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復(fù)合八梁高頻響加速度傳感器芯片的制作方法
【專利摘要】復(fù)合八梁高頻響加速度傳感器芯片，包括硅基底和鍵合于硅基底背面的硼玻璃襯底，硅基底的中心空腔內(nèi)配置有懸空質(zhì)量塊，四個短小敏感梁沿著懸空質(zhì)量塊的一組對邊對稱排布，四個寬大支撐梁分別與懸空質(zhì)量塊的另一組對邊的四角相連，短小敏感梁和寬大支撐梁共同支撐懸空質(zhì)量塊，使其保持懸空狀態(tài)，每個短小敏感梁上均制作一個壓敏電阻，四個壓敏電阻通過金屬引線連接組成的半開環(huán)惠斯通全橋檢測電路與焊盤相連，本發(fā)明一方面通過四個短小敏感梁和四個寬大支撐梁的組合方式緩解固有頻率與測量靈敏度之間的制約關(guān)系，獲得高頻響、高靈敏度的加速度傳感器，另一方面通過梁的四角排布方式有效的降低了橫向靈敏度。
【專利說明】復(fù)合八梁高頻響加速度傳感器芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微加速度傳感器芯片【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及復(fù)合八梁高頻響加速度傳感器芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著MEMS微加工技術(shù)的發(fā)展，壓阻式加速度傳感器出現(xiàn)了很多不同的敏感結(jié)構(gòu)，包括單懸臂梁，雙懸臂梁，單橋梁，雙橋梁，十字梁，雙島五梁，復(fù)合多梁等。這些結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，解決了傳感器性能方面的很多問題。如雙懸臂梁結(jié)構(gòu)相對于單懸臂梁降低了傳感器的橫向交叉靈敏度；四梁結(jié)構(gòu)，如雙橋梁、十字梁等則在考慮橫向交叉靈敏度的同時，提高了傳感器的固有頻率；雙島五梁結(jié)構(gòu)則是為了通過自身結(jié)構(gòu)特點來消除橫向交叉靈敏度的干擾而被提出的。復(fù)合多梁結(jié)構(gòu)則是通過長短梁的組合方式來提高傳感器的綜合性能。目前開發(fā)的硅微加速度傳感器受敏感結(jié)構(gòu)與傳感方式的限制，大都性能不高，如頻響范圍較窄且橫向靈敏度高，結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量也無法做到很小，限制了傳感器的檢測精度。此外，在高靈敏度硅微加速度傳感器設(shè)計方面，雖然國內(nèi)外學(xué)者提出了許多高靈敏度的機械傳感元件，但大都采用微懸臂梁一質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)形式，而在微懸臂梁一質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)中，靈敏度與測試帶寬是無法避免的矛盾。因此，如何在保證測量帶寬的條件下，來提高硅微加速度傳感器的檢測性能需要進(jìn)一步研究。
[0003]針對智能機床主軸測振系統(tǒng)對于加速度傳感器的技術(shù)要求，需要在保證傳感器靈敏度的同時，盡可能提高傳感器芯片的固有頻率以及抗沖擊能力，因此如何在現(xiàn)有微傳感器的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)梁的分布和尺寸參數(shù)來提高傳感器的固有頻率以及抗沖擊能力也需要進(jìn)一步研究。綜合考慮傳感器固有頻率和測量靈敏度以及橫向靈敏度三個方面的因素，設(shè)計了一種具有優(yōu)良綜合性能的高頻加速度傳感器。在之前的研究工作中，傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計多旨在解決其中的某一個或者某兩個方面的問題，通過犧牲非目標(biāo)參數(shù)的數(shù)值來獲取所需的性能提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供復(fù)合八梁高頻響加速度傳感器芯片，一方面通過四個短小敏感梁和四個寬大支撐梁的組合方式緩解固有頻率與測量靈敏度之間的制約關(guān)系，獲得高頻響、高靈敏度的加速度傳感器，另一方面通過梁的四角排布方式有效的降低了橫向靈敏度。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
