專利名稱：一種基于自諧振技術的硅微二維加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于MEMS傳感器技術領域，尤其涉及一種基于自諧振技術的硅微二維加速度傳感器。
背景技術：
目前，單軸微型加速度傳感器的技術比較成熟。但在一些特殊的應用場合，如飛行器姿態(tài)控制、導彈制導、戰(zhàn)場機器人等，往往需要檢測兩個方向的加速度。早期的二維微型加速度傳感器，大多是兩個單軸微型加速度傳感器的組合，即是將兩只單軸微型加速度傳感器相互正交裝配在一起，這種組裝的二維微型加速度傳感器的性能受裝配精度的影響極大、一致性差、集成度低、體積較大，且不能批量加工。隨著MEMS工藝水平的不斷提高，出現了在同一基片上制作兩個獨立加速度傳感器的二維微型加速度傳感器，實現了二維微型加速度傳感器的批量加工，提高了集成度，但是芯片面積較大。隨著研究的深入，近年來出現了采用單敏感質量元檢測兩個方向加速度的實施方案，它以其集成度高、體積小，相對易于實現主軸靈敏度一致的優(yōu)勢受到諸多MEMS研究者的青睞。但是，無論是組合式、在同一基片上制作兩個獨立的加速度傳感器還是采用單敏感質量元的二維微型加速度傳感器，都存在交叉干擾嚴重、主軸靈敏度不一致等問題。因此，探索新原理、新結構的二維微型加速度傳感器具有重要的理論意義。

發(fā)明內容
針對現有技術中存在的上述不足，本發(fā)明提供了一種基于自諧振技術的硅微二維加速度傳感器。本發(fā)明采用了如下技術方案一種基于自諧振技術的硅微二維加速度傳感器，包括襯底、固定支撐、慣性質量塊、PN結和諧振微梁；所述固定支撐為筒狀結構，固定支撐的底端固定在襯底上；所述慣性質量塊為苜蓿葉形狀，慣性質量塊通過四周凹腔內分別設置的、呈對稱結構的諧振微梁懸掛于固定支撐的中部，并位于襯底的正上方；所述諧振微梁通過固定支撐與襯底歐姆接觸；所述PN結為四個，對稱設置在襯底上，每個PN結位于一個諧振微梁的正下方，并與諧振微梁對應。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述諧振微梁的一端連接在慣性質量塊的凹腔內正中部，另一端連接在固定支撐上。本發(fā)明提供的一種基于自諧振技術的硅微二維加速度傳感器，與現有的技術相比，具有如下優(yōu)點
1、基于自諧振技術，在不需要加工高精度光學諧振腔(如法布里-珀羅(Fabry-Perot) 干涉腔)的情況下實現諧振微梁的光激振，并通過諧振微梁的差分頻率檢測實現對加速度的測量。
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2、整體呈對稱微結構，確保了傳感器在兩個檢測方向靈敏度一致；傳感器直接輸出頻率信號，可與數字電路及計算機直接接口，省去A/D轉化，處理電路簡化；頻率信號具有高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，不易產生失真誤差，功耗低；使用單個非調制光源完成激勵， 不需用外電路鎖定激勵光的調制頻率并使之與振動元件的固有頻率相同，減小了系統的復雜性，提高了可靠性；同時，激勵源與振動元件之間無機械接觸，靈敏度高、精度高。3、采用苜蓿葉形狀的慣性質量塊，能夠在有限體積下實現較大的敏感質量，使加速度高效轉化為慣性力。同時，能在相同面積內制作出相對較長的諧振微梁。


圖1為基于自諧振技術的硅微二維加速度傳感器的結構示意圖； 圖2為圖1中沿A-A方向的剖面視圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細地說明。圖1為基于自諧振技術的硅微二維加速度傳感器的結構示意圖，圖2為圖1中沿 A-A方向的剖面視圖，如圖所示。一種基于自諧振技術的硅微二維加速度傳感器，包括襯底 1、固定支撐2、慣性質量塊3、PN結4和諧振微梁5。固定支撐2為筒狀結構，固定支撐2的底端固定在襯底1上，本實施例中，襯底1為矩形結構，固定支撐2的橫截面也為矩形結構， 固定支撐2的底端通過襯底1將底端密封。慣性質量塊3為苜蓿葉形狀(即慣性質量塊3為矩形結構，在慣性質量塊的四周中部分別設有內凹結構的凹腔)，慣性質量塊3通過四周凹腔內分別設置的、呈對稱結構的諧振微梁5懸掛于固定支撐2的中部(諧振微梁5的一端連接在慣性質量塊3的凹腔內，并位于凹腔正中部，以防止質心偏移，另一端連接在固定支撐 2上)，并位于襯底1的正上方。