一種mems壓阻式加速度計(jì)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種MEMS壓阻式加速度計(jì)，包括：襯底、邊框、彈性梁以及通過(guò)彈性梁支懸于邊框中心位置的主質(zhì)量塊、支質(zhì)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(zhì)量塊設(shè)置于彈性梁上，且與彈性梁構(gòu)成異形彈性梁結(jié)構(gòu)；所述彈性梁的中間部位以及彈性梁與框架連接處設(shè)有多組壓敏電阻；所述主質(zhì)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(nèi)部有凹槽結(jié)構(gòu)，主質(zhì)量塊在凹槽內(nèi)部懸空，且在感測(cè)各方向的慣性力時(shí)自由運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型采用多根彈性梁?jiǎn)沃髻|(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)主質(zhì)量塊感受不同方向的慣性力時(shí)異形彈性梁的不同位置應(yīng)力的變化，有效減小了器件體積，同時(shí)具有靈敏度高、固有頻率高、抗高過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】—種MEMS壓阻式加速度計(jì)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及MEMS傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種異形梁三軸集成的MEMS壓阻式加速度計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]采用微機(jī)械電子技術(shù)(MEMS)加工的以硅為襯底、硅玻璃鍵合技術(shù)封裝的MEMS加速度計(jì)，可以廣泛應(yīng)用于航空、電子、汽車和機(jī)械領(lǐng)域的振動(dòng)和沖擊測(cè)量。隨著微機(jī)械電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的興起，加速度計(jì)逐漸向微型化、集成化發(fā)展。由于采用MEMS加工技術(shù)的微加速度計(jì)具有體積小、重量輕、成本低、功耗低和易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此有一定的市場(chǎng)價(jià)值和
軍事、民用前景。
[0003]常見(jiàn)的微加速度計(jì)產(chǎn)品都是單軸的，但微慣性系統(tǒng)以及其他一些應(yīng)用場(chǎng)合往往需要雙軸或者三軸的加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)加速度矢量，若僅使用三個(gè)單軸加速度計(jì)組合使用，會(huì)伴生矢量測(cè)量精度低、體積大的缺點(diǎn)。已有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)開(kāi)發(fā)多軸的微加速度計(jì)器件，有使用壓電原理研究三軸加速度計(jì)設(shè)計(jì)，但是器件存在精度低、穩(wěn)定性差的弱點(diǎn)；利用電容式原理開(kāi)發(fā)三軸加速度計(jì)，分別使用三個(gè)慣性質(zhì)量塊檢測(cè)三個(gè)軸向的加速度計(jì)，存在體積較大、質(zhì)心不重合的現(xiàn)象。硅壓阻式加速度計(jì)由于具有線性度好、外圍電路簡(jiǎn)單和抗高過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到關(guān)注和開(kāi)發(fā)，并且廣泛應(yīng)用于沖擊環(huán)境的加速度測(cè)量。
[0004]目前，壓阻式三軸加速度計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法主要有三種，第一種是將三個(gè)單軸的加速度計(jì)進(jìn)行組裝實(shí)現(xiàn)三軸測(cè)量功能，但此種方法實(shí)現(xiàn)的加速度計(jì)體積大，矢量測(cè)量精度低；第二種是分別將三軸加速度計(jì)加工在同一個(gè)芯片上，每個(gè)加速度計(jì)擁有獨(dú)立的質(zhì)量塊和懸臂梁結(jié)構(gòu)，但這種方式加工的加速度計(jì)工藝復(fù)雜，加工成本大；第三種是利用同一個(gè)質(zhì)量塊來(lái)感測(cè)三個(gè)方向的加速度信號(hào)，當(dāng)質(zhì)量塊感測(cè)到不同方向的加速度時(shí)，不同位置的電阻的阻值會(huì)發(fā)生變化，從而使由電阻構(gòu)成的惠斯通電橋的輸出電壓發(fā)生變化，進(jìn)而檢測(cè)到加速度的大小和方向。