本發(fā)明涉及微機(jī)電傳感，尤其涉及一種基于壓阻-雪崩效應(yīng)的mems加速度計(jì)及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、mems(micro-electro-mechanical?system)加速度計(jì)廣泛用于加速度的測(cè)量，主要包括電容式加速度計(jì)、壓阻式加速度計(jì)和壓電式加速度計(jì)，其中，電容式加速度計(jì)對(duì)制造工藝要求較高且測(cè)量靈敏度較差；壓阻式加速度計(jì)的測(cè)量靈敏度偏低且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大；壓電加速度計(jì)的制造難度、成本較高。因此，亟需一種能夠同時(shí)滿足測(cè)量靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低且體積小巧的加速度計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓阻-雪崩效應(yīng)的mems加速度計(jì)及其測(cè)量方法，以滿足測(cè)量靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低且體積小巧的需求。

2、為實(shí)現(xiàn)上述效果，本發(fā)明提供一種基于壓阻-雪崩效應(yīng)的mems加速度計(jì)，包括基座和設(shè)于所述基座的梁體，所述梁體具有應(yīng)力變化區(qū)且所述應(yīng)力變化區(qū)設(shè)有具有壓阻-雪崩效應(yīng)的效應(yīng)結(jié)：

3、所述加速度計(jì)還包括均連接于所述效應(yīng)結(jié)兩端的反向偏置電源和測(cè)量模塊，其中，所述反向偏置電源用于向所述效應(yīng)結(jié)施加反向電壓以使其進(jìn)入擊穿狀態(tài)，所述測(cè)量模塊用于測(cè)量所述效應(yīng)結(jié)的擊穿電參數(shù)，且所述反向偏置電源和所述測(cè)量模塊均通信連接于控制模塊。

4、可選地，所述反向偏置電源為電壓恒定的反向偏置電壓源，所述測(cè)量模塊用于測(cè)量所述效應(yīng)結(jié)的擊穿電流，所述控制模塊根據(jù)以下公式確定加速度：

5、

6、其中，

7、vth＝kbt/q；

8、式中，ain為加速度計(jì)受到的加速度，m/s2；△i為加速度計(jì)受到加速度時(shí)所述效應(yīng)結(jié)的擊穿電流變化值，a；α為所述梁體與能帶間隙相關(guān)的材料參數(shù)，ev/pa；e為楊氏模量，gpa；q是電子電荷常數(shù)，1.602×10-19c；vth為熱電壓，v；vbr0為所述反向偏置電壓源向所述效應(yīng)結(jié)施加的反向恒定電壓，v；i0為加速度計(jì)未受到加速度時(shí)所述效應(yīng)結(jié)的初始擊穿電流，a；n為誤差系數(shù)；h為所述梁體的厚度，m；l為所述梁體的長(zhǎng)度，m；meff為加速度計(jì)的等效可動(dòng)質(zhì)量，kg；keff為加速度計(jì)的等效剛度，n/m；kb為玻爾茲曼常數(shù)；t是所述梁體所處環(huán)境的絕對(duì)溫度，k。

9、可選地，所述反向偏置電源為電流恒定的反向偏置電流源，所述測(cè)量模塊用于測(cè)量所述效應(yīng)結(jié)的擊穿電壓，所述控制模塊根據(jù)以下公式確定加速度：

10、

11、式中，ain為加速度計(jì)受到的加速度，m/s2；△vbr為加速度計(jì)受到加速度時(shí)所述效應(yīng)結(jié)的擊穿電壓變化值，v；α為所述梁體與能帶間隙相關(guān)的材料參數(shù)，ev/pa；e為楊氏模量，gpa；vbr0為加速度計(jì)未受到加速度時(shí)所述效應(yīng)結(jié)的初始擊穿電壓，v；eg0為所述梁體使用材料的初始能帶間隙，ev；kb為玻爾茲曼常數(shù)；t是所述梁體所處環(huán)境的絕對(duì)溫度，k；h為所述梁體的厚度，m；l為所述梁體的長(zhǎng)度，m；meff為加速度計(jì)的等效可動(dòng)質(zhì)量，kg；keff為加速度計(jì)的等效剛度，n/m。

