[發(fā)明專利]一種壓電式MEMS加速度傳感器及其制備方法

有效

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• 申請日: 2018-09-03
• 公開（公告）號: CN109160484B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發(fā)明（設計）人: 許高斌;王超超;陳興;馬淵明;胡海霖
• 申請（專利權）人: 合肥工業(yè)大學
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C1/00;G01H11/08
• 代理公司: 合肥金安專利事務所(普通合伙企業(yè)) 34114
• 代理人: 于俊

本發(fā)明提供一種壓電式MEMS加速度傳感器及其制備方法，包括依次連接的蓋板、檢測結構層和底襯；檢測結構層中部設有敏感質(zhì)量塊和L形固支梁，在檢測結構層的上、下兩面中心位置分別設有上限位柱、下限位柱，并分別與蓋板、底襯相適配，并采用2次的硅?硅鍵合方法，形成內(nèi)部封閉的壓電式MEMS加速度傳感器。整個裝置當受到非過載加速度時，壓電陶瓷薄膜受力形變，在表面產(chǎn)生電壓信號；當受到過載加速度時，受限于外框的限位結構，敏感質(zhì)量塊僅位移傳感器阻尼系統(tǒng)間隙距離，從而起到全方位過載保護的作用。

技術領域

本發(fā)明涉及微傳感器技術領域，具體涉及一種壓電式MEMS加速度傳感器及其制備方法。

背景技術

隨著現(xiàn)代化工業(yè)及科學技術的發(fā)展，工業(yè)裝備不斷向著復雜化、智能化、信息化等方向發(fā)展，這些裝備組件精密復雜、工作模式多樣、運行場合多變。而工業(yè)裝備運行過程中的振動作為一種最為常見的物理現(xiàn)象，對裝備的性能和健康狀態(tài)具有直接影響，振動量如果超過允許范圍，裝備將產(chǎn)生較大的動載荷和噪聲，從而產(chǎn)生較高的故障率，影響其工作性能和使用壽命，嚴重時還會導致零部件的早期失效，造成巨大損失或人員傷亡。

為了切實有效地保養(yǎng)和維護這些裝備的工況健康，幾乎每臺現(xiàn)代工業(yè)裝備都會安裝振動監(jiān)控系統(tǒng)，通過對裝備運行過程中的振動信號分析處理，實現(xiàn)裝備的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、工況識別等目的。振動監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來工業(yè)裝備健康管理的重要研究手段之一，越來越多的企業(yè)選擇采用振動監(jiān)控系統(tǒng)對關鍵設備及其核心組件等進行監(jiān)測，是現(xiàn)代化工業(yè)裝備必不可少的輔助裝置。

目前，基于測振傳感器的振動監(jiān)控技術是國內(nèi)外業(yè)界振動監(jiān)控系統(tǒng)所采用的主要監(jiān)控技術，其中，作為監(jiān)控系統(tǒng)最前端拾振環(huán)節(jié)的測振傳感器，是整個振動監(jiān)控系統(tǒng)的核心器件之一，而采用傳統(tǒng)測振傳感器的振動監(jiān)控系統(tǒng)往往體積大、功能弱等性能缺陷，漸漸無法滿足日益復雜精密的現(xiàn)代工業(yè)裝備振動監(jiān)控需求。因此，發(fā)展研究適用于工業(yè)裝備振動監(jiān)控系統(tǒng)的新型高性能測振傳感器已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P注的問題，也是推動工業(yè)裝備振動監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的核心所在。它不僅僅有益于振動監(jiān)控系統(tǒng)自身性能、效率和可靠性等方面的提高，更是對工業(yè)裝備的安全狀態(tài)、生產(chǎn)效率以及預見性維護的進一步保障，對促進保障國民生命財產(chǎn)安全、提高企業(yè)生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益、提高國家工業(yè)自動化平行具有重要意義。

在《中國微米/納米學術年會-2003》中收錄了由周再發(fā)等人設計的一種用于環(huán)境振動測量的高分辨率電容式微加速度傳感器，該傳感器分辨率高、溫度漂移小，但結構相對簡單，并未解決傳統(tǒng)電容式加速度計抗過載能力差、諧振頻率較低等缺點，不適用于在工作環(huán)境惡劣的工業(yè)裝備振動監(jiān)控場合使用?！都す怆s質(zhì)》中收錄了吳東方等人設計的一種用于振動測量的全光纖傳感器，該傳感器滿足工業(yè)裝備振動監(jiān)控對測振傳感器低頻響應好、抗過載能力強、抗電磁干擾強等要求，但是易受到光源波動動和連接器損耗變換的影響，同時由于傳感器核心組件（如光纖耦合器等加工材料與封裝外殼等）構成的整體體積較大，導致傳感器滋生的體積質(zhì)量也相對較大，這種結構設計不適用于應用在小型精密的工業(yè)裝備振動監(jiān)控系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足，本發(fā)明提供一種壓電式MEMS加速度傳感器及其制備方法，解決了現(xiàn)有技術中存在的傳統(tǒng)測振加速度計抗過載能力差、諧振頻率較低的技術問題。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種壓電式MEMS加速度傳感器，包括依次連接的蓋板、檢測結構層和底襯；

所述蓋板以<100>晶向N型單拋硅片為基礎制成，所述蓋板的底面中心設有上限位槽，并在所述蓋板頂面的4個邊角處均開設2個接線引出孔，所述接線引出孔貫穿蓋板設置；

所述檢測結構層以方形雙拋SOI硅片為基礎制成，所述檢測結構層包括方形外框以及設置在外框內(nèi)的敏感質(zhì)量塊和4根L形固支梁，所述敏感質(zhì)量塊外周通過4根L形固支梁固定在外框的中央，所述敏感質(zhì)量塊的頂面和底面中心分別設有上限位柱和下限位柱；