這三種方法實(shí)現(xiàn)的壓阻式加速度計(jì)各有利弊，針對(duì)第三種實(shí)現(xiàn)方法，現(xiàn)有的單質(zhì)量塊八懸臂梁結(jié)構(gòu)，垂直軸靈敏度較高而兩個(gè)水平軸的靈敏度較低，軸間橫向耦合度較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的是:為了解決現(xiàn)有壓阻式三軸加速度計(jì)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)問(wèn)題，提供一種MEMS壓阻式加速度計(jì)。
[0006]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:提供了一種MEMS壓阻式加速度計(jì)，包括:襯底、邊框3、彈性梁2以及通過(guò)彈性梁2支懸于邊框3中心位置的主質(zhì)量塊1、支質(zhì)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(zhì)量塊I ;所述支質(zhì)量塊4設(shè)置于彈性梁2上，且與彈性梁2構(gòu)成異形彈性梁結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)受到X軸或y軸的慣性力時(shí)，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(shè)有感測(cè)三個(gè)垂直軸向慣性力的多組壓敏電阻，每個(gè)軸向上的壓敏電阻連接構(gòu)成惠斯通電橋；所述主質(zhì)量塊I與彈性梁2的厚度相等，使主質(zhì)量塊I的質(zhì)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(shí)主質(zhì)量塊I的位移較小，本實(shí)用新型MEMS壓阻式加速度計(jì)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(guò)載能力；所述上封帽5固定于框架3上端面，其內(nèi)部有凹槽結(jié)構(gòu)，所述主質(zhì)量塊2在凹槽內(nèi)部懸空，且在感測(cè)各方向的慣性力時(shí)自由運(yùn)動(dòng)。
[0007]其中:所述主質(zhì)量塊I為中心對(duì)稱的形狀，非中心對(duì)稱形狀的主質(zhì)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(huì)造成不必要的麻煩。
[0008]其中:為了制備方便，所述主質(zhì)量塊I采用便于加工的方形，在方形的兩組相對(duì)的側(cè)面上分別設(shè)有互相垂直的彈性梁2。
[0009]其中:所述方形的主質(zhì)量塊I的每個(gè)側(cè)面上分別設(shè)置兩根彈性梁2 ;所述支質(zhì)量塊將兩根彈性梁2連接在一起。
[0010]其中:所述主質(zhì)量塊I位于xy平面，兩組相對(duì)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(shè)置有感受y軸的慣性力的支質(zhì)量塊4，以及感測(cè)y軸的慣性力的壓敏電阻，所述X軸上的壓敏電阻連接構(gòu)成惠斯通電橋；在沿y軸的彈性梁2上設(shè)置有感受X軸的慣性力的支質(zhì)量塊4，以及感測(cè)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(gòu)成惠斯通電橋。
[0011]其中:所述彈性梁2上設(shè)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(zhì)量塊1、彈性梁2、框架3和支質(zhì)量塊4為硅材料。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型采用多根彈性梁?jiǎn)沃髻|(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，并且在彈性梁上增設(shè)支質(zhì)量塊構(gòu)成異形彈性梁，當(dāng)受到X軸或y軸的慣性力時(shí)，彈性梁的彎曲變形更大，因此提高了 X軸和y軸的靈敏度；通過(guò)一個(gè)主質(zhì)量塊感受不同方向的慣性力時(shí)異形彈性梁的不同位置應(yīng)力的變化，所述彈性梁上布置的感測(cè)不同方向慣性力的多組壓敏電阻連接成惠斯通電橋，進(jìn)而檢測(cè)不同方向的加速度，從而有效的減小了器件體積，通過(guò)彈性梁與主質(zhì)量塊相對(duì)位置的確定以及主質(zhì)量塊和彈性梁的形狀、厚度、寬度的確定，使本實(shí)用新型具有靈敏度高、固有頻率高、抗高過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本實(shí)用新型一種MEMS壓阻式加速度計(jì)的實(shí)現(xiàn)方式結(jié)構(gòu)示意圖(a)。
