CN112014596B

CN112014596B - 加速度计及其制作方法

Info

Publication number: CN112014596B
Application number: CN201910464711.7A
Authority: CN
Inventors: 李森林
Original assignee: Wuhan Jiekai Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Jiekai Technology Co ltd
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2039-05-30
Also published as: CN112014596A

Abstract

本申请公开了加速度计及其制作方法。其中，所述加速度计包括结构层，所述结构层包括：边框结构，所述边框结构形成有一容置空间；固支梁，所述固支梁设在所述容置空间中；质量块，所述质量块设于所述固支梁上；检测电路，所述检测电路用于基于所述质量块产生的所述作用力而输出至少一轴向加速度对应的电信号，其中，检测电路包括：至少两个应变电阻，所述至少两个应变电阻分别设于所述固支梁靠近所述质量块的一端或两端上；至少两个匹配电阻，所述至少两个匹配电阻设于所述质量块上；其中，所述至少两个应变电阻与所述至少两个匹配电阻组成至少一组惠斯通电桥。上述方案，能够削弱加速度的交叉耦合干扰。

Description

加速度计及其制作方法

技术领域

本申请涉及传感技术领域，特别是涉及加速度计及其制作方法。

背景技术

近年来，加速度计特别是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)加速度计广泛应用于航空航天、消费电子、汽车电子等领域。随着各种应用的快速扩展，加速度计的性能要求也越来越高。但由于现有加速度计存在交叉耦合干扰的问题，在很大程度上限制了加速度计的性能。所谓交叉耦合干扰，即加速度计输出的轴向加速度的相关电信号会存在其他轴向加速度干扰的信号成分，例如，对于三轴加速度计，Z轴向加速度和Y轴向加速度一定程度上影响到对应X轴向加速度的电信号，从而导致根据该电信号测得的X轴向加速度不够准确，其他轴向加速度同理，因此限制了加速度的性能。

故如何削弱甚至消除交叉耦合干扰，是目前关于加速度计设计的一个极为重要的课题。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供加速度计及其制作方法，能够削弱加速度的交叉耦合干扰。

为了解决上述问题，本申请第一方面提供了一种加速度计，包括结构层，所述结构层包括：

边框结构，所述边框结构形成有一容置空间；

固支梁，所述固支梁设在所述容置空间中；

质量块，所述质量块设于所述固支梁上，在所述加速度计受到加速度时，所述质量块由于所述加速度而对所述固支梁产生作用力；

检测电路，用于基于所述质量块产生的所述作用力而输出至少一轴向加速度对应的电信号；其中，所述检测电路包括：

至少两个应变电阻，所述至少两个应变电阻分别设于所述固支梁靠近所述质量块的一端或两端上，所述应变电阻能够由于所述质量块产生的所述作用力而引起阻值变化；

至少两个匹配电阻，所述至少两个匹配电阻设于所述质量块上；

其中，所述至少两个应变电阻与所述至少两个匹配电阻组成至少一组惠斯通电桥，每组惠斯通电桥用于产生一目标轴向加速度对应的电信号；所述惠斯通电桥在所述加速度计受到所述目标轴向加速度时产生的所述电信号大于在所述加速度计受到非目标轴向加速度时产生的所述电信号。

为了解决上述问题，本申请第二方面提供了一种加速度计的制作方法，包括：

提供一基础层；

在所述基础层的第一表面制作至少两个应变电阻、至少两个匹配电阻以及连接所述至少两个应变电阻、至少两个匹配电阻的导线，以制作得到检测电路；其中，所述至少两个匹配电阻位于所述质量块上；所述至少两个应变电阻分别位于所述固支梁靠近所述质量块的一端或两端上；所述至少两个应变电阻与所述至少两个匹配电阻通过所述导线连接，组成至少一组惠斯通电桥，每组惠斯通电桥用于产生一目标轴向加速度对应的电信号；所述惠斯通电桥在所述加速度计受到所述目标轴向加速度时产生的所述电信号大于在所述加速度计受到非目标轴向加速度时产生的所述电信号；

对所述基础层与所述第一表面相背的第二表面进行刻蚀形成质量块和边框结构，其中，所述边框结构与所述质量块具有间隙；

对所述基础层的所述第一表面进行刻蚀形成固支梁，其中，所述固支梁设在所述边框结构形成的容置空间中，且所述固支梁的两端分别固定于所述边框结构。

上述方案中，加速度计设有能够感应质量块对固支梁的作用力的应变电阻，通过应变电阻与质量块上的匹配电阻组成至少一组惠斯通电桥，其中，对于每组惠斯通电桥，因受到非目标轴加速度时产生的电信号对因受到目标轴向加速度时产生的电信号影响较低，甚至可忽略不计，故无论受到任何轴向加速度，惠斯通电桥输出的电信号基本是来自于目标轴向加速度，基本不受或者较低程度受该惠斯通电桥的非目标轴向加速度的干扰，故可利用该惠斯通电桥输出的电信号直接计算出其目标轴向加速度，降低了交叉耦合干扰。

