CN103941041A - 一种三框架结构的单质量块三轴mems加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，包括三个框架结构：悬浮内框架、悬浮外框架与固定框架，所述固定框架以键合的方式与底座形成密封连接。所述三个框架结构呈对称布置，形状为矩形或环形。还包括设置于X、Y、Z方向上的弹性感应梁。所述X方向敏感梁上的压敏电阻以串联方式布置在电桥的一个桥臂，其上的压敏电阻变化能减少与Y轴、及Z轴之间的耦合。Y方向敏感梁上的压敏电阻变化也能减少其与X轴、及Z轴间的耦合。Z方向敏感梁上的压敏电阻变化也能减少其与X轴、Y轴间的耦合。本发明设计巧妙，产品良率高，解决了现有技术中中单质量块压敏电阻式三轴MEMS加速度传感器轴间耦合过大、灵敏度低、测量精度低的问题。

Description

一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计

技术领域

本发明涉及用于测量加速度的仪器领域，特别涉及一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计。 

背景技术

加速度计是用来测量加速度的仪器，在航天、航海、汽车具有重要的应用价值。随着微机电MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）产业的兴起，加速度计逐渐向微型化、集成化方向发展。MEMS加速度计具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、易批量生产等优点，目前已广泛应用于车辆、测试、航空航天、日常运动监控、游戏及一些消费类电子产品等领域。MEMS加速度传感器通常分为压敏电阻式、电容式、压电式等类型。其中，压敏电阻式MEMS加速度传感器因其具有尺寸小、无迟滞、动态响应特性及输出性好、频率范围宽、测量加速度范围宽、直接输出电压信号、批量生产成本低、与硅集成电路平面工艺兼容性好等一系列优点，应用最为广泛。 

现有压敏电阻式MEMS加速度传感器的结构通常可分为单质量块三轴加速度传感器结构、或由三个单轴加速度传感器组装而成的三轴结构等类型。如图1所示为传统单质量块多轴加速度传感器芯片的结构示意图。其中由三个单轴加速度传感器组装而成的三轴结构存在机械精度低、体积和质量过大的问题。单质量块三轴加速度传感器结构相比之下具有结构紧凑，体积小，重量轻，单位面积衬底片上能生产更多的传感芯片单元等优势。但是因为是靠一个质量块来感应x,y,z三个轴向的加速度变化，这种加速度传感器存在由其结构设计带来的一些问题。主要是多轴之间的轴间耦合大，灵敏度和测量精度低等问题（如图1），现有的设计为了避免多轴之间的轴间耦合，往往是通过改变支撑感应梁的轴向刚度来使其只对感应轴向（如x轴）的加速度变化产生较大变形，而对另一轴向（如y轴）的加速度变化产生较小的变形。但由于感应梁都连接在质量 块上，无论怎样改变其轴向刚度，都会对感应梁的变形敏感度产生影响，进而影响测量的精度。 

发明内容

本发明提供一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，解决了现有技术中单质量块压敏电阻式三轴MEMS加速度传感器轴间耦合过大、灵敏度低、测量精度低等问题，同时又要结构简单，避免工艺过于复杂造成产品良率低。 

本发明的技术方案是这样实现的： 

一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，包括三个框架结构：悬浮内框架、悬浮外框架与固定框架，所述固定框架以键合的方式与底座形成密封连接。 

进一步，所述三个框架结构呈对称布置，形状为矩形或环形。 

该加速度计还包含一个悬浮的质量块，所述质量块为正方体型、长方体型或圆柱体型等，用于感知X、Y、Z三个方向的加速度变化。 

该加速度计还包括第一敏感梁，用以连接质量块与悬浮内框架，该梁上以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置有压敏电阻，所述敏感梁为X方向的弹性感应梁。 

该加速度计还包括第二敏感梁，用以连接悬浮内框架与悬浮外框架，该梁上以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置有压敏电阻，所述敏感梁为Y方向的弹性感应梁。 

该加速度计还包括第三敏感梁，用以连接悬浮外框架与固定框架，该梁上以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置有压敏电阻，所述敏感梁为Z方向的弹性感应梁。 