12、可選地，所述效應(yīng)結(jié)為pn結(jié)。

13、可選地，所述梁體通過(guò)錨區(qū)連接于所述基座，且所述梁體與所述錨區(qū)的連接區(qū)域作為所述應(yīng)力變化區(qū)。

14、可選地，所述錨區(qū)設(shè)有第一電極和第二電極，所述第一電極連接于所述效應(yīng)結(jié)的第一端，所述第二電極連接于所述效應(yīng)結(jié)的第二端；所述反向偏置電源的兩個(gè)電源端一一對(duì)應(yīng)連接于所述第一電極和所述第二電極，所述測(cè)量模塊的兩個(gè)連接端一一對(duì)應(yīng)連接于所述第一電極和所述第二電極。

15、可選地，所述梁體為懸臂梁，且所述梁體的懸空端設(shè)有質(zhì)量塊。

16、可選地，所述測(cè)量模塊包括放大器。

17、可選地，所述效應(yīng)結(jié)與所述反向偏置電源形成的電路設(shè)有放大電路。

18、本發(fā)明還提供了一種基于壓阻-雪崩效應(yīng)的加速度測(cè)量方法，采用上述mems加速度計(jì)，所述測(cè)量方法包括：

19、調(diào)節(jié)反向偏置電源向效應(yīng)結(jié)施加反向電壓以使所述效應(yīng)結(jié)進(jìn)入擊穿狀態(tài)；

20、測(cè)量模塊檢測(cè)所述效應(yīng)結(jié)的擊穿電參數(shù)并反饋至控制模塊；

21、控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)公式確定加速度，其中，所述預(yù)設(shè)公式的參數(shù)包括加速度計(jì)受到加速度前所述效應(yīng)結(jié)的初始擊穿電參數(shù)、加速度計(jì)受到加速度時(shí)所述效應(yīng)結(jié)的擊穿電參數(shù)變化值和加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。

22、可選地，所述反向偏置電源為電壓恒定的反向偏置電壓源，控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)公式確定加速度的步驟中，包括：

23、控制模塊按照以下公式計(jì)算加速度：

24、

25、其中，

26、vth＝kbt/q；

27、式中，ain為加速度計(jì)受到的加速度，m/s2；△i為加速度計(jì)受到加速度時(shí)所述效應(yīng)結(jié)的擊穿電流變化值，即所述擊穿電參數(shù)變化值，a；α為所述梁體與能帶間隙相關(guān)的材料參數(shù)，ev/pa；e為楊氏模量，gpa；q是電子電荷常數(shù)，1.602×10-19c；vth為熱電壓，v；vbr0為所述反向偏置電壓源向所述效應(yīng)結(jié)施加的反向恒定電壓，v；i0為加速度計(jì)未受到加速度時(shí)所述效應(yīng)結(jié)的初始擊穿電流，即所述初始擊穿電參數(shù)，a；n為誤差系數(shù)；h為所述梁體的厚度，m；l為所述梁體的長(zhǎng)度，m；meff為加速度計(jì)的等效可動(dòng)質(zhì)量，kg；keff為加速度計(jì)的等效剛度，n/m；kb為玻爾茲曼常數(shù)；t是所述梁體所處環(huán)境的絕對(duì)溫度，k。

28、可選地，所述反向偏置電源為電流恒定的反向偏置電流源，控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)公式確定加速度的步驟中，包括：

29、控制模塊按照以下公式計(jì)算加速度：

30、

31、式中，ain為加速度計(jì)受到的加速度，m/s2；△vbr為加速度計(jì)受到加速度時(shí)所述效應(yīng)結(jié)的擊穿電壓變化值，即所述擊穿電參數(shù)變化值，v；α為所述梁體與能帶間隙相關(guān)的材料參數(shù)，ev/pa；e為楊氏模量，gpa；vbr0為加速度計(jì)未受到加速度時(shí)所述效應(yīng)結(jié)的初始擊穿電壓，即所述初始擊穿電參數(shù)，v；eg0為所述梁體使用材料的初始能帶間隙，ev；kb為玻爾茲曼常數(shù)；t是所述梁體所處環(huán)境的絕對(duì)溫度，k；h為所述梁體的厚度，m；l為所述梁體的長(zhǎng)度，m；meff為加速度計(jì)的等效可動(dòng)質(zhì)量，kg；keff為加速度計(jì)的等效剛度，n/m。

