基于微梁檢測(cè)結(jié)構(gòu)的雙軸MEMS面內(nèi)高g傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)水平向加速度測(cè)量的基于微梁檢測(cè)結(jié)構(gòu)的雙軸MEMS面內(nèi)高g傳感器，包括硅基支撐框架和四個(gè)敏感結(jié)構(gòu)，硅基支撐框架包括硅基邊框和固連于硅基邊框表面的中心處錨塊；四個(gè)敏感結(jié)構(gòu)均勻分布在中心處錨塊四周，同一軸向的四個(gè)壓敏電阻構(gòu)成一個(gè)惠斯通全橋。本發(fā)明通過2個(gè)不同的單元，即X,Y兩個(gè)方向相互獨(dú)立的檢測(cè)單元，可以分別檢測(cè)X,Y兩個(gè)方向，從而實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)高g值加速度信號(hào)的測(cè)量。結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單，且加工工藝簡(jiǎn)單，橫向靈敏度小，易于集成，具有良好的靈敏度和抗高過載能力，適用于測(cè)量高g值的沖擊加速度。
【專利說明】基于微梁檢測(cè)結(jié)構(gòu)的雙軸MEMS面內(nèi)高g傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS傳感器，具體是一種基于微梁檢測(cè)結(jié)構(gòu)的雙軸MEMS面內(nèi)高g傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的MEMS高g加速度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、汽車、航空航天、軍事系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)及生物工程等領(lǐng)域。傳感器的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)也是很重要的，如量程范圍、諧振頻率、靜動(dòng)態(tài)靈敏度、線性度、橫向百分比等十幾項(xiàng)性能指標(biāo)，一般都容易達(dá)到設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，但是橫向靈敏度很難達(dá)到要求。由于壓阻式硅微加速度傳感器的設(shè)計(jì)和加工工藝方面的原因，總會(huì)產(chǎn)生較高的橫向靈敏度，對(duì)于面內(nèi)的加速度計(jì)來說，橫向靈敏度更是一個(gè)較為突出的問題?；诖?，有必要設(shè)計(jì)一種全新的加速度傳感器，以解決現(xiàn)有加速度傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度低、橫向效應(yīng)較大、不易實(shí)現(xiàn)水平向加速度測(cè)量、量程低或者靈敏度不聞等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)水平向加速度測(cè)量的基于微梁檢測(cè)結(jié)構(gòu)的雙軸MEMS面內(nèi)高g傳感器。
[0004]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的采用的技術(shù)方案是:一種基于微梁檢測(cè)結(jié)構(gòu)的雙軸MEMS面內(nèi)高g傳感器，包括硅基支撐框架和四個(gè)敏感結(jié)構(gòu)，硅基支撐框架包括硅基邊框和固連于硅基邊框表面的中心處錨塊；四個(gè)敏感結(jié)構(gòu)是X-1敏感結(jié)構(gòu)、X-2敏感結(jié)構(gòu)、Y-1敏感結(jié)構(gòu)、Y-2敏感結(jié)構(gòu)，均勻分布在中心處錨塊四周，X-1敏感結(jié)構(gòu)和X-2敏感結(jié)構(gòu)在X軸方向上，Y-1敏感結(jié)構(gòu)、Y-2敏感結(jié)構(gòu)在Y軸方向上；任意一個(gè)敏感結(jié)構(gòu)包括一個(gè)質(zhì)量塊和四個(gè)懸臂梁，這四個(gè)懸臂梁分別是質(zhì)量塊一側(cè)的獨(dú)立支撐梁以及另一側(cè)的中間主梁和兩個(gè)與中間主梁平行的檢測(cè)微梁；質(zhì)量塊一側(cè)通過獨(dú)立支撐梁與中心處錨塊固定，另一側(cè)通過中間主梁和兩個(gè)檢測(cè)微梁與硅基邊框固定；獨(dú)立支撐梁與中間主梁沿質(zhì)量塊中心線設(shè)置，兩個(gè)檢測(cè)微梁以質(zhì)量塊中心線為對(duì)稱軸設(shè)置；兩個(gè)檢測(cè)微梁內(nèi)側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻；