[0015]圖2為本實(shí)用新型一種MEMS壓阻式加速度計(jì)的實(shí)現(xiàn)方式結(jié)構(gòu)示意圖(b)。
[0016]圖3為本實(shí)用新型一種MEMS壓阻式加速度計(jì)的實(shí)現(xiàn)方式結(jié)構(gòu)示意圖(C)。
[0017]圖4為本實(shí)用新型一種MEMS壓阻式加速度計(jì)的上封帽的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例1的壓敏電阻連接示意圖。
[0020]圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例1在沿X軸的彈性梁上設(shè)置的感測(cè)y軸慣性力的壓敏電阻連接構(gòu)成惠斯通電橋的電路圖。
[0021]圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例1在沿y軸的彈性梁上設(shè)置的感測(cè)X軸慣性力的壓敏電阻連接構(gòu)成惠斯通電橋的電路圖。[0022]圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例1的感測(cè)z軸慣性力的壓敏電阻連接構(gòu)成惠斯通電橋的電路圖。
[0023]附圖標(biāo)識(shí):1_主質(zhì)量塊，2-彈性梁，3-框架，4-支質(zhì)量塊，5-上封帽，6-通孔?！揪唧w實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]本實(shí)用新型一種MEMS壓阻式加速度計(jì)包括:包括:襯底、邊框3、彈性梁2以及通過(guò)彈性梁2支懸于邊框3中心位置的主質(zhì)量塊1、支質(zhì)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(zhì)量塊I ;所述支質(zhì)量塊4設(shè)置于彈性梁2上，且與彈性梁2構(gòu)成異形彈性梁結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)受到X軸或y軸的慣性力時(shí)，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(shè)有感測(cè)三個(gè)垂直軸向慣性力的多組壓敏電阻，每個(gè)軸向上的壓敏電阻連接構(gòu)成惠斯通電橋；所述主質(zhì)量塊I與彈性梁2的厚度相等，使主質(zhì)量塊I的質(zhì)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(shí)主質(zhì)量塊I的位移較小，本實(shí)用新型MEMS壓阻式加速度計(jì)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(guò)載能力；所述上封帽5固定于框架3上端面，其內(nèi)部有凹槽結(jié)構(gòu)，所述主質(zhì)量塊2在凹槽內(nèi)部懸空，且在感測(cè)各方向的慣性力時(shí)自由運(yùn)動(dòng)。
[0026]所述主質(zhì)量塊I為中心對(duì)稱的形狀。參照?qǐng)D1-3，分別是主質(zhì)量塊I為圓形、方形和六邊形的三種不同實(shí)施方式，所述主質(zhì)量塊I的側(cè)面設(shè)置有互相垂直的彈性梁2連接框架3。主質(zhì)量塊I側(cè)面的四個(gè)方向上分別采用兩根彈性梁2為一組連接主質(zhì)量塊I與框架3。
[0027]所述主質(zhì)量塊I位于xy平面，兩組相對(duì)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(shè)置有感受y軸的慣性力的支質(zhì)量塊4，以及感測(cè)y軸的慣性力的壓敏電阻，所述X軸上的壓敏電阻連接構(gòu)成惠斯通電橋;在沿y軸的彈性梁2上設(shè)置有感受X軸的慣性力的支質(zhì)量塊4，以及感測(cè)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(gòu)成惠斯通電橋。當(dāng)主質(zhì)量塊I受到X軸或y軸的慣性力時(shí)，因?yàn)檫@時(shí)X軸或y軸的受力會(huì)使主質(zhì)量塊I基本維持原來(lái)的位置不變，這樣主質(zhì)量塊I就相當(dāng)于異形彈性梁的另一個(gè)固定端點(diǎn)。
