专利名称：压阻式单片集成四梁三轴加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及MEMS传感器领域中的加速度传感器，具体是一种压阻式单片集成四梁三轴加速度传感器。
背景技术：
加速度测量是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量。加速度计在生物、化学和医学分析中，在航天、航空、航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、 地基测量、地矿勘测等测量领域有广泛的应用。常见的微加速度计产品都是单轴的，而微惯性系统以及一些其他应用场合往往需要三轴加速度计来检测加速度矢量，这就对三轴加速度传感器的出现提出了诉求。压阻式三轴微加速度传感器的实现方法有三种第一种是将三个单轴压阻式微加速度传感器组装在一起，实现三轴测量功能，但是这种方式体积较大，组装比较困难，而且矢量测量精度低；第二种是将三个单轴压阻式加速度传感器同时制作在同一个芯片上，单个压阻式加速度传感器的结构是由硅框架、质量块、悬臂梁以及压敏电阻组成的，当将三个单轴加速度传感器制作在同一个芯片上时，考虑到传感器的各个性能，三个单轴加速度传感器的压敏电阻的布放位置会不同，这样会大大增加工艺的复杂度，增大加工成本；第三种是采用一个敏感元件测量三个方向的加速度信号，当敏感元件感受不同方向的加速度时，不同位置的电阻阻值产生变化，从而使由电阻构成的惠斯通电桥输出电压信号，从而检测加速度的大小和方向。由这三种方法实现的压阻式三轴微加速度传感器各有其优点和弊端。针对第三种实现方法，有现有的八梁臂结构，但其灵敏度较低而轴间耦合度较高。为了提高灵敏度和降低轴间耦合度，本发明在八梁臂的基础上提出了四梁臂的结构，其上对称分布有十六个压敏电阻，其中四个压敏电阻构成一个惠斯通电桥检测X方向的加速度和方向，另有四个压敏电阻构成一个惠斯通电桥检测Y方向的加速度和方向，剩下八个压敏电阻构成一个惠斯通电桥检测Z方向的加速度和方向。

发明内容
本发明的目的是为了解决现有的压阻式三轴加速度计存在结构复杂，灵敏度低，轴间耦合大的问题，而提供了一种压敏电阻完全对称分布，灵敏度高，轴间耦合度小的压阻式单片集成四梁三轴加速度计。本发明是通过以下技术方案实现的
一种压阻式单片集成四梁三轴加速度计，包括支撑边框、弹性悬臂梁以及通过弹性悬臂梁支悬于支撑边框中心位置的质量块，质量块的四个边分别通过一根弹性悬臂梁与支撑边框固定,支撑边框的下表面超出质量块的下表面,且支撑边框下表面通过静电键合技术键合有玻璃基座，固定于支撑边框与质量块之间的四根弹性悬臂梁上对称均布有十六个阻值相等的应变压敏电阻，每根弹性悬臂梁上的四个应变压敏电阻两两对称分布于弹性悬臂梁的两端，并且同一端的两个应变压敏电阻以弹性悬臂梁的中心轴线对称分布；第一应变压敏电阻和第二应变压敏电阻分布于X轴负方向的弹性悬臂梁上，第一应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第二应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第三应变压敏电阻和第四应变压敏电阻分布于X轴正方向的弹性悬臂梁上，第三应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第四应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，并且上述四个应变压敏电阻(即第一应变压敏电阻、第二应变压敏电阻、第三应变压敏电阻和第四应变压敏电阻)之间连接成一个检测X轴方向信号的惠斯通电桥(检测X轴、Y轴、Z轴方向的惠斯通电桥都有两个输入端Vcc和GND ;有两个输出端Vout)，其中，第一应变压敏电阻和第二应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥(即检测X轴方向信号的惠斯通电桥)的一个输入端上，第三应变压敏电阻和第四应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥(即检测X轴方向信号的惠斯通电桥)的另一个输入端上，第一应变压敏电阻和第三应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二应变压敏电阻和第 四应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第五应变压敏电阻和第六应变压敏电阻分布于Y轴负方向的弹性悬臂梁上，第五应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第六应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第七应变压敏电阻和第八应变压敏电阻分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁上，第七应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第八应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个压敏电阻组合位置的右下方，并且上述四个应变压敏电阻(即第五应变压敏电阻、第六应变压敏电阻、第七应变压敏电阻和第八应变压敏电阻)之间连接成一个检测Y轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第五应变压敏电阻和第六应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥(即检测Y轴方向信号的惠斯通电桥)的一个输入端上，第七应变压敏电阻和第八应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥(即检测Y轴方向信号的惠斯通电桥)的另一个输入端上，第五应变压敏电