X-1敏感結(jié)構(gòu)上的第一壓敏電阻和第二壓敏電阻以及X-2敏感結(jié)構(gòu)上的第三壓敏電阻和第四壓敏電阻，構(gòu)成第一惠斯通全橋；y-1敏感結(jié)構(gòu)上的第五壓敏電阻和第六壓敏電阻以及Υ-2敏感結(jié)構(gòu)上的第七壓敏電阻和第八壓敏電阻，構(gòu)成第二惠斯通全橋。
[0005]當(dāng)傳感器受到與傳感器所在平面平行的X方向的加速度時(shí)，X-1敏感結(jié)構(gòu)和Χ-2敏感結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量塊將在加速度方向上產(chǎn)生與加速度大小對(duì)應(yīng)的位移，中間主梁、檢測(cè)微梁與獨(dú)立支撐梁上應(yīng)力發(fā)生變化，應(yīng)力導(dǎo)致檢測(cè)微梁上應(yīng)變壓敏電阻發(fā)生參數(shù)變化，通過X-1敏感結(jié)構(gòu)和Χ-2敏感結(jié)構(gòu)檢測(cè)微梁上的四個(gè)壓敏電阻構(gòu)成的惠斯通全橋可以測(cè)得X方向加速度的情況。同理，當(dāng)傳感器受到與傳感器所在平面平行的Y方向的加速度時(shí)，Y-1敏感結(jié)構(gòu)和Υ-2敏感結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量塊將在加速度方向上產(chǎn)生與加速度大小對(duì)應(yīng)的位移，中間主梁、檢測(cè)微梁與獨(dú)立支撐梁上應(yīng)力變化，應(yīng)力導(dǎo)致檢測(cè)微梁上壓敏電阻發(fā)生參數(shù)變化，通過Y-1敏感結(jié)構(gòu)和Y-2敏感結(jié)構(gòu)檢測(cè)微梁上的四個(gè)壓敏電阻構(gòu)成的惠斯通全橋可以測(cè)得Y方向加速度的情況。
[0006]作為優(yōu)選的方案，檢測(cè)微梁寬度小于中間主梁和獨(dú)立支撐梁，因此應(yīng)力變化在檢測(cè)微梁上的體現(xiàn)更明顯。獨(dú)立支撐梁、質(zhì)量塊、中間主梁、檢測(cè)微梁、硅基邊框和中心處錨塊
為等厚設(shè)置。
[0007]其中當(dāng)質(zhì)量塊敏感到加速度時(shí)，檢測(cè)微梁上應(yīng)力變化分為:1、傳感器所在平面內(nèi)沿檢測(cè)微梁方向上的應(yīng)力變化；2、傳感器所在平面內(nèi)沿與檢測(cè)微梁垂直方向的應(yīng)力變化；
3、沿與傳感器所在平面垂直方向的應(yīng)力變化；應(yīng)力變化1、2由加速度水平方向分量引起，應(yīng)力變化3由加速度垂直于水平面方向的分量引起。檢測(cè)微梁上應(yīng)變敏感元件的參數(shù)變化受到上述應(yīng)力變化共同影響，為避免上述應(yīng)力變化對(duì)應(yīng)變敏感元件的影響相互抵消，導(dǎo)致惠斯通橋無效，因此，在應(yīng)用本發(fā)明所屬結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)在獨(dú)立支撐梁、質(zhì)量塊、檢測(cè)微梁等尺寸確定的情況下，通過改變檢測(cè)微梁上壓敏電阻的連接方式，使應(yīng)力變化3對(duì)應(yīng)變敏感元件的影響相互抵消或最小化，同時(shí)當(dāng)應(yīng)力變化1、2作用時(shí)，電路都有很好的輸出，即使檢測(cè)微梁上的應(yīng)變敏感元件的參數(shù)變化僅與檢測(cè)微梁所在的軸向上的應(yīng)力變化有關(guān)；這樣，惠斯通全橋的輸出就直接反映了水平面內(nèi)的加速度的大小及其變化情況，且能有效的抑制傳感器橫向效應(yīng)。
[0008]通過對(duì)本發(fā)明結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在理論上驗(yàn)證了本結(jié)構(gòu)一階振型和加速度檢測(cè)水平向的方向相同，且具有較高的一階固有頻率，同時(shí)本結(jié)構(gòu)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(cè)時(shí)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(cè)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(yīng)用要求。