[0028]在主質(zhì)量塊的側(cè)面的四個(gè)方向上分別設(shè)置有彈性梁2，如果每個(gè)方向上分別設(shè)置有一根彈性梁2，則容易發(fā)生零點(diǎn)位置漂移的問(wèn)題，為了避免零點(diǎn)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(zhì)量，而質(zhì)量大又將導(dǎo)致靈敏度下降。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，我們?cè)诳蚣?內(nèi)側(cè)的每個(gè)方向上分別設(shè)置兩根彈性梁2，從而避免了零點(diǎn)位置漂移的問(wèn)題，同時(shí)保證了靈敏度。如果在每個(gè)方向上設(shè)置三根以上的彈性梁3，雖然也能避免零點(diǎn)位置漂移的問(wèn)題，但是質(zhì)量大又將導(dǎo)致靈敏度下降。因此，優(yōu)選地，在每個(gè)方向上采用兩根彈性梁2。
[0029]實(shí)施例1
[0030]參照?qǐng)D4-5，在本實(shí)施例中，主質(zhì)量塊I采用便于加工的方形，在方形的側(cè)面的四個(gè)方向上分別設(shè)置有兩根彈性梁2，并且每個(gè)側(cè)面上的兩根彈性梁2上設(shè)置有支質(zhì)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(shè)置有感測(cè)不同方向慣性力的壓敏電阻Rf R24，所述彈性梁2上設(shè)置有通孔6 ;所述襯底和上封帽5的材料采用玻璃，主質(zhì)量塊1、彈性梁2、框架3和支質(zhì)量塊4采用硅；所述襯底與上封帽5之間通過(guò)靜電鍵合將彈性梁2連接的主質(zhì)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(jié)構(gòu)。整體尺寸為5000μπι X5000μπι X 1400μπι ;其中，每根彈性梁的尺寸為 ιοοομπι X200μπι Χ200μπι;主質(zhì)量塊 I 的尺寸為 600μπι χ βοομπι Χ200μπι，主質(zhì)量塊1、多根彈性梁2、框架3和支質(zhì)量塊4的硅選用N (100)，襯底和上封帽5的玻璃選用Pyrex 7740。
[0031 ] 參照?qǐng)D6，主質(zhì)量塊I位于xy平面，兩組相對(duì)的側(cè)面上的彈性梁2分別沿χ軸和y軸互相垂直。參照?qǐng)D7，沿χ軸的彈性梁2上設(shè)置有感測(cè)y軸的慣性力的支質(zhì)量塊4，包括R7、R9、R10、R12、R19、R21、R22和R24，并連接構(gòu)成惠斯通電橋；參照?qǐng)D8，在沿χ軸的彈性梁2上設(shè)置有感測(cè)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(gòu)成惠斯通電橋；參照?qǐng)D9，在每根彈性梁上分別設(shè)置有感測(cè)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(gòu)成惠斯通電橋。
[0032]本實(shí)用新型的工作過(guò)程是:當(dāng)受到χ軸的慣性力時(shí)，設(shè)置在沿y軸的彈性梁2的支質(zhì)量塊4將產(chǎn)生較大的變形，從而引起感測(cè)χ方向的慣性力的壓敏電阻的阻值變化，從而測(cè)得χ軸的加速度；當(dāng)受到y(tǒng)軸的慣性力時(shí)，設(shè)置在沿χ軸的彈性梁2的支質(zhì)量塊4將產(chǎn)生較大的變形，從而引起感測(cè)y軸的慣性力的壓敏電阻的阻值變化，從而測(cè)得y軸的加速度；當(dāng)主質(zhì)量塊I感測(cè)與其表面相垂直的z軸的慣性力時(shí)，主質(zhì)量塊I將沿著z軸運(yùn)動(dòng)，這樣將會(huì)引起在彈性梁2與框架3連接處的感測(cè)z軸的慣性力的壓敏電阻的阻值變化，從而測(cè)得z軸的加速度。
[0033]本實(shí)用新型一種MEMS壓阻式加速度計(jì)的制備方法，包括以下步驟:
[0034]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；
[0035]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(zhì)量塊1、彈性梁2、彈性梁2上的通孔6、支質(zhì)量塊4和框架3 ；
[0036]步驟3:采用濺射工藝將壓敏電阻形成的惠斯通電橋進(jìn)行金屬連接；
