CN103808961B - 悬臂件及应用其的谐振式加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种悬臂件及应用其的谐振式加速度传感器。其中的一种悬臂件包括：支撑框架；第一质量块和第二质量块，左右对称悬空设置于支撑框架内；第一支撑梁，连接于第一质量块和第二质量块上部之间，其中部连接于外侧的支撑框架；第二支撑梁，与第一支撑梁对称设置，连接于第一质量块和第二质量块下部之间，其中部连接于外侧的支撑框架；以及第一谐振梁，连接于第一质量块和第二质量块中部之间；其中，第一质量块和第二质量块的厚度大于第一支撑梁和第二支撑梁的厚度；第一支撑梁和第二支撑梁的厚度大于第一谐振梁的厚度。本发明中，悬臂件均能够有效提高了惯性力-轴向应力的转化效率，进而应用其的谐振式加速度传感器可大幅提高灵敏度。

Description

悬臂件及应用其的谐振式加速度传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种悬臂件及应用其的谐振式加速度传感器。

背景技术

微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，简称MEMS)技术是建立在微电子技术和微机械技术基础上的一种前沿技术。采用MEMS技术加工而成的微惯性传感器克服了传统惯性仪器成本高、体积大以及功耗高等缺陷，使惯性传感器在很多新兴领域的应用成为可能。

谐振式加速度传感器是一种典型的MEMS惯性器件。其基本工作原理是：敏感质量块将外界加速度转换为振动梁的内应力，内应力引起振动梁的固有谐振频率变化，通过检测振动梁的谐振频率变化可获取输入的加速度大小。MEMS硅微谐振式加速度传感器不仅具有MEMS传感器体积小、重量轻、功耗低、易批量生产等特点，同时由于传感器的输出信号为频率信号，是一种准数字信号，不易受到环境噪声的干扰，在传输和处理中也不易出现误差，因此，这种传感器易于实现高精度测量，属于高性能器件，成为微加速度传感器的一个重要发展方向。

图1为现有技术硅微谐振式加速度传感器的结构示意图。如图1所示，该硅微谐振式加速度传感器的悬臂结构由谐振梁和敏感质量块组成，被测加速度经质量块转换为惯性力，通过应力转换机构将惯性力转换为可改变谐振梁刚度的轴向应力，进而导致谐振梁的频率发生改变，通过测量谐振梁的频率来获得加速度的大小。

申请人发现现有技术的悬臂结构及应用其的谐振式加速度传感器存在如下缺陷：(1)悬臂结构中，由于外界加速度和振动梁内应力在同一平面内，振动梁的应力转换效率差；(2)由于悬臂结构的应力转换效率差，导致硅微谐振式加速度传感器的灵敏度偏低，一般小于200Hz/g，难以满足高灵敏度加速度传感器的要求；(3)由于硅基材料自身不具有压电特性，悬臂结构的谐振器不能直接应用类似石英材料的压电效应驱动和检测，目前常用静电激励/电容检测和电热激励/压阻检测两种方式，但这两种激励/检测方式存在输出信号微弱或输出热漂移严重等缺点；(4)由于振动梁的谐振频率漂移以及温度等外界环境因素的影响，传感器输出的稳定性较差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决谐振式加速度传感器上述的一个或多个问题，本发明提供了一种悬臂件及应用其的硅微谐振式加速度传感器，以提高悬臂件的转换效率。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种悬臂件。该悬臂件在衬底上通过多次刻蚀形成，包括：支撑框架；第一质量块和第二质量块，左右对称悬空设置于所述支撑框架内；第一支撑梁，连接于第一质量块和第二质量块上部之间，其中部连接于外侧的支撑框架；第二支撑梁，与第一支撑梁对称设置，连接于第一质量块和第二质量块下部之间，其中部连接于外侧的支撑框架；以及第一谐振梁，连接于第一质量块和第二质量块中部之间；其中，所述第一质量块和第二质量块的厚度大于第一支撑梁和第二支撑梁的厚度；所述第一支撑梁和第二支撑梁的厚度大于所述第一谐振梁的厚度。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种包括上述悬臂件的谐振式加速度传感器，其还包括：磁场提供部件，用于为所述第一谐振梁提供均匀磁场；第一激振电极，用于施加交流激振信号于所述第一谐振梁；第一检测电极，位于所述第一谐振梁的表面，与外界引线连接，与所述第一激振电极绝缘，用于拾取所述第一谐振梁的振动信号。