[0009]與檢測(cè)微梁、中間主梁共同支撐質(zhì)量塊的獨(dú)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(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞性失效；同時(shí)，獨(dú)立支撐梁的存在使結(jié)構(gòu)的水平向剛度要遠(yuǎn)小于垂直向剛度，有利于降低傳感器的交叉耦合和調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率。
[0010]本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)有經(jīng)典的懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，其敏感機(jī)理則采用超晶格薄膜壓阻效應(yīng)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(diǎn)是用于測(cè)量水平方向上的高g值加速度信號(hào)。本發(fā)明通過2個(gè)不同的單元，即X，Y兩個(gè)方向相互獨(dú)立的檢測(cè)單元，可以分別檢測(cè)X，Y兩個(gè)方向，從而實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)高g值加速度信號(hào)的測(cè)量。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)加速度測(cè)量，且加工工藝簡(jiǎn)單，橫向靈敏度小，易于集成，具有良好的靈敏度和抗高過載能力，適用于測(cè)量高g值的沖擊加速度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為X-2敏感結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖中:1-X-1敏感結(jié)構(gòu)；2-X-2敏感結(jié)構(gòu)；3-Υ-1敏感結(jié)構(gòu)；4_Υ_2敏感結(jié)構(gòu)；5-第五壓敏電阻；6_第六壓敏電阻；7_第七壓敏電阻；8_第八壓敏電阻；9_第一壓敏電阻；10-第二壓敏電阻；11_第三壓敏電阻；12_第四壓敏電阻；13_硅基框架；14_中心處錨塊；15-獨(dú)立支撐梁；16_中間主梁；17-檢測(cè)微量；18-質(zhì)量塊?！揪唧w實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示，本發(fā)明提供的一種基于微梁檢測(cè)結(jié)構(gòu)的雙軸MEMS面內(nèi)高g傳感器，包括硅基支撐框架和四個(gè)敏感結(jié)構(gòu)，硅基支撐框架包括硅基邊框13和固連于硅基邊框13表面的中心處錨塊14 ;四個(gè)敏感結(jié)構(gòu)是X-1敏感結(jié)構(gòu)1、X-2敏感結(jié)構(gòu)2、Y-1敏感結(jié)構(gòu)3、Y-2敏感結(jié)構(gòu)4，均勻分布在中心處錨塊四周，X-1敏感結(jié)構(gòu)I和X-2敏感結(jié)構(gòu)2在X軸方向上，Y-1敏感結(jié)構(gòu)3、Y-2敏感結(jié)構(gòu)4在Y軸方向上。
[0015]圖2為X-2敏感結(jié)構(gòu)示意圖，與其它敏感結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，任意一個(gè)敏感結(jié)構(gòu)包括一個(gè)質(zhì)量塊18和四個(gè)懸臂梁，這四個(gè)懸臂梁分別是質(zhì)量塊一側(cè)的獨(dú)立支撐梁15以及另一側(cè)的中間主梁和兩個(gè)與中間主梁平行的檢測(cè)微梁17 ;質(zhì)量塊18 —側(cè)通過獨(dú)立支撐梁15與中心處錨塊14固定，另一側(cè)通過中間主梁16和兩個(gè)檢測(cè)微梁17與硅基邊框13固定；獨(dú)立支撐梁15與中間主梁16沿質(zhì)量塊中心線設(shè)置，兩個(gè)檢測(cè)微梁17以質(zhì)量塊中心線為對(duì)稱軸設(shè)置；兩個(gè)檢測(cè)微梁17內(nèi)側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻。
[0016]每個(gè)檢測(cè)梁上設(shè)有一個(gè)壓敏電阻，同一軸向的四個(gè)壓敏電阻構(gòu)成一個(gè)惠斯通全橋，總共有八個(gè)壓敏電阻，X-1敏感結(jié)構(gòu)I上的第一壓敏電阻11和第二壓敏電阻12以及x-2敏感結(jié)構(gòu)2上的第三壓敏電阻9和第四壓敏電阻10，構(gòu)成第一惠斯通全橋；Y-1敏感結(jié)構(gòu)3上的第五壓敏電阻5和第六壓敏電阻6以及Υ-2敏感結(jié)構(gòu)4上的第七壓敏電阻7和第八壓敏電阻8，構(gòu)成第二惠斯通全橋。