所述敏感梁的两端采用对称连接方式，与上述质量块或框架连接，且可在连接端部采用采用不同的布置结构，以加强敏感梁与所连接质量块或框架的连接强度，确保敏感梁不会产生扭转变形，但又保持敏感梁的中心敏感部分刚度不会太大，在质量块移动时能产生足够大的变形。 

进一步，所述X、Y、Z方向敏感梁上的压敏电阻均以串联方式布置在电桥的一个桥臂。 

当X方向敏感梁上的压敏电阻以串联方式布置在电桥的一个桥臂时，这样只有X方向上的形变才能在这两个电阻上产生同样的变化，而在Y方向上的小变形因一边的梁受到拉力，另一个梁受到压力，所以其上的两个压敏电阻会一个变大，一个变小，其和将变化很小，这样将进一步减少其与Y轴间的耦合。 

同理，Y方向敏感梁上的压敏电阻变化也能减少其与X轴、Z轴间的耦合。 

同理，Z方向敏感梁上的压敏电阻变化也能减少其与X轴、Y轴间的耦合。 

本发明通过结构和尺寸的不同设计方法，使得不同的敏感梁在不同的方向上具有不同的刚度，从而避免敏感梁间的耦合，具体如下所述： 

在尺寸设计上，所述质量块具有较大的长度、宽度与厚度。 

在尺寸设计上，X方向上的敏感梁其X方向尺寸小于Y方向尺寸，在Z方向上的厚度相对X、Y方向尺寸都较大，即尺寸为：Z>Y>X。这种设计是使所述敏感梁只在X方向上变形大，在Y、Z两个方向上变形不敏感，相应的压敏电阻只对X方向的变形产生大的电阻变化。 

在尺寸设计上，Y方向上的敏感梁其Y方向尺寸小于X方向尺寸，在Z方向上的厚度相对X、Y方向尺寸都较大，即尺寸为：Z>X>Y，这样设计是使所述敏感梁只在Y方向上变形大，在X、Z两个方向上变形不敏感，相应的压敏电阻只对Y方向的变形产生大的电阻变化。 

在尺寸设计上，Z方向上的敏感梁其X、Y方向尺寸较大，即尺寸为：X>Z，Y>Z，这样设计是使所述敏感梁只在Z方向上变形大，在X、Y两个方向上变形不敏感，相应的压敏电阻只对Z方向的变形产生大的电阻变化。 

上述所有的压敏电阻均采用标准压敏电阻硅加工工艺制成，通过惠斯通电桥输出来感知加速度的变化，因为所有压敏电阻工艺相同，所以它们有相同的温度漂移特性，又因为电桥的对称性布置，这样的设计就能大大减小因为温度漂移所带来的测量误差。 

进一步，所述测试电路由多个参考压敏电阻及布置在同一个桥臂上的感应压敏电阻构成，包括电源端、电压输出端与接地端。 

所述参考压敏电阻具有相同的温度漂移特性，加上电桥的对称性布置，能大大减少因为温度漂移所带来的测量误差。 

本发明的有益效果是，结构简单，设计巧妙，产品良率高，有效解决了现有技术中单质量块压敏电阻式三轴MEMS加速度传感器轴间耦合过大、灵敏度低、测量精度低的问题。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为传统单质量块多轴加速度传感器芯片的结构示意图。 

图2为本发明的结构示意图。 

图3为图2的A-A向剖视图。 

图4为图2的B-B向剖视图。 

图5为X轴向加速度测试电路的示意图。 

图6为Y轴向加速度测试电路的示意图。 

图7为Z轴向加速度测试电路的示意图。 

图8为敏感梁两端的对称连接状态示意图。 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

参看图2至图8，一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计包括三个框架结构：悬浮内框架1，悬浮外框架2和固定框架3，其中固定框架3以键合的方式与底座8形成密封连接，如图2所示。 