根据本发明的又一个方面，还提供了一种悬臂件。该悬臂件在衬底上通过多次刻蚀形成，包括：支撑框架；第三质量块和第四质量块，左右对称悬空设置于所述支撑框架内；第三支撑梁，连接于第三质量块和外侧支撑框架之间；第四支撑梁，与第三支撑梁对称设置，连接于第四质量块和外侧支撑框架之间；以及第二谐振梁，连接于第三质量块和第四质量块中部之间；其中，所述第三质量块和第四质量块的厚度大于第三支撑梁和第四支撑梁的厚度；所述第三支撑梁和第四支撑梁的厚度大于所述第二谐振梁的厚度。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种上述悬臂件的谐振式加速度传感器，其还包括：磁场提供部件，用于为所述第二谐振梁提供均匀磁场；第二激振电极，用于施加交流激振信号于所述第二谐振梁；第二检测电极，位于所述第二谐振梁的表面，与外界引线连接，与所述第二激振电极绝缘，用于拾取所述第二谐振梁的振动信号。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种悬臂件，在衬底上通过多次刻蚀形成，包括：支撑框架，呈“曰”字形，在其围起的范围内分为上器件区域和下器件区域；第一悬臂件，形成于上器件区域内，包括：第一质量块和第二质量块，左右对称悬空设置于所述上器件区域和下器件区域其中之一内；第一支撑梁，连接于第一质量块和第二质量块上部之间，其中部连接于外侧支撑框架；第二支撑梁，与第一支撑梁对称设置，连接于第一质量块和第二质量块下部之间，其中部连接于外侧支撑框架；以及第一谐振梁，连接于第一质量块和第二质量块中部之间；其中，所述第一质量块和第二质量块的厚度大于第一支撑梁和第二支撑梁的厚度；所述第一支撑梁和第二支撑梁的厚度大于所述第一谐振梁的厚度；第二悬臂件，形成于下器件区域内，包括：第三质量块和第四质量块，左右对称悬空设置于所述上器件区域和下器件区域其中另一内；第三支撑梁，连接于第三质量块和外侧支撑框架之间；第四支撑梁，与第三支撑梁对称设置，连接于第四质量块和外侧支撑框架之间；以及第二谐振梁，连接于第三质量块和第四质量块中部之间；其中，所述第三质量块和第四质量块的厚度大于第三支撑梁和第四支撑梁的厚度；所述第三支撑梁和第四支撑梁的厚度大于所述第二谐振梁的厚度。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种包括上述悬臂件的谐振式加速度传感器，其还包括：磁场提供部件，用于为所述第一谐振梁和第二谐振梁提供均匀磁场；第一差分检测组件，位于所述第一谐振梁的表面，用于提供第一差分信号，包括：第一激振电极，用于激振所述第一谐振梁；第一检测电极，与所述第一激振电极绝缘，用于拾取所述第一谐振梁的振动信号，生成第一差分信号；第二差分检测组件，位于所述第二谐振梁的表面，用于提供第二差分信号，包括：第二激振电极，用于激振所述第二谐振梁；第二检测电极，与所述第二激振电极绝缘，用于拾取所述第二谐振梁的振动信号，生成第二差分信号；信号处理部件，分别与所述第一检测电极和第二检测电极连接，用于依照第一差分信号和第二差分信号形成差分检测，检测加速度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明悬臂件及应用其的谐振式加速度传感器具有以下有益效果：