[0017]檢測(cè)微梁17寬度小于中間主梁16和獨(dú)立支撐梁15 ;獨(dú)立支撐梁15、質(zhì)量塊18、中間主梁16、檢測(cè)微梁17、硅基邊框13和中心處錨塊14為等厚設(shè)置，且略小于硅基邊框的厚度。
[0018]X-1敏感結(jié)構(gòu)(I)與Χ-2敏感結(jié)構(gòu)(2構(gòu)成X軸加速度傳感器；Υ_1敏感結(jié)構(gòu)(3 )與Υ-2敏感結(jié)構(gòu)(4)構(gòu)成Y軸加速度傳感器；四個(gè)敏感結(jié)構(gòu)構(gòu)成測(cè)量水平面內(nèi)加速度傳感器結(jié)構(gòu)。
[0019]應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)本發(fā)明所述傳感器結(jié)構(gòu)按如下表表1尺寸參數(shù)進(jìn)行模態(tài)仿真分析，其仿真的結(jié)果如下:1、一階模態(tài)的固有頻率為416ΚΗΖ，質(zhì)量塊的振動(dòng)沿水平向X軸或Y軸振動(dòng)；2、二階模態(tài)的固有頻率為919ΚΗζ，質(zhì)量塊繞沿Z軸振動(dòng)；3、三階模態(tài)的固有頻率為1135ΚΗΖ，質(zhì)量塊繞X或Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可知，本發(fā)明所述傳感器結(jié)構(gòu)的一階固有頻率為416ΚΗΖ，且一階振型為沿水平向X或Y軸振動(dòng)，與加速度檢測(cè)方向相同，且頻響大于10ΚΗζ。其次，對(duì)結(jié)構(gòu)加載10萬g載荷進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算出滿量程輸出時(shí)的最大等效應(yīng)力最大能達(dá)到68.8MPa左右，小于彈性極限80MPa，完全滿足設(shè)計(jì)要求。
[0020]表1
【權(quán)利要求】
1.一種基于微梁檢測(cè)結(jié)構(gòu)的雙軸MEMS面內(nèi)高g傳感器，其特征在于:包括硅基支撐框架和四個(gè)敏感結(jié)構(gòu)，硅基支撐框架包括硅基邊框(13)和固連于硅基邊框(13)表面的中心處錨塊(14);四個(gè)敏感結(jié)構(gòu)是X-1敏感結(jié)構(gòu)(I)、X-2敏感結(jié)構(gòu)(2)、Y-1敏感結(jié)構(gòu)(3)、Y-2敏感結(jié)構(gòu)(4)，均勻分布在中心處錨塊四周，X-1敏感結(jié)構(gòu)(I)和X-2敏感結(jié)構(gòu)(2)在X軸方向上，Y-1敏感結(jié)構(gòu)(3)、Y-2敏感結(jié)構(gòu)(4)在Y軸方向上；任意一個(gè)敏感結(jié)構(gòu)包括一個(gè)質(zhì)量塊(18)和四個(gè)懸臂梁，這四個(gè)懸臂梁分別是質(zhì)量塊一側(cè)的獨(dú)立支撐梁(15)以及另一側(cè)的中間主梁和兩個(gè)與中間主梁平行的檢測(cè)微梁(17);質(zhì)量塊(18) —側(cè)通過獨(dú)立支撐梁(15)與中心處錨塊(14)固定，另一側(cè)通過中間主梁(16)和兩個(gè)檢測(cè)微梁(17)與硅基邊框(13)固定；獨(dú)立支撐梁(15)與中間主梁(16)沿質(zhì)量塊中心線設(shè)置，兩個(gè)檢測(cè)微梁(17)以質(zhì)量塊中心線為對(duì)稱軸設(shè)置；兩個(gè)檢測(cè)微梁(17)內(nèi)側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻； X-1敏感結(jié)構(gòu)(I)上的第一壓敏電阻(11)和第二壓敏電阻(12)以及Χ-2敏感結(jié)構(gòu)(2)上的第三壓敏電阻(9)和第四壓敏電阻(10)，構(gòu)成第一惠斯通全橋；Y-1敏感結(jié)構(gòu)(3)上的第五壓敏電阻(5)和第六壓敏電阻(6)以及Υ-2敏感結(jié)構(gòu)(4)上的第七壓敏電阻(7)和第八壓敏電阻(8)，構(gòu)成第二惠斯通全橋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微梁檢測(cè)結(jié)構(gòu)的雙軸MEMS面內(nèi)高g傳感器，其特征在于:檢測(cè)微梁(17)寬度小于中間主梁(16)和獨(dú)立支撐梁(15);獨(dú)立支撐梁(15)、質(zhì)量塊(18)、中間主梁(16)、檢測(cè)微梁(17)、硅基邊框(13)和中心處錨塊(14)為等厚設(shè)置。
【文檔編號(hào)】G01P15/12GK103995148SQ201410205290
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】劉俊, 石云波, 唐軍, 馬宗敏, 郭濤, 李祥, 李策, 陳艷香, 楊志才 申請(qǐng)人:中北大學(xué)