32、本發(fā)明提供的mems加速度計(jì)能夠根據(jù)效應(yīng)結(jié)的壓阻-雪崩效應(yīng)，通過(guò)初始擊穿電參數(shù)和變化幅度較大的擊穿電參數(shù)變化值對(duì)應(yīng)力變化區(qū)的應(yīng)力變化進(jìn)行放大顯示，以提高加速度計(jì)對(duì)受到加速度的傳感敏感度，同時(shí)綜合考慮加速度、結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)、應(yīng)力變化區(qū)的應(yīng)力、初始擊穿電參數(shù)和擊穿電參數(shù)變化值之間的關(guān)聯(lián)，更精確地求得加速度，從而大大提高加速度計(jì)的測(cè)量靈敏度；同時(shí)，mems加速度計(jì)僅需在其梁體的應(yīng)力變化區(qū)設(shè)置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的效應(yīng)結(jié)并連接反向偏置電源，然后配合測(cè)量模塊和控制模塊即可進(jìn)行加速度的高精確度測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧且制造難度低、成本低。

技術(shù)特征：

1.一種基于壓阻-雪崩效應(yīng)的mems加速度計(jì)，其特征在于，包括基座和設(shè)于所述基座的梁體(100)，所述梁體具有應(yīng)力變化區(qū)且所述應(yīng)力變化區(qū)設(shè)有具有壓阻-雪崩效應(yīng)的效應(yīng)結(jié)(200)：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的mems加速度計(jì)，其特征在于，所述反向偏置電源為電壓恒定的反向偏置電壓源，所述測(cè)量模塊用于測(cè)量所述效應(yīng)結(jié)的擊穿電流，所述控制模塊根據(jù)以下公式確定加速度：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的mems加速度計(jì)，其特征在于，所述反向偏置電源為電流恒定的反向偏置電流源，所述測(cè)量模塊用于測(cè)量所述效應(yīng)結(jié)(200)的擊穿電壓，所述控制模塊根據(jù)以下公式確定加速度：

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的mems加速度計(jì)，其特征在于，所述效應(yīng)結(jié)為pn結(jié)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的mems加速度計(jì)，其特征在于，所述梁體通過(guò)錨區(qū)(300)連接于所述基座，且所述梁體(100)與所述錨區(qū)(300)的連接區(qū)域作為所述應(yīng)力變化區(qū)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的mems加速度計(jì)，其特征在于，所述錨區(qū)設(shè)有第一電極(410)和第二電極(420)，所述第一電極(410)連接于所述效應(yīng)結(jié)(200)的第一端，所述第二電極(420)連接于所述效應(yīng)結(jié)(200)的第二端；所述反向偏置電源的兩個(gè)電源端一一對(duì)應(yīng)連接于所述第一電極(410)和所述第二電極(420)，所述測(cè)量模塊的兩個(gè)連接端一一對(duì)應(yīng)連接于所述第一電極(410)和所述第二電極(420)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的mems加速度計(jì)，其特征在于，所述梁體(100)為懸臂梁，且所述梁體(100)的懸空端設(shè)有質(zhì)量塊(500)。

8.一種基于壓阻-雪崩效應(yīng)的加速度測(cè)量方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1所述的mems加速度計(jì)，所述測(cè)量方法包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速度測(cè)量方法，其特征在于，所述反向偏置電源為電壓恒定的反向偏置電壓源，控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)公式確定加速度的步驟中，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速度測(cè)量方法，其特征在于，所述反向偏置電源為電流恒定的反向偏置電流源，控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)公式確定加速度的步驟中，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于壓阻?雪崩效應(yīng)的MEMS加速度計(jì)及其測(cè)量方法，涉及微機(jī)電傳感技術(shù)領(lǐng)域。該加速度計(jì)包括基座和設(shè)于基座的梁體，梁體具有應(yīng)力變化區(qū)且應(yīng)力變化區(qū)設(shè)有具有壓阻?雪崩效應(yīng)的效應(yīng)結(jié)：加速度計(jì)還包括均連接于效應(yīng)結(jié)兩端的反向偏置電源和測(cè)量模塊，其中，反向偏置電源用于向效應(yīng)結(jié)施加反向電壓以使其進(jìn)入擊穿狀態(tài)，測(cè)量模塊用于測(cè)量效應(yīng)結(jié)的擊穿電參數(shù)，且反向偏置電源和測(cè)量模塊均通信連接于控制模塊。該加速度計(jì)滿足測(cè)量靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低且體積小巧的需求。

技術(shù)研發(fā)人員：韓盈舟,彭天放,喬昱陽(yáng),夏陽(yáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇細(xì)胞壁智能科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26