(1)三种悬臂件均能够有效提高了惯性力-轴向应力的转化效率；

(2)通过提高悬臂件的应力转化效率，使传感器灵敏度大幅提高；

(3)采用电磁激励和电磁检测的方式，激励能量高，可有效补偿谐振器的能量消耗，提高传感器品质因数，提高传感器检测灵敏度；

(4)采用外悬臂件和内悬臂件组成的谐振式差分检测加速度传感器，可有效降低输出频率的漂移以及温度等外界环境因素对谐振器的影响，有效提高了传感器输出的稳定性；

(5)采用SOI硅片衬底和MEMS工艺加工，加工工艺简单，成品率高，可批量生产。

附图说明

图1为现有技术硅微谐振式加速度传感器的件示意图；

图2为本发明实施例外悬臂件的立体图；

图3为本发明实施例内悬臂件的立体图；

图4为本发明实施例外(内)悬臂件中谐振梁电极的俯视图；

图5为本发明实施例差分硅微谐振式加速度传感器的俯视图。

图6为本发明实施例差分硅微谐振式加速度传感器灵敏度测试结果。

【主要元件符号说明】

1a-第一质量块；1b-第二质量块；

1c-第三质量块；1d-第四质量块；

2-框架；

3a-第一支撑梁；3b-第二支撑梁；

3c-第三支撑梁；3d-第四支撑梁；

4a-第一谐振梁；4b-第二谐振梁；

5-激励电极；6-检测电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种外悬臂件。如图2所示，该外悬臂件包括：支撑框架，第一质量块1a和第二质量块1b，左右对称悬空设置于所述支撑框架内；第一支撑梁3a，连接于第一质量块1a上部和第二质量块1b上部之间，其中部连接于外侧支撑框架，其厚度小于第一质量块1a和第二质量块1b的厚度；第二支撑梁3b，与第一支撑梁3a对称设置，连接于第一质量块1a下部和第二质量块1b下部之间，其中部连接于外侧支撑框架；第一谐振梁4a，呈平放的“H”形，连接于第一质量块1a中部和第二质量块1b中部之间，其厚度小于第一支撑梁3a和第二支撑梁3b的厚度。

在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了一种内悬臂件，如图3所示，该内悬臂件包括：支撑框架，第三质量块1c和第四质量块1d，左右对称悬空设置于所述支撑框架内；第三支撑梁3c，连接于第三质量块1c和外侧支撑框架之间，其厚度小于第三质量块1c和第四质量块1d的厚度；第四支撑梁3d，与第三支撑梁3c对称设置，连接于第四质量块1d和外侧支撑框架之间；第二谐振梁4b，连接于第三质量块1c中部和第四质量块1d中部之间，其厚度小于第三支撑梁3c的厚度。其中，第三支撑梁3c由第三上支撑梁和第三下支撑梁组成，分别连接于第三质量块1c的上部和下部。第四支撑梁3d与第三支撑梁3c类似。

图2所示的外悬臂件和图3所示的内悬臂件均可以通过深刻蚀工艺在SOI硅片衬底上实现，可应用于硅微谐振式加速度传感器。

当器件受到外界加速度的作用时，质量块受到惯性力的作用而产生位移，质量块的位移会使得与之连接的谐振梁产生弯曲形变，进而使得谐振梁所受到的应力和刚度发生改变，表现为谐振梁固有谐振频率的变化。其频率的改变和应力变化以及质量块受到的加速度近似线性关系，所以通过检测谐振梁的固有频率的变化就可以实现检测加速度的目的。

上述两实施例中的外悬臂件和内悬臂件，由质量块和支撑梁组成的悬臂件，谐振梁(4a，4b)刚度小于支撑梁(3a，3b)刚度，且谐振梁厚度(4a，4b)小于支撑梁(3a，3b)厚度，当质量块(1a，1b)受加速度作用时，“H”型谐振梁(4a，4b)表面应力受支撑梁(3a，3b)影响，相当于截取其上表面应力而变化明显，通过利用这种支撑梁(3a，3b)与谐振梁(4a，4b)厚度不同的设计，加速度作用于质量块(1a，1b)的惯性力转换为谐振梁(4a，4b)的内应力并得到放大，从而使质量块和谐振器的惯性力——轴向应力转换效率提高，使得器件灵敏度大幅提高。