阻和第七应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第六应变压敏电阻和第八应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第九应变压敏电阻和第十应变压敏电阻分布于X轴负方向的弹性悬臂梁上，第九应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第十一应变压敏电阻和第十二应变压敏电阻分布于X轴正方向的弹性悬臂梁上，第十一应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十二应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十三应变压敏电阻和第十四应变压敏电阻布于Y轴负方向的弹性悬臂梁上，第十三应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十四应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十五应变压敏电阻和第十六应变压敏电阻分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁上，第十五应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十六应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，并且上述八个应变压敏电阻(即第九应变压敏电阻、第十应变压敏电阻、第十一应变压敏电阻、第十二应变压敏电阻、第十三应变压敏电阻、第十四应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻和第十六应变压敏电阻)之间连接成一个测Z轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第九应变压敏电阻和第十二应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第一个桥臂，第十应变压敏电阻和第十一应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第二个桥臂，第十三应变压敏电阻和第十五应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第三个桥臂，第十四应变压敏电阻和第十六应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第四个桥臂，并且第一桥臂上的第九应变压敏电阻、第十二应变压敏电阻和第二桥臂上的第十应变压敏电阻、第十一应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥(即测Z轴方向信号的惠斯通电桥)的一个输入端上，第三桥臂上的第十三应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻、第十六应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥(即测Z轴方向信号的惠斯通电桥)的另一个输入端上，第一桥臂上的第九应变压敏电阻、第十二应变压敏电阻和第三桥臂上的第十三应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二桥臂上的第十应变压敏电阻、第十一应变 压敏电阻和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻、第十六应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上。其中，支撑边框的下表面超出质量块的下表面，且支撑边框下表面通过静电键合技术键合有玻璃基板，这是为了使支撑边框对整个结构起支撑作用，而质量块就可以呈悬空状态，这样有利于质量块在惯性力的作用下上下运动，并使弹性悬臂梁上的应变压敏电阻随应力的作用发生变化，从而引起惠斯通检测电桥输出电压发生变化，以此实现对加速度的测量。本发明加速度计检测加速度原理当本发明加速度计只受到X方向的加速度时，在X方向的两根梁上就会产生不对称的应力分布，若Rl、R9、R11、R4单元受到压力(或张力)，R2、RIO, R3、R12单元则对应受到张力(或压力)，而且无论单元受到压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是相同的。从而，他们的阻值无论是增加还是减小，变化的量是相同的。此时，在Y方向的两根梁上产生的是剪切应力，在梁宽度远大于厚度的情况下，剪切应力产生的形变完全可以忽略，这样就基本认为R5、R6、R7、R8、R13、R14、R15、R16的阻值变化为零。所以，由R5、R6、R7、R8构成的惠斯通电桥因为阻值不变输出为零；由R9、R10、Rll、R12、R13、R14、R15、R16构成的惠斯通电桥虽然部分阻值有变化但有增有减相互抵消，输出仍为零；只有由Rl、R2、R3、R4构成的惠斯通检测电桥有输出，从而实现对X方向加速度大小的检测。当本发明加速度计只受到Y方向的加速度时，在Y方向的四个梁上就会产生不对称的应力分布，若R7、R16、R6、R13单元受到压力(或张力)，R8、R15、R5、R14单元则对应受到张力(或压力)，而且无论单元受到压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是相同的。从而，他们的阻值无论是增加还是减小，变化的量是相同的。此时，在X方向的两根梁上产生的是剪切应力，在梁宽度远大于厚度的情况下，剪切应力产生的形变完全可以忽略，这样就基本认为R1、R2、R3、R4、R9、R10、R11、R12的阻值变化为零。