承質(zhì)量塊的八根應(yīng)變梁來說其最大應(yīng)力點處，可由以下計算方法確定力學結(jié)構(gòu)參數(shù)計算加速度計質(zhì)量塊由EPW各向異性腐蝕得到。加速度傳感器的質(zhì)量塊為一正四棱臺，四棱臺的四個側(cè)面與底面的夾角均為54.7°，如圖5所示。上底邊長為a1，下底邊長為b，高度為H，質(zhì)量塊的體積為V，質(zhì)量塊的質(zhì)量為m，中心與xoy平面的距離為zc。梁長為l，寬度為w，厚度為h，兩根梁中心之間的間距為a2，質(zhì)心到上表面的距離為zC。
取a1=800μm,l=750μm,H=340μm,w=68μm,h=40μm,a2=400μm質(zhì)量塊下底寬度b=a1-2×H/tg54.70=800×10-6-2×(300×10-6)/tg54.70=375×10-6m質(zhì)量塊體積V=1/3H(a12+b2+a1b)=1.08×10-10m3質(zhì)量塊的質(zhì)量m=2.33×10-3V=2.49×10-7kg質(zhì)量塊質(zhì)心的位置Zc=1.02×10-4m一個任意方向的加速度a可在x、y、z三個方向分解為ax、ay、az三個加速度分量。當加速度計受到任意加方向的速度a作用時，受力分析如下以下各式中E-楊氏彈性模量<100>E=1.3×1011pa；G-剪切彈性模量<100>G=7.9×107Pa；μ-泊松比<100>μ=0.18；A．只承受x方向的加速度ax時，把加速度分解為兩項(一)受y平面內(nèi)慣性力-max作用，變形對稱于x軸，如下圖17所示。受力情況對稱于x軸，在y軸兩側(cè)梁的受力大小相等，方向相反。所以只需分析結(jié)構(gòu)的四分之一的受力情況，梁1-2,3-4，梁3-4受力情況在梁3處受到軸向壓力N3=EwhlΔx]]>在梁4處受到軸向壓力N4=N33,4處受壓應(yīng)力σ3xi=σ4xi=-N3/wh梁3-4受最大應(yīng)力σ3-4ximax=σ3xi=σ4xi梁1-2的受力情況梁2處受剪力Q2xi=Ehw3l3Δx]]>梁1處受剪力Q1xi=Q2xi梁2處的彎矩M2xi=maxlw2l28(1+w2l2)]]>梁1處的彎矩M1xi=M2xi梁1,2處受最大應(yīng)力σ1xi=M1i/hw2=σ2xi，發(fā)生在側(cè)面梁1-2受最大應(yīng)力σ1-2ximax=σ1xi=σ2x其中Δx為質(zhì)量塊在x方向的位移，Δx=max4Ewhl(1+w2l2)]]>(二)受繞y軸慣性力矩-mayzC作用，變形對稱于x軸，如下圖18所示。所以只需分析結(jié)構(gòu)的四分之一，梁1-2,3-4，梁1-2的受力情受力情況對稱于x軸，在y軸兩側(cè)梁的受力大小相等，方向相反況1,2處受剪力Q1xm=Q2xm=Ewh3a22l3θy]]>梁2處受彎矩M2ym=Ewh3a24l2θy]]>梁1處受彎矩M1xm=M2xm梁上1處最大應(yīng)力發(fā)生在梁頂σ1xm=-M1xmwh26]]>梁上2處最大應(yīng)力發(fā)生在梁頂σ2xm=M2xmwh26]]>梁1-2受最大應(yīng)力σ1-2xmmax=σ1xm=σ2xm梁1-2受扭矩作用MTx12=Gwh33lθy]]>剪應(yīng)力在梁1-2截面相同τx1=MTx1213wh2τx2]]>最大剪力發(fā)生在梁頂中點τmax=MTx120.25wh2]]>梁3-4的受力情況3,4處受剪力Q3xm=Q4xm=Ewh32l3(a1+l)θy]]>梁3處受彎矩M3xm=Ewh312l3(3a1+2l)θy]]>梁4處受彎矩M4xm=Ewh312l2(3a1+4l)θy]]>在梁3處最大壓應(yīng)力σ3xm=-|M3xm|wh26]]>在梁4處最大拉應(yīng)力σ4xm=-|M4xm|wh26]]>梁3-4受最大應(yīng)力σ3-4xmmax=σ3xm=σ4xm其中θy為質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)角，θy=3maxzcl3wh3[E(6a1l+3a12+4l2)+3a22E+4Gl2]]]>B．