如图2和图3所示，质量块(1a、1b、1c和1d)、谐振梁(4a、4b)、支撑梁(3a、3b、3c和3d)位于同一平面上。为了提高加速度检测灵敏度，在本发明优选的实施例中，悬臂件具有三种不同厚度，具体比例为：谐振梁(4a、4b)：支撑梁(3a、3b、3c和3d)：质量块(1a、1b、1c和1d)为1:6:30。

此外，为了提高调整的灵活性，在本发明优选的实施例中，外悬臂件和内悬臂件的质量块(1a、1b、1c和1d)均呈矩形。当然，为了保证连接的可靠性，在质量块与谐振梁相连接的部位，可以设置凸起，如图2所示。

为了提高输出信号的强度，在本发明优选的实施例中，不同于现有技术中采用的静电激励/电容检测和电热激励/压阻检测两种方式，上述两实施例的谐振梁均采用采用电磁激励/电磁检测的方式。

以外悬臂件为例，如图4所示，其第一谐振梁呈左旋90°的“H”形，包括：上下两根双端固支矩形梁，其长度、宽度和厚度完全一致；中间绝缘部分，连接于上下两根双端固支矩形梁，用于使两根梁在低阶频率时能够同时同相同频振动；激振电极6和检测电极5，分别位于纵向两条状矩形梁的上表面，分别与外界引线连接，用于激振谐振梁和拾取振动信号，并可以降低信号之间的干扰，提高信噪比，从而避免了电极之间电流(电压)信号出现串扰，影响检测。

具体来讲，对于采用电磁激励和电磁检测方式的述两种悬臂件：

$F=ma=m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+b\frac{dx}{dt}+kx---\left(1\right)$

加速度和位移关系可由公式(1)获得，进行Lapalace变换，可以得到传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{X\left(s\right)}{A\left(s\right)}=\frac{1}{s^2+\frac{b}{m}s+\frac{k}{m}}=\frac{1}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_o}{Q}s+{{\mathrm{\ω}}_o}^2}---\left(2\right)$

一般加速度传感器是通过检测由于外加加速度引才的位移变化量(式(2))，如电容式加速度传感器等。但谐振式加速度传感器检测原理是通过系统谐振梁谐振频率ω_o(式(2))发生的变化Δω，“H”型谐振梁(4a、4b)的谐振频率由结构参数及垂直于质量块平面的Z轴方向加速度惯性力导致的谐振器上轴向应力决定，是系统的自由振动圆频率，是系统的品质因数。传感器的质量块大小m是一个常数，因此，系统刚度k的变化是谐振式传感器检测频率改变的关键因素。

在应用上述悬臂件的传感器工作时，采用电磁激励、电磁拾振方式来检测谐振频率，外加永磁体在谐振梁周围提供一个均匀磁场。“H”型谐振梁上分布两条独立的激振和拾振电极(两者可互换)，当谐振梁激振电极上通过交变电压时，谐振梁受安培力作用受迫振动，而拾振梁在激振梁带动下作同频振动切割磁场，形成幅值与拾振梁振幅相关的感生电压作为输出信号。

在需要测定谐振频率时，对谐振器的激振梁施加交流激振信号，在外加永磁场的作用下，谐振器的激振梁将受到安培力作用而作受迫振动，随着电压方向的变化，安培力方向也随之周期性变化，从而使得谐振器的激振梁因受到方向周期性变化的力而产生振动(称为激振)。谐振器的激振梁和拾振梁被中间矩形块连接，在合适的振动模态下，拾振梁上的电极会产生感应电动势，其频率与激振梁所加电压频率相同(称为拾振)。当所加电压频率接近或等于整个谐振梁的固有频率时，谐振器将发生共振，拾振梁的振幅达到最大，拾振电极的感生电动势的幅值也达到最大，通过检测拾振梁的感生电动势频率就可以确定谐振器的固有频率，进而达到检测加速度大小的目的。由于激振电极和拾振电极分布与结构是对称的，两者可以互换使用。