[0006]復(fù)合八梁高頻響加速度傳感器芯片，包括硅基底I和鍵合于硅基底I背面的硼玻璃襯底2，硅基底I的中心空腔內(nèi)配置有懸空質(zhì)量塊5，四個相同的短小敏感梁3沿著懸空質(zhì)量塊5的一組對邊對稱排布，四個寬大支撐梁4分別與懸空質(zhì)量塊5的另一組對邊的四角相連，短小敏感梁3和寬大支撐梁4共同支撐懸空質(zhì)量塊5，使其保持懸空狀態(tài)，硼玻璃襯底2與懸空質(zhì)量塊5之間預(yù)留有工作間隙；[0007]每個短小敏感梁3上均制作一個壓敏電阻6，壓敏電阻6采用U型方式制作而成，四個壓敏電阻6通過芯片上的金屬引線7連接組成半開環(huán)惠斯通全橋檢測電路，半開環(huán)惠斯通全橋檢測電路的輸出端與芯片中的焊盤8相連，四根壓敏電阻6按照短小敏感梁3上的應(yīng)力分布規(guī)律布置，且位于硅晶體相同的晶向上。
[0008]所述的短小敏感梁3的長度和寬度均小于寬大支撐梁4，而短小敏感梁3和寬大支撐梁4的厚度相同。
[0009]所述的短小敏感梁3和寬大支撐梁4以及懸空質(zhì)量塊5與硅基底I之間存在著7-15 μ m的間隙。
[0010]所述的具有八梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器芯片是由MEMS制造技術(shù)制作的加速度轉(zhuǎn)換
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[0011]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明針對實際應(yīng)用環(huán)境中對加速度傳感器的性能需求及目前MEMS加速度傳感器存在的不足，以高固有頻率、較好量靈敏度為設(shè)計目標(biāo)，采用了四邊分布的梁排布方式使得整個結(jié)構(gòu)的橫向交叉干擾降低；通過短小敏感梁和寬大支撐梁的組合方式緩解了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳感器固有頻率和靈敏度之間的制約關(guān)系。前人在雙橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入了兩根短小的敏感梁并沿著一組對邊的中線分布，雖然在一定程度上增加了傳感器的固有頻率，但是由于梁排布方式的影響，不能最大化的減小傳感器結(jié)構(gòu)的橫向交叉干擾。本結(jié)構(gòu)不僅增加了傳感器的固有頻率，橫向交叉干擾相較于六梁結(jié)構(gòu)有所降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明的正視圖。
[0014]圖3為短小敏感梁3上壓敏電阻6的布置方式示意圖。
[0015]圖4為壓敏電阻6構(gòu)成的半開環(huán)惠斯通全橋檢測電路示意圖。
[0016]圖5為本發(fā)明芯片的工作原理示意圖(取一半結(jié)構(gòu)作為研究對象)。
【具體實施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的說明。
[0018]參照圖1，復(fù)合八梁高頻響加速度傳感器芯片，包括硅基底I和鍵合于硅基底I背面的硼玻璃襯底2，硅基底I的中心空腔內(nèi)配置有懸空質(zhì)量塊5，四個相同的短小敏感梁3沿著懸空質(zhì)量塊5的一組對邊對稱排布，以便最大程度上降低傳感器的橫向交叉干擾，四個寬大支撐梁4分別與懸空質(zhì)量塊5的另一組對邊的四角相連，短小敏感梁3和寬大支撐梁4共同支撐懸空質(zhì)量塊5，使其保持懸空狀態(tài)，硼玻璃襯底2與懸空質(zhì)量塊5之間預(yù)留有工作間隙以保證懸空質(zhì)量塊5在傳感器正常工作時能夠始終懸空，而在某些過載環(huán)境中其下底面能夠與硼玻璃2接觸，防止過載破壞傳感器芯片。
