[發明專利]一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片及其制備方法

有效

• 申請號: 201710919747.0
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107907710B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 蔣維樂;于明智;趙立波;賈琛;李支康;王久洪;趙玉龍;蔣莊德
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01P15/12
• 分類號: G01P15/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片及其制備方法，包括四組相同的子結構，四個子結構均勻對稱分布于固定島周圍。固定島與質量塊之間通過內支撐梁連接，質量塊與外框之間通過外支撐梁連接。敏感梁對稱分布于外支撐梁兩側，敏感梁的一端與質量塊的一端連接，另一端與外框連接。關于固定島相對的兩組子結構為一組，構成了測量一個加速度方向的完整工作結構兩組子結構能夠分別測量X軸和Y軸方向的加速度。每個子結構的兩個敏感梁上具有壓敏電阻，并通過金屬引線和焊盤連接組成半開環惠斯通全橋電路。該傳感器芯片可實現200g以下兩軸加速度的分離測量，固有頻率達到20kHz以上，靈敏度大于0.5mV/g/3V，具有較高的諧振頻率和靈敏度。

技術領域

本發明屬于微機械電子傳感器計量領域，具體涉及一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片及其制備方法。

背景技術

振動在人們的日常生活以及工業生產中廣泛存在，測量振動信號最普遍的方法是進行加速度信號的測量，振動加速度傳感器被廣泛用于工業控制、汽車監控、環境監測、消費類電子產品以及軍事等領域，用于滿足不同領域對振動信號與沖擊信號的測量要求，然而體積龐大的傳統傳感器已經越來越難以滿足各個領域的實際應用需求。隨著微機械電子系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)的興起，加速度傳感器也變得越來越微型化。

MEMS加速度傳感器所采用的測量原理有許多，主要有壓阻式、壓電式、電容式、熱對流式、隧道式、光纖式以及諧振式。與其他類型的MEMS加速度傳感器相比，MEMS壓阻式加速度傳感器因其測量范圍廣，加工工藝簡單，可測量動態和靜態信號，動態響應好，測試方便，后續處理電路簡單，成本低廉等優點而得到廣泛的應用。

無論采用何種檢測方式，加速度傳感器的靈敏度與工作帶寬始終是其最主要工作指標，因此在設計過程中常將這兩個參數作為優化目標來設計加速度傳感器結構。壓阻式傳感器的工作原理都是基于彈簧-質量塊系統，位移與系統剛度存在直接依賴關系，兩者此消彼長，無法同時提高，而系統剛度恰恰在一定程度上決定了系統的固有頻率，固有頻率決定了系統的工作帶寬。因此固有頻率與靈敏度之間存在相互制約關系，從而影響了加速度傳感器的進一步提高。在加速度傳感器的設計中，減弱加速度傳感器靈敏度和固有頻率的相互制約關系，同時得到靈敏度和固有頻率的最優值顯得尤為重要。

發明內容

本發明為了弱化傳感器靈敏度與諧振頻率的直接耦合關系，提出了一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片及其制備方法，該傳感器芯片將支撐元件(即支撐梁)與敏感元件分離，支撐梁主要作用是支撐質量塊運動，而應力主要集中于敏感梁，使得敏感梁上的壓敏電阻條阻值發生變化，兩者各司其職，極大地弱化了靈敏度與諧振頻率之間的直接耦合關系，從而具有良好的測量兩個方向加速度的性能指標。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片，包括外框、固定島、敏感梁、內支撐梁、外支撐梁、質量塊以及金屬引線，固定島和質量塊設置在外框內，以外框的中心為平面坐標系XOY的原點，以外框所在平面為XOY平面，固定島設置在外框的中心位置，在平面坐標系XOY的坐標軸的正半軸和負半軸方向均設有質量塊，所有質量塊關于固定島對稱，固定島與質量塊之間通過內支撐梁連接，質量塊與外框之間通過外支撐梁連接，所有內支撐梁和外支撐梁均沿外框所在平面的坐標軸設置，每個質量塊對應設置兩個敏感梁，兩個敏感梁分別對稱設置在質量塊對應的外支撐梁的兩側，每個敏感梁的兩端分別與質量塊和外框連接，敏感梁具有壓敏電阻條，每個質量塊對應的兩個敏感梁上的壓敏電阻條與金屬引線連接并形成半開環惠斯通全橋電路。

所述質量塊分為兩個區域，分別為矩形區域和等腰梯形區域，矩形區域和等腰梯形區域同軸設置，等腰梯形區域的下底與矩形區域的長邊相連且長度相等，上底靠近固定島設置，上底的中部與內支撐梁連接；

矩形區域靠近外框設置，且在靠近外框一側開設有凹槽，凹槽沿矩形區域寬邊方向的軸線開設，外支撐梁伸入凹槽內并與凹槽底部的中部連接。