承受y方向加速度ay(一)受xoy平面內(nèi)慣性力-may作用，變形對稱于y軸。受力情況對稱于y軸，在x軸兩側(cè)梁的受力大小相等，方向相反。所以只需分析結(jié)構(gòu)的四分之一，梁1-2,3-4，梁1-2的受力情況梁1-2受軸向壓力N1=N2=EwhlΔy]]>梁1-2受軸向壓應(yīng)力σ1yi=σ2yi=-N1/wh2梁1-2受最大應(yīng)力σ1-2yimax=σ1yi=σ2yi梁3-4的受力情況3,4處受剪力Q3yi=Q4yi=Ew3hl3Δy]]>梁3處彎矩M3yi=maylw2l28(1+w2l2)]]>梁4處彎矩M4yi=M3yi梁3,4處受最大應(yīng)力發(fā)生在梁的側(cè)面σ3yi=σ4yi=M3yiw2h6]]>梁3-4受最大應(yīng)力σ3-4yimax=σ3yi=σ4yi其中Δy為質(zhì)量塊在y方向的位移，Δy=may4Ewhl(1+w2l2)]]>(二)受繞x軸慣性力矩-mayzC作用，變形對稱于x軸。受力情況對稱于y軸，在x軸兩側(cè)梁的受力大小相等，方向相反。所以只需分析結(jié)構(gòu)的四分之一，梁1-2,3-4，梁3-4受力梁3,4處剪力Q3ym=Q4ym=Ewh32l3θy]]>梁3處彎矩M3ym=Ewh34l2θx]]>梁4處彎矩M4ym=Ewh34l2θx]]>梁3處上表面最大拉應(yīng)力σ3ym=M3ymwh26]]>梁4處上表面最大壓應(yīng)力σ4ym=-M4ymwh26]]>梁3-4受最大應(yīng)力σ3-4ymax=σ3ym=σ4ym梁3-4受扭矩作用MTy34=Gwh33lθx]]>扭矩引起的剪應(yīng)力在梁3-4上各截面相同τx3=MTy3413wh2=τx4]]>最大剪力發(fā)生在梁頂中點τmax=WT340.25wh2]]>梁1-2的受力1,2處剪力Q1ym=Q2ym=Ewh32l3(a1+l)θy]]>梁1處彎矩M1ym=-Ewh312l2(3a1+2l)θx]]>梁2處彎矩M2ym=-Ewh312l3(3a1+4l)θx]]>梁1處上表面最大拉應(yīng)力σ1ym=M1ymwh26]]>梁2處上表面最大壓應(yīng)力σ2ym=-M2ymwh26]]>梁1-2受最大應(yīng)力σ1-2ymmax=σ1ym=σ2ym其中θx為質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)角，θx=3mayzcl3wh3[E(6a1l+3a12+4l2)+3a22E+4Gl2]]]>C．承受z方向加速度az，結(jié)構(gòu)受力變形如圖19所示。每根梁受力情況相同，只分析其中之一，梁1-2梁1,2受剪力σ1z=σ2z=maz/8梁1處的彎矩M1z=maz1/16梁2處的彎矩M2z=maz1/16梁1處的最大壓應(yīng)力σ1x=-M1zwh26]]>梁2處的拉應(yīng)力σ2z=M2zwh26]]>梁1-2受最大應(yīng)力σ1-2zmax=σ1z=σ2z圖6，所述的壓敏電阻分別組成測量X、Y、Z三個方向的電橋電路，其R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=R12=R13=R,R9=R10=R11=4R且R9,R10,R11,R12,R13為在芯片外邊緣上的固定電阻。電橋用恒壓電源Ui激勵，Ui=5V，圖7，圖8和圖9所示，并具有測量X,Y,Z，三個方向的加速度電橋電路分別如下(1)、X方向的電橋電路，由R7,R8,R12,R13組成串聯(lián)回路，其中，在R7與R8之間抽頭E,R12與R13之間抽頭D，并在R7與R12之間和R8與R13之間抽頭為激勵電源的供電端Ui；而E與D兩個端頭為X向加速度測量輸出端。
(2)、Y方向的電橋電路，由R5,R6,R12,R13組成串聯(lián)回路，其中，在R5與R6之間抽頭C,R12與R13之間抽頭D，并在R5與R12之間和R6與R13之間抽頭為激勵電源的供電端Ui；而C與D兩個端頭為Y向加速度測量輸出端。