该加速度计还包含一个悬浮的质量块7，该质量块可为正方体型，长方体型，或圆柱体形等，用来感知x,y,z三个方向上的加速度变化。该加速度计还包含敏感梁4（包含敏感梁4－1，4－2），用以连接质量块7与悬浮内框架1，该梁上以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置有压敏电阻R1和R2，该梁为x方向的弹性感应梁。该加速度计还包含敏感梁5（包含敏感梁5－1，5－2），用以连接悬浮内框架1与悬浮外框架2，该梁上以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置有压敏电阻R3和R4，该梁为y方向的弹性感应梁。该加速度计还包含敏感梁6（包含敏感梁6－1，6－2，6－3，6－4），用以连接悬浮外框架2与固定框架3，该梁上以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置有压敏电阻R5，R6，R7和R8，该梁为z方向的弹性感应梁。该加速度计还包含以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置在固定框架3上的压敏电阻R9，R10，R11，它们与敏感梁4上的压敏电阻R1和R2组成测试x方向加速度的惠斯通电桥，如图3所示。 

该加速度计还包含以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置在固定框架3上的压敏电阻R12，R13，R14，它们与敏感梁5上的压敏电阻R3和R4组成测试y方向加速度的惠斯通电桥，如图4所示。 

该加速度计还包含以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置在固定框架3上的压敏电阻R15，R16，R17，它们与敏感梁6上的压敏电阻R5，R6，R7和R8组成测试z方向加速度的惠斯通电桥，如图5所示。 

该加速度计还包含以现有的标准压阻硅加工工艺布置在固定框架3上的压阻R12，R13，R14，它们与敏感梁5上的压阻R3和R4组成测试y方向加速度的惠斯通电桥，如图6所示。 

该加速度计还包含以现有的标准压阻硅加工工艺布置在固定框架3上的压阻R15，R16，R17，它们与敏感梁6上的压阻R5，R6，R7和R8组成测试z方向 加速度的惠斯通电桥，如图7所示。 

该加速度计的平面图见图2，剖面图见图3和图4。其中质量块7，敏感梁4，内框架1，敏感梁5，外框架2，敏感梁6都是悬浮结构，固定框架3与底座键合，为固定不动的部件。 

本发明通过结构和尺寸的不同设计方法，使得不同的敏感梁在不同的方向上具有不同的刚度，从而避免敏感梁间的耦合。具体如下所述： 

在尺寸设计上，质量块7具有较大的长度，宽度和厚度。 

在尺寸设计上，敏感梁4的特点是在x方向尺寸较小，在y方向尺寸较大，在z方向上厚度相对其长度和宽度要大，较质量块7可略小，如图4所示，这样设计后敏感梁4只在x方向上变形大，在y，z两个方向上变形不敏感，相应的压阻R1，R2只对x方向的变形产生大的电阻变化。 

在尺寸设计上，敏感梁5的特点是在x方向尺寸较大，在y方向尺寸较小，在z方向上厚度相对其长度和宽度要大，较质量块7可略低，如图3所示，这样设计后敏感梁5只在y方向上变形大，在x，z两个方向上变形不敏感，相应的压阻R3，R4只对y方向的变形产生大的电阻变化。 

在尺寸设计上，敏感梁6的特点是在x，y方向上尺寸较大，在z方向上厚度相对其长度和宽度要小，如图3及图4所示，这样设计后敏感梁6只在z方向上变形大，在x，y两个方向上变形不敏感，相应的压阻R5，R6，R7和R8只对z方向的变形产生大的电阻变化。 

在尺寸设计上，敏感梁两端与质量块或框架的连接上，可采用对称方式连接，如图2所示，且可在连接端部采用不同的布置结构，图8所示的为一种结构，但不限于这种结构，以加强敏感梁与所连接质量块或框架的连接强度，确保敏感梁不会产生扭转变形，但又保持敏感梁的中心敏感部分刚度不会太大，在质量块移动是能产生足够大的变形。 

该加速度计的测试电路具有以下特点：1）所有的压敏电阻采用标准压阻硅加工工艺制成，通过惠斯通电桥输出来感知加速度的变化（图2，图5，图6，图7）。2）敏感梁的压阻处于惠斯通电桥的一个桥臂，其它桥臂上都是固定框 架3上的参考压阻，因为所有压阻工艺相同，所以它们有相同的温度漂移特性。又因为电桥的对称性布置，这样的设计就能大大减小因为温度漂移所带来的测量误差。3）敏感梁4（x轴敏感）上的压阻R1,R2以串联方式布置在电桥的一个桥臂，这样只有x方向上的形变才能在这两个电阻上产生同样的变化；而在y方向上的小变形因一边的梁受到拉力（如4－1），另一个梁受到压力（如4－2），所以压阻R1,R2会一个变大一个变小，其和将变化很小，这样将进一步减少其与y轴间的耦合。同理，在敏感梁5（y轴敏感）上的压阻变化也能减少其与x轴间的耦合。同理，在敏感梁6（z轴敏感）上的压阻变化也能减少其与x，y轴间的耦合。 