所以，由R1、R2、R3、R4构成的惠斯通电桥因为阻值不变输出为零；由R9、RIO、Rll、R12、R13、R14、R15、R16构成的惠斯通电桥虽然部分阻值有变化但有增有减相互抵消，输出仍为零；只有由R5、R6、R7、R8构成的惠斯通电桥有输出，从而实现对Y方向加速度大小的检测。当本发明加速度计只受到Z方向的加速度时，X方向的两根梁和Y方向的两根梁会产生对称的应力分布。在X方向的两根梁上，若Rl、R9、R3、R12单元受到压力(或张力)，R2、RIO、R4、Rll单元则对应受到张力(或压力)，而且无论单元受到压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是相同的。从而，他们的阻值无论是增加还是减小，变化的量是相同的。在Y方向的两根梁上，若R7、R16、R5、R14单元受到压力(或张力)，R8、R15、R6、R13单元则对应受到张力(或压力)，而且无论单元受到压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是相同的。从而，他们的阻值无论是增加还是减小，变化的量是相同的。由Rl、R2、R3、R4构成的惠斯通电桥虽然阻值发生变化但由于两个臂上电阻改变后的阻值对应成比例输出仍为零；由R5、R6、R7、R8构成的惠斯通电桥虽然阻值发生变化但由于两个臂上电阻改变后的阻值对应成比例输出仍为零；只有由R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16构成的惠斯通检测电桥有电压输出，从而实现对Z方向的加速度大小的检测。这样根据三个惠斯通电桥的输出变化实现对加速度的方向和大小的测量。下表I是本发明的四梁结构和现有的八梁结构在电阻位置偏差量相同(距离悬臂梁端部150Mffl)、轴向受力相同(各轴施加IOOOg的加速度载荷)的情况下，各个轴向的输出灵敏度和轴间耦合度的对比
表I
权利要求
1.一种压阻式单片集成四梁三轴加速度计，包括支撑边框(I)、弹性悬臂梁(2)以及通过弹性悬臂梁(2)支悬于支撑边框(I)中心位置的质量块(3)，质量块(3)的四个边分别通过一根弹性悬臂梁(2 )与支撑边框(I)固定，支撑边框(I)的下表面超出质量块(3 )的下表面，且支撑边框(I)下表面通过静电键合技术键合有玻璃基座(4),其特征在于固定于支撑边框(I)与质量块(3 )之间的四根弹性悬臂梁(2 )上对称均布有十六个阻值相等的应变压敏电阻(Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、RIO、Rll、R12、R13、R14、R15、R16),每根弹性悬臂梁(2)上的四个应变压敏电阻两两对称分布于弹性悬臂梁(2)的两端，并且同一端的两个应变压敏电阻以弹性悬臂梁(2)的中心轴线对称分布；第一应变压敏电阻(Rl)和第二应变压敏电阻(R2)分布于X轴负方向的弹性悬臂梁(2-1)上，第一应变压敏电阻(Rl)位于该弹性悬臂梁(2-1)上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第二应变压敏电阻(R2)位于该弹性悬臂梁(2-1)上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第三应变压敏电阻(R3)和第四应变压敏电阻(R4)分布于X轴正方向的弹性悬臂梁(2-2)上，第三应变压敏电阻(R3)位于该弹性悬臂梁(2-2)上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第四应变压敏电阻(R4)位于该弹性悬臂梁(2-2)上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，并且上述四个应变压敏电阻(Rl、R2、R3、R4)之间连接成一个检测X轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第一应变压敏电阻(Rl)和第二应变压敏电阻(R2)连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第三应变压敏电阻(R3)和第四应变压敏电阻(R4)连接在该惠斯通电桥的另一个输入端上，第一应变压敏电阻(Rl)和第三应变压敏电阻(R3)连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二应变压敏电阻(R2)和第四应变压敏电阻(R4)连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第五应变压敏电阻(R5)和第六应变压敏电阻(R6)分布于Y轴负方向的弹性悬臂梁(2-3)上，第五应变压敏电阻(R5)位于该弹性悬臂梁(2-3)上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第六应变压敏电阻(R6)位于该弹性悬臂梁(2-3)上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第七应变压敏电阻(R7)和第八应变压敏电阻(R8)分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁(2-4)上，第七应变压敏电阻(R7)位于该弹性悬臂梁(2-4)上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第八应变压敏电阻(R8)位于该弹性悬臂梁(2-4)上四个压敏电阻组合位置的右下方，并且上述四个应变压敏电阻(R5、R6、R7、R8)之间连接成一个检测Y轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第五应变压敏电阻(R5)和第六应变压敏电阻(R6)连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第七应变压敏电阻(R7)和第八应变压敏电阻(R8)连接在该惠斯通电桥的另一个输入端上，第五应变压敏电阻(R5)和第七应变压敏电