諧振微梁5與襯底1是摻雜濃度相同的N型多晶硅，諧振微梁5通過固定支撐2與襯底1歐姆接觸。PN結4為四個，對稱設置在襯底1上，每個PN結 4位于一個諧振微梁5的正下方(即每個諧振微梁5的正下方正對一個PN結)，并與諧振微梁5對應。圖2為圖1中沿A-A方向的剖面視圖，即為該加速度傳感器的橫截面視圖，以該圖 2的左右為Z軸方向，前后為_7軸方向，并以右側為Z軸的正向，后側為_7軸正向。當慣性質量塊3受到慣性力作用時，沿慣性力方向的一組諧振微梁承受軸向拉力或壓力，從而改變了諧振微梁的諧振頻率(諧振頻率的變化受待測加速度調制)；與慣性力垂直方向的一組諧振微梁承受橫向力作用，變形一致，諧振頻率差值為零。具體地，加速度& (假定沿Z軸負向)作用，諧振微梁51承受軸向拉力，諧振頻率增加；諧振微梁52承受軸向壓力，諧振頻率下降，通過檢測諧振微梁51、52的頻率差即可獲取加速度^。此時諧振微梁5354承受橫向力作用，變形一致，諧振頻率差值為零。同理，加速度 (假定沿_7軸負向)作用，諧振微梁53承受軸向拉力，諧振頻率增加；諧振微梁M承受軸向壓力，諧振頻率下降，通過檢測諧振微梁53、54的頻率差即可獲取加速度 。此時諧振微梁51、52承受橫向力作用，變形一致，諧振頻率差值為零。再通過光學或電學等方法拾取諧振頻率差，實現對加速度的測量。
光激勵諧振式微傳感器的研制，關鍵是要實現由光激引起的諧振元件振動。按照入射激勵光的調制特性，光激方式有兩種一種是使用光強被正弦調制的光源激勵，諧振元件吸收光能，并將光能轉換為機械振動能；另一種是使用非調制的光源激勵，諧振元件不直接吸收光能，即所謂的自諧振技術。本發(fā)明采用自諧振技術，通過在一個振動周期內光能、 電能、機械能相互轉換的機制來維持振動，其核心是通過光生載流子產生的靜電引力將光能轉換為諧振微梁振動的機械能。當有入射光照射時，PN結首先產生光生載流子，在諧振微梁與PN結的P區(qū)之間產生電荷堆積，將光能轉換為電能，在靜電吸引力的作用下，諧振微梁向PN結方向彎曲，即電能轉換為機械能，諧振微梁彎曲同時改變了入射光束的干涉條件，減少PN結接收到的入射光強，即使得光生載流子數目減少，靜電吸引力減小，諧振微梁在自身彈性力的作用下恢復到初始位置，這就是諧振微梁在一個周期內的變化。在足夠的光照和適當的相位關系下，諧振微梁周期的彎曲演變?yōu)橹C振。振動過程的能量損耗由入射光能補充。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種基于自諧振技術的硅微二維加速度傳感器，其特征在于包括襯底(1)、固定支撐(2)、慣性質量塊(3)、PN結(4)和諧振微梁(5);所述固定支撐(2)為筒狀結構，固定支撐 (2)的底端固定在襯底(1)上；所述慣性質量塊(3)為苜蓿葉形狀，慣性質量塊(3)通過四周凹腔內分別設置的、呈對稱結構的諧振微梁(5)懸掛于固定支撐(2)的中部，并位于襯底 (1)的正上方；所述諧振微梁(5)通過固定支撐(2)與襯底(1)歐姆接觸；所述PN結(4)為四個，對稱設置在襯底(1)上，每個PN結(4)位于一個諧振微梁(5)的正下方，并與諧振微梁(5)對應。
2.根據權利要求1所述的基于自諧振技術的硅微二維加速度傳感器，其特征在于所述諧振微梁(5 )的一端連接在慣性質量塊(3 )的凹腔內正中部，另一端連接在固定支撐(2 ) 上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于自諧振技術的硅微二維加速度傳感器，包括襯底、筒狀結構的固定支撐、苜蓿葉形狀的慣性質量塊、PN結和諧振微梁；慣性質量塊通過四個對稱的諧振微梁懸掛于支撐架的中部，并位于襯底的正上方；四個PN結對稱設置在襯底上，并分別位于四根諧振微梁的正下方。該傳感器在不需要加工高精度光學諧振腔的情況下基于自諧振技術實現諧振微梁的光激振，并通過諧振微梁的差分頻率檢測實現對加速度的測量；整體呈對稱微結構，確保在兩個檢測方向靈敏度一致；能在有限體積下實現較大的敏感質量；直接輸出頻率信號，具有高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，處理電路簡化；激勵源與振動元件之間無機械接觸，靈敏度高、精度高。
文檔編號G01P15/18GK102507980SQ201110341468
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權日2011年11月2日
發(fā)明者劉妤 申請人:重慶理工大學