[0019]參照圖2，每個短小敏感梁3上均制作一個壓敏電阻6，壓敏電阻6采用U型方式制作而成，采用了硅晶體的壓阻效應(yīng)作為敏感原理，參照圖3，每個短小敏感梁3均布置著兩根壓敏電阻條，兩根壓敏電阻條連接組成一個壓敏電阻6，四個壓敏電阻6中的第一個壓敏電阻6-1、第二個壓敏電阻6-2、第三個壓敏電阻6-3、第四壓敏電阻6-4均布置于短小敏感梁3和懸空質(zhì)量塊5連接的部位，第一壓敏電阻6-1、第二壓敏電阻6-2、第三壓敏電阻6-3、第四壓敏電阻6-4、通過芯片上的金屬引線7相互連接組成半開環(huán)惠斯通全橋檢測電路，參照圖4，其中第一壓敏電阻6-1和第四壓敏電阻6-4位于一組相對的橋臂，第二壓敏電阻6-2和第三壓敏電阻6-3位于另一組相對的橋臂。半開環(huán)惠斯通全橋檢測電路的輸出端與芯片中的焊盤8相連，四根壓敏電阻6按照短小敏感梁3上的應(yīng)力分布規(guī)律布置，且位于硅晶體相同的晶向上。
[0020]所述的短小敏感梁3的長度和寬度均小于寬大支撐梁4，而短小敏感梁3和寬大支撐梁4的厚度相同。
[0021]所述的短小敏感梁3和寬大支撐梁4以及懸空質(zhì)量塊5與硅基底I之間存在著
7-15μ m的間隙，用以釋放短小敏感梁3、寬大支撐梁4以及懸空質(zhì)量塊5連接組成的可動結(jié)構(gòu)。
[0022]所述的具有八梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器芯片是由MEMS制造技術(shù)制作的加速度轉(zhuǎn)換
心/T O
[0023]本發(fā)明芯片的工作原理為:
[0024]參照圖5，本發(fā)明利用的單晶硅材料的壓阻效應(yīng)作為敏感原理，當(dāng)壓敏電阻6處于一定應(yīng)力作用下時，由于載流子遷移率的變化，其電阻率發(fā)生變化，其阻值的變化與其所受應(yīng)力之間的比例關(guān)系為:
[0025]
【權(quán)利要求】
1.復(fù)合八梁高頻響加速度傳感器芯片，包括硅基底(I)和鍵合于硅基底(I)背面的硼玻璃襯底(2)，硅基底(I)的中心空腔內(nèi)配置有懸空質(zhì)量塊(5)，其特征在于:四個相同的短小敏感梁(3)沿著懸空質(zhì)量塊(5)的一組對邊對稱排布，四個寬大支撐梁(4)分別與懸空質(zhì)量塊(5)的另一組對邊的四角相連，短小敏感梁(3)和寬大支撐梁(4)共同支撐懸空質(zhì)量塊(5)，使其保持懸空狀態(tài)，硼玻璃襯底(2)與懸空質(zhì)量塊(5)之間預(yù)留有工作間隙； 每個短小敏感梁(3)上均制作一個壓敏電阻(6)，壓敏電阻(6)采用U型方式制作而成，四個壓敏電阻(6)通過芯片上的金屬引線(7)連接組成半開環(huán)惠斯通全橋檢測電路，半開環(huán)惠斯通全橋檢測電路的輸出端與芯片中的焊盤(8)相連，四根壓敏電阻(6)按照短小敏感梁(3)上的應(yīng)力分布規(guī)律布置，且位于硅晶體相同的晶向上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合八梁高頻響加速度傳感器芯片，其特征在于:所述的短小敏感梁(3)的長度和寬度均小于寬大支撐梁(4)，而短小敏感梁(3)和寬大支撐梁(4)的厚度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合八梁高頻響加速度傳感器芯片，其特征在于:所述的短小敏感梁(3)和寬大支撐梁(4)以及懸空質(zhì)量塊(5)與硅基底(I)之間存在著7-15μπι的間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合八梁高頻響加速度傳感器芯片，其特征在于:所述的具有八梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器芯片是由MEMS制造技術(shù)制作的加速度轉(zhuǎn)換芯片。
【文檔編號】G01P15/135GK103995151SQ201410234752
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】趙玉龍, 王鵬 申請人:西安交通大學(xué)