阻(R7)连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第六应变压敏电阻(R6)和第八应变压敏电阻(R8)连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第九应变压敏电阻(R9)和第十应变压敏电阻(RlO)分布于X轴负方向的弹性悬臂梁(2-1)上，第九应变压敏电阻(R9)位于该弹性悬臂梁(2-1)上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十应变压敏电阻(RlO)位于该弹性悬臂梁(2-1)上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第i^一应变压敏电阻(Rll)和第十二应变压敏电阻(R12)分布于X轴正方向的弹性悬臂梁(2-2)上，第i^一应变压敏电阻(Rll)位于该弹性悬臂梁(2-2)上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十二应变压敏电阻(R12)位于该弹性悬臂梁(2-2)上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十三应变压敏电阻(R13)和第十四应变压敏电阻(R14)布于Y轴负方向的弹性悬臂梁(2-3)上，第十三应变压敏电阻(R13)位于该弹性悬臂梁(2-3)上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十四应变压敏电阻(R14)位于该弹性悬臂梁(2-3)上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十五应变压敏电阻(R15)和第十六应变压敏电阻(R16)分布于Y轴正方向的弾性悬臂梁(2-4)上，第十五应变压敏电阻(R15)位于该弹性悬臂梁(2-4)上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十六应变压敏电阻(R16)位于该弹性 悬臂梁(2-4)上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，并且上述八个应变压敏电阻(R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16)之间连接成ー个测Z轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第九应变压敏电阻(R9)和第十二应变压敏电阻(R12)串联构成该惠斯通电桥的第一桥臂，第十应变压敏电阻(RlO)和第十一应变压敏电阻(Rll)串联构成该惠斯通电桥的第二桥臂，第十三应变压敏电阻(R13)和第十五应变压敏电阻(R15)串联构成该惠斯通电桥的第三桥臂，第十四应变压敏电阻(R14)和第十六应变压敏电阻(R16)串联构成该惠斯通电桥的第四桥臂，并且第一桥臂上的第九应变压敏电阻(R9)、第十二应变压敏电阻(R12)和第二桥臂上的第十应变压敏电阻(R10)、第十一应变压敏电阻(Rll)连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第三桥臂上的第十三应变压敏电阻(R13)、第十五应变压敏电阻(R15)和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻(R14)、第十六应变压敏电阻(R16)连接在该惠斯通电桥的另ー个输入端上，第一桥臂上的第九应变压敏电阻(R9)、第十二应变压敏电阻(R12)和第三桥臂上的第十三应变压敏电阻(R13)、第十五应变压敏电阻(R15)连接在该惠斯通电桥的ー个输出端上，第二桥臂上的第十应变压敏电阻(R10)、第十一应变压敏电阻(Rll)和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻(R14)、第十六应变压敏电阻(R16)连接在该惠斯通电桥的另ー个输出端上。
2.根据权利要求I所述的压阻式单片集成四梁三轴加速度计，其特征在于所述的支撑边框(I)、质量块(3)及其之间的弹性悬臂梁(2)是以SOI片材料经现有的标准压阻式硅微机械エ艺加工制成；设置于弹性悬臂梁(2)上的十六个应变压敏电阻(R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、RIO、Rll、R12、R13、R14、R15、R16)是经现有的扩散或离子注入エ艺加工制成。
3.根据权利要求I和2所述的压阻式单片集成四梁三轴加速度计，其特征在于所述的弹性悬臂梁(2)的梁长为800Mm、梁宽为400Mm、梁厚为20Mm ;质量块(3)的边长为3000Mm、厚度为420. 5Mm ;支撑边框(I)的边长为6400Mm、边的宽度为900Mm、厚度为·430. 5Mm ;所述的的支撑边框(I)下表面超出质量块(3)的下表面10Mm。
全文摘要
本发明涉及MEMS传感器领域中的加速度传感器，具体是一种压阻式单片集成四梁三轴加速度计，解决了现有压阻式三轴加速度计存在结构复杂，灵敏度低，轴间耦合大的问题。该加速度计包括四根弹性悬臂梁、质量块和支撑边框，质量块四个边分别通过一根弹性悬臂梁支悬于支撑边框的中心位置，支撑边框下表面通过静电键合技术与玻璃基板键合，十六个阻值相等的压敏电阻对称均布在四根弹性悬臂梁的两端，十六个压敏电阻连接分别构成三个惠斯通电桥分别检测三个轴向的加速度信号。本发明加速度计结构简单、灵敏度高、轴间耦合低、可靠性高、成本低廉、易于一体化加工，以其生产加工的加速度计应用范围广阔。
文档编号G01P15/18GK102768291SQ201210252958
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月21日 优先权日2012年7月21日
发明者何常德, 刘俊, 张国军, 张文栋, 张永平, 杜春晖, 熊继军, 薛晨阳 申请人:中北大学