[0037]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(jìn)行靜電鍵合，然后再與襯底進(jìn)行框架3的下底面的靜電鍵合，完成本實(shí)用新型MEMS壓阻式加速度計(jì)的整體結(jié)構(gòu)加工。
[0038]所述框架3下端面與襯底的靜電鍵合形成了整個(gè)實(shí)用新型的保護(hù)基底，對(duì)本實(shí)用新型MEMS壓阻式加速度計(jì)起到保護(hù)作用。
[0039]以上內(nèi)容是結(jié)合優(yōu)選技術(shù)方案對(duì)本實(shí)用新型所做的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定實(shí)用新型的具體實(shí)施僅限于這些說(shuō)明。對(duì)本實(shí)用新型所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型的構(gòu)思的前提下，還可以做出簡(jiǎn)單的推演及替換，都應(yīng)當(dāng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS壓阻式加速度計(jì)，包括:襯底、邊框(3)、彈性梁(2)以及通過(guò)彈性梁(2)支懸于邊框(3)中心位置的主質(zhì)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(jì)還包括:支質(zhì)量塊(4)、上封帽(5)、多組壓敏電阻；所述支質(zhì)量塊(4)設(shè)置于彈性梁(2)上，且與彈性梁(2)構(gòu)成異形彈性梁結(jié)構(gòu)；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(shè)有感測(cè)三個(gè)垂直軸向慣性力的多組壓敏電阻，每個(gè)軸向上的壓敏電阻連接構(gòu)成惠斯通電橋；所述主質(zhì)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(nèi)部有凹槽結(jié)構(gòu)，所述主質(zhì)量塊(2)在凹槽內(nèi)部懸空，且在感測(cè)各方向的慣性力時(shí)自由運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS壓阻式加速度計(jì)，其特征在于:所述主質(zhì)量塊(I)為中心對(duì)稱的形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種MEMS壓阻式加速度計(jì)，其特征在于:所述主質(zhì)量塊(I)采用方形，在方形的兩組相對(duì)的側(cè)面上分別設(shè)有互相垂直的彈性梁(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種MEMS壓阻式加速度計(jì)，其特征在于:所述方形的主質(zhì)量塊(I)的每個(gè)側(cè)面上分別設(shè)置兩根彈性梁(2 );所述支質(zhì)量塊(4 )將兩根彈性梁(2 )連接在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS壓阻式加速度計(jì)，其特征在于:所述主質(zhì)量塊(I)位于xy平面，兩組相對(duì)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(shè)置有感受y軸的慣性力的支質(zhì)量塊(4)，以及感測(cè)y軸的慣性力的壓敏電阻，所述X軸上的壓敏電阻連接構(gòu)成惠斯通電橋;在沿y軸的彈性梁(2)上設(shè)置有感受X軸的慣性力的支質(zhì)量塊(4)，以及感測(cè)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(gòu)成惠斯通電橋。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種MEMS壓阻式加速度計(jì)，其特征在于:所述彈性梁(2)上設(shè)有通孔(6)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS壓阻式加速度計(jì)，其特征在于:所述襯底和上封帽(5)為玻璃材料，所述主質(zhì)量塊(I)、彈性梁(2)、框架(3)和支質(zhì)量塊(4)為硅材料。
【文檔編號(hào)】G01P15/18GK203606386SQ201320732733
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】劉勐, 郭吉洪, 王奇, 汪家奇 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)