(3)、Z方向的電橋電路，由R1,R2,R3,R4先串聯(lián)后，再與R11,R10,R9組成串聯(lián)回路；其中，在R4與R11間抽頭A,R10與R9之間抽頭B，并在R11與R10之間和R9與R1之間抽頭為激勵電源的供電端Ui；而A與B兩個端頭為Z向加速度測量輸出端。
本實用新型所提供的三維加速度傳感器已經(jīng)可靠地用于汽車的碰撞實驗。
權(quán)利要求1.一種集成硅微電阻式加速度傳感器，包括基座(1)，裝在基座上起保護作用的殼體(2)，由應(yīng)力敏感部分，質(zhì)量塊體部分，壓敏電阻及電橋電路所構(gòu)成的檢測芯片(3)；其特征是所述的檢測芯片在其中心是微動的質(zhì)量塊(4)，在質(zhì)量塊周圍對稱分布著二、四或者八根梁，用于支承質(zhì)量塊，所述敏感部分為梁(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成硅微壓阻式加速度傳感器，其特征是所述質(zhì)量塊與應(yīng)變梁為采用微機械加工成型的一整片單晶硅片所構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種集成硅微電阻式加速度傳感器，其特征是所述的質(zhì)量塊為一個正菱臺體，其四個側(cè)面與底面均有為α的夾角，而支承應(yīng)變梁的外圍邊為梯形，內(nèi)側(cè)面與底面有為β的夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種集成硅微電阻式加速度傳感器，其特征是所述的壓敏電阻(6)為采用磷離子注入至硅片上的電阻結(jié)構(gòu)，其位置在每根梁上的最大應(yīng)力點處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的一種集成硅微電阻式加速度傳感器，其特征是所述的壓敏電阻分別組成測量X、Y、Z三個方向加速度的電橋電路，其R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=R12=R13=R,R9=R10=R11=4R且R9,R10,R11,R12,R13為在芯片外邊緣上的固定電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成硅微電阻式加速度傳感器，其特征是X,Y,Z，三個方向的加速度電橋電路分別如下(1)、X方向的電橋電路，由R7,R8,R12,R13組成串聯(lián)回路，其中，在R7與R8之間抽頭E,R12與R13之間抽頭D，并在R7與R12之間和R8與R13之間抽頭為激勵電源的供電端Ui；而E與D兩個端頭為X向加速度測量輸出端。(2)、Y方向的電橋電路，由R5,R6,R12,R13組成串聯(lián)回路，其中，在R5與R6之間抽頭C,R12與R13之間抽頭D，并在R5與R12之間和R6與R13之間抽頭為激勵電源的供電端Ui；而C與D兩個端頭為Y向加速度測量輸出端。(3)、Z方向的電橋電路，由R1,R2,R3,R4先串聯(lián)后，再與R11,R10,R9組成串聯(lián)回路；其中，在R4與R11間抽頭A,R10與R9之間抽頭B，并在R11與R10之間和R9與R1之間抽頭為激勵電源的供電端Ui；而A與B兩個端頭為Z向加速度測量輸出端。
專利摘要本實用新型所提供的一種集成硅微電阻式加速度傳感器,包括基座、殼體,由八根為應(yīng)變梁支承的質(zhì)量塊,壓敏電阻及電橋電路所構(gòu)成檢測芯片,測量部分為整體結(jié)構(gòu),采用微機械專用雙拋硅晶片?？惯^載能力強,用一個傳感器可一維到三維和任意方向的加速度檢測。
文檔編號G01P15/00GK2438607SQ00248228
公開日2001年7月11日 申請日期2000年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月25日
發(fā)明者張文棟, 李永紅, 熊繼軍, 董海峰, 劉俊, 郭濤, 張斌珍, 孟令軍 申請人:華北工學院微米納米技術(shù)研究中心