当然，上述两种悬臂件不仅能够采用电磁激励/电磁检测的方式，同样还可以采用现有技术中的静电激励/电容检测和电热激励/压阻检测两种方式，本领域技术人员可以根据需要进行相应的设置即可，此处不再详细描述。

需要说明的是，上述两种悬臂件可以单独使用，也可以结合在一起使用。以下提供一种同时应用上述内悬臂件和外悬臂件的差分式悬臂件。

在本发明的再一个示例性实施例中，还提供了一种应用上述两种悬臂件的悬臂件。如图5所示，该硅微谐振式加速度传感器包括：支撑框架2、外悬臂件和内悬臂件。其中，支撑框架2，呈“日”字形，在其围起的范围内形成上器件区域和下器件区域。第一差分检测结构，其形成于上器件区域，为上述实施例中的外悬臂件，该外悬臂件左右对称设置于该上器件区域内，其中，第一支撑梁3a的中部连接于上器件区域上侧的支撑框架；第二支撑梁3b的中部连接于上器件区域下侧的支撑框架。第二差分检测机构，形成于下器件区域，为上述实施例中的内悬臂件，该内悬臂件左右对称设置于该下器件区域内，其中，第三支撑梁3c连接于第三质量块1c和下器件区域左侧的支撑框架之间，第四支撑梁3d连接于第四质量块1d和下器件区域右侧的支撑框架之间。

基于上述的悬臂件，本发明还提供了一种谐振式加速度传感器。该谐振式加速度传感器还包括：磁场提供部件、第一差分检测组件、第二差分检测组件和信号处理部件。其中，磁场提供部件，用于为所述第一谐振梁和第二谐振梁提供均匀磁场。第一差分检测组件，位于所述第一谐振梁的表面，用于提供第一差分信号，包括：第一激振电极，用于激振所述第一谐振梁；第一检测电极，与所述第一激振电极绝缘，用于拾取所述第一谐振梁的振动信号，生成第一差分信号。第二差分检测组件，位于所述第二谐振梁的表面，用于提供第二差分信号，包括：第二激振电极，用于激振所述第二谐振梁；第二检测电极，与所述第二激振电极绝缘，用于拾取所述第二谐振梁的振动信号，生成第二差分信号。信号处理部件，分别与所述第一检测电极和第二检测电极连接，用于依照第一差分信号和第二差分信号，检测加速度。

本实施例硅微谐振式加速度传感器中，支撑梁3a、3b和质量块1a、1b共同组成悬臂件，支撑梁3a、3b对质量块1a、1b起到机械支撑作用；而两组支撑梁位置的不同分布使其对两个“H”型谐振梁4a、4b分别起到拉伸和压缩的效果。当有垂直于器件平面方向的加速度作用于整个器件时，质量块由于受到惯性力的作用产生位移。一组差分检测结构的支撑梁位于两个质量块内侧，对谐振梁将起到拉伸作用；另一组差分检测结构的支撑梁处于两个质量块外侧，对谐振梁将起到压缩作用。这样，两组谐振梁所受到的应力方向相反，使得在加速度作用下频率变化方向相反，从而实现差分检测。差分检测对提高传感器的灵敏度和线性范围有一定作用，同时可有效的降低应力材料、温度等造成的影响，使得传感器输出稳定性更好。

本发明的加速度传感器，主要通过深刻蚀工艺在SOI硅片衬底上实现了质量块、支撑梁、谐振器的不等厚度复杂结构加工，整个器件最终封装于真空中。本发明在设计时将质量块、支撑梁和谐振器的厚度设定为300um，30um和5um。在SOI硅片衬底上，通过正面刻蚀绝缘层上硅器件层实现了谐振器的加工，在背面加工时，通过两步深刻蚀工艺实现了支撑梁和质量块的不等厚度加工。