该加速度计的微加工工艺简单，加速度的MEMS结构（图2，图6，图7）由硅片通过标准的光刻和深反应离子刻蚀(DRIE)工艺完成，而各压敏电阻由标准的光刻和半导体掺杂工艺（如扩散或离子注入）完成。加速度的底座材料可以是硅片，玻璃片等；底座经光刻和干法或湿法腐蚀工艺刻蚀出一个空腔结构（图6，图7）。然后将MEMS硅结构与底座采用MEMS标准键合工艺键合在一起（如底座是硅片，则采用硅－硅低温键合工艺。如果底座是玻璃片，可采用阳极键合工艺）。键合完成后的芯片可直接封装在标准的封装管壳中。 

该三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计的工作原理为： 

质量块7，敏感梁4，内框架1，敏感梁5，外框架2，敏感梁6都是悬浮结构。当出现加速度的变化时，质量块7产生移动，并带动敏感梁4，内框架1，敏感梁5，外框架2，敏感梁6产生移动。 

x方向的加速度变化由质量块7传递到敏感梁4上的压敏电阻R1,R2感知。敏感梁5和敏感梁6对x方向的加速度变化不敏感。 

y方向的加速度变化经质量块7，敏感梁4，内框架1传递到敏感梁5上的压敏电阻R3,R4感知。敏感梁4和敏感梁6对y方向的加速度变化不敏感。 

z方向的加速度变化经质量块7，敏感梁4，内框架1，敏感梁5，外框架2传递到敏感梁6上的压敏电阻R5,R6,R7,R8感知。敏感梁4和敏感梁5对z方向的加速度变化不敏感。 

综上所述，本发明通过上述结构解决了现有技术中单质量块压敏电阻式三轴MEMS加速度传感器轴间耦合过大、灵敏度低、测量精度低等问题，结构简单，设计巧妙，产品良率高，测量更精确。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (13)

1.一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，包括三个框架结构：悬浮内框架、悬浮外框架与固定框架，所述固定框架以键合的方式与底座形成密封连接。

2.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，所述三个框架结构呈对称布置，形状为矩形或环形。

3.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，该加速度计还包含一个悬浮的质量块，所述质量块为正方体型、长方体型或圆柱体型。

4.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，还包括第一敏感梁，用以连接质量块与悬浮内框架，所述第一敏感梁为X方向上的弹性感应梁。

5.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，还包括第二敏感梁，用以连接悬浮内框架与悬浮外框架，所述第二敏感梁为Y方向上的弹性感应梁。

6.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，还包括第三敏感梁，用以连接悬浮外框架与固定框架，所述第三敏感梁为Z方向上的弹性感应梁。

7.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，所述敏感梁的两端采用对称连接方式，连接所述质量块或框架。

8.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，所述X、Y、Z方向敏感梁上的压敏电阻均以串联方式布置在电桥的一个桥臂。

9.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，所有的压敏电阻均采用同样的标准压敏电阻硅加工工艺制成。

10.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，所述测试电路由多个参考压敏电阻及布置在同一个桥臂上的感应压敏电阻构成，包括电源端、电压输出端与接地端。

11.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，在尺寸设计上，X方向上的敏感梁其X方向尺寸小于Y方向尺寸，在Z方向上的厚度相对X、Y方向尺寸都较大，即尺寸为：Z>Y>X。

12.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，在尺寸设计上，Y方向上的敏感梁其Y方向尺寸小于X方向尺寸，在Z方向上的厚度相对X、Y方向尺寸都较大，即尺寸为：Z>X>Y。

13.根据权利要求1所述的一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，其特征在于，在尺寸设计上，Z方向上的敏感梁其X、Y方向尺寸较大，即尺寸为：X>Z，Y>Z。