如图6所示，重力场±1g静态翻滚实验测试结果显示，两组差分结构的“H”型谐振梁频率随所加外部加速度呈现相反方向变化。传感器整体差分灵敏度可达813Hz/g。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：“H”形谐振梁还可以音叉梁形式；矩形质量块还可以是其他如三角形、梯形等形式；永磁场也可以是电磁等形式。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种悬臂件，其特征在于，在衬底上通过多次刻蚀形成，包括：

支撑框架，呈“曰”字形，在其围起的范围内分为上器件区域和下器件区域；

第一悬臂件，形成于上器件区域内，包括：第一质量块和第二质量块，左右对称悬空设置于所述上器件区域和下器件区域其中之一内；第一支撑梁，连接于第一质量块和第二质量块上部之间，其中部连接于外侧支撑框架；第二支撑梁，与第一支撑梁对称设置，连接于第一质量块和第二质量块下部之间，其中部连接于外侧支撑框架；以及第一谐振梁，连接于第一质量块和第二质量块中部之间；其中，所述第一质量块和第二质量块的厚度大于第一支撑梁和第二支撑梁的厚度；所述第一支撑梁和第二支撑梁的厚度大于所述第一谐振梁的厚度；

第二悬臂件，形成于下器件区域内，包括：第三质量块和第四质量块，左右对称悬空设置于所述上器件区域和下器件区域其中另一内；第三支撑梁，连接于第三质量块和外侧支撑框架之间；第四支撑梁，与第三支撑梁对称设置，连接于第四质量块和外侧支撑框架之间；以及第二谐振梁，连接于第三质量块和第四质量块中部之间；其中，所述第三质量块和第四质量块的厚度大于第三支撑梁和第四支撑梁的厚度；所述第三支撑梁和第四支撑梁的厚度大于所述第二谐振梁的厚度。

2.根据所述权利要求1所述的悬臂件，其特征在于，所述第一质量块、第二质量块、所述第三质量块、第四质量块、第一支撑梁、第二支撑梁、第三支撑梁、第四支撑梁、第一谐振梁、第二谐振梁的上表面均处于同一平面上。

3.根据权利要求1所述的悬臂件，其特征在于：

T1：T2：T3＝1：6：30

其中：T1为第一谐振梁和第二谐振梁的厚度；T2为第一支撑梁、第二支撑梁、第三支撑梁和第四支撑梁的厚度；T3为第一质量块、第二质量块、所述第三质量块和第四质量块的厚度。

4.根据权利要求1所述的悬臂件，其特征在于：所述第一质量块、第二质量块、所述第三质量块和第四质量块为矩形质量块、三角形质量块或梯形质量块。

5.根据权利要求1所述的悬臂件，其特征在于：所述第一谐振梁和第二谐振梁呈平放的“H”形或平放的音叉形。

6.一种包括权利要求1至5中任一项所述悬臂件的谐振式加速度传感器，其特征在于，还包括：

磁场提供部件，用于为所述第一谐振梁和第二谐振梁提供均匀磁场；

第一差分检测组件，位于所述第一谐振梁的表面，用于提供第一差分信号，包括：

第一激振电极，用于激振所述第一谐振梁；

第一检测电极，与所述第一激振电极绝缘，用于拾取所述第一谐振梁的振动信号，生成第一差分信号；

第二差分检测组件，位于所述第二谐振梁的表面，用于提供第二差分信号，包括：

第二激振电极，用于激振所述第二谐振梁；

第二检测电极，与所述第二激振电极绝缘，用于拾取所述第二谐振梁的振动信号，生成第二差分信号；

信号处理部件，分别与所述第一检测电极和第二检测电极连接，用于依照第一差分信号和第二差分信号形成差分检测，检测加速度。

7.根据权利要求6所述的谐振式加速度传感器，其特征在于，为在硅衬底上通过MEMS工艺加工而成。