附图说明

图1a是本申请加速度计一实施例的俯视结构示意图；

图1b是本申请加速度计又一实施例的俯视结构示意图；

图2a是本申请加速度计一实施例的一种惠斯通电桥的结构示意图；

图2b是本申请加速度计一实施例的另一种惠斯通电桥的结构示意图；

图3是本申请加速度计一实施例的再一种惠斯通电桥的结构示意图；

图4是本申请加速度计另一实施例的部分俯视结构示意图；

图5a-图5d是本申请加速度计多个不同实施例的俯视结构示意图；

图6是本申请加速度计一实施例的侧视结构示意图；

图7是本申请加速度计另一实施例的侧视结构示意图；

图8是本申请加速度计又再一实施例的俯视结构示意图；

图9是本申请加速度计的制作方法一实施例的流程示意图；

图10a-图10i是利用本申请加速度计的制作方法对应步骤制作得到的加速度计的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本申请实施例的方案进行详细说明。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在 A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所述的多个或若干个，应理解为两个或者两个以上。

请参阅图1a，图1a是本申请加速度计一实施例的俯视结构示意图。本实施例中，加速度计100包括结构层110，该结构层110包括固支梁 111、质量块112、边框结构116以及检测电路130。

该边框结构116形成有一容置空间1161以用于容置该固支梁111 和质量块112。具体地，边框结构116环绕质量块112和固支梁111，且与质量块112具有间隙118。可以理解的是，该边框结构116可以但不限为圆环形或者方环形(如图1a所示)。

固支梁111的两端111b固定于边框结构116。可以理解的是，该固支梁111的两端111b可直接连接到边框结构116上，例如固支梁111的两端111b分别沿远离质量块112的长度方向延伸至边框结构116上；或者固支梁111也可通过其他结构(如隔离结构117)连接于边框结构116。

质量块112设于固支梁111上，具体设于固支梁111的中间位置(即与边框结构连接的两端111b之间)。在加速度计100受到加速度时，质量块112由于所述加速度而对固支梁111产生作用力。其中，该质量块 112的形状可根据实际需求进行设置，如图1a所示，质量块设置为工字型，在其他实施例中，也可设置为矩形或其他任意形状，在此不做限定。

检测电路130设在固支梁111与质量块112中的至少一者上，用于基于质量块112产生的作用力而输出至少一轴向加速度对应的电信号。可以理解的是，该轴向加速度可以为水平轴向加速度、或者竖直轴向加速度。具体地，该检测电路130可包括电连接的若干应变电阻113和匹配电阻114。

本实施例中，加速度计设有两端固定于边框结构上的固支梁，相比于单端固定的悬臂梁，双端固定的固支梁能够降低质量块运动的自由度，故在受到某一轴向加速度时，能够削弱对其他轴向引入的干扰，特别当受到与固支梁垂直的轴向加速度(例如Z轴)时，能够大大削弱会对与固支梁所在平面平行的其他轴向(例如X轴和Y轴)引入干扰，因此降低了交叉耦合干扰。

为进一步降低交叉耦合干扰，检测电路130可采用利用应变电阻113 和匹配电阻114组成惠斯通电桥的方式，来生成轴向加速度对应的电信号。请继续参阅图1a，在一具体实施例中，检测电路130包括至少两个应变电阻113、至少两个匹配电阻114以及实现上述电阻之间连接的导线115。其中，该至少两个匹配电阻114均设于质量块112上，且匹配电阻114的电阻不会跟随加速度计受到的加速度而发生变化。至少两个应变电阻113用于感应加速度的变化，故分别设于固支梁111靠近质量块112的一端111a或两端111a上，具体地为方便于应变电阻113能够更好感应加速度的变化，该应变电阻113可设于固支梁111与质量块112接触的位置，或者相对靠近该接触的位置设置。在加速度计110受到加速度时，质量块112由于所述加速度而对固支梁111产生作用力，应变电阻113能够由于质量块112产生的所述作用力而引起阻值变化。可以理解的是，图1a仅是示意性示出应变电阻113、匹配电阻114及相关导线115设置的位置及走线，实际上可根据需求将电阻和导线设置在质量块和固支梁上的其他位置并可设置不同走线。

其中，请结合参阅图2a，所述至少两个应变电阻113(如图所示R11 和R12)与所述至少两个匹配电阻114(如图所示R21和R22)通过质量块112和/或固支梁111上的导线115实现连接，以组成至少一组惠斯通电桥120，每组惠斯通电桥120用于测量一目标轴向加速度，即用于产生一目标轴向加速度对应的电信号。可以理解的是，该目标轴向加速度可以为水平轴向加速度、或者竖直轴向加速度。具体地，当上述至少两个应变电阻113与至少两个匹配电阻114组成的惠斯通电阻120只有一组时，该加速度计110为测量单一轴向加速度的单轴加速度计；当上述至少两个应变电阻113与至少两个匹配电阻114组成的惠斯通电阻 120有多组如两组或三组时，该加速度计110为测量多轴向加速度的多轴加速度计，例如两轴加速度计、三轴加速度计。

本实施例中，应变电阻113与匹配电阻114的设置以及连接关系可使得，惠斯通电桥120在加速度计100受到该惠斯通电桥120的目标轴向加速度时产生的所述电信号大于在加速度计100受到惠斯通电桥120 的非目标轴向加速度时产生的所述电信号，由此对于每组惠斯通电桥 120，因受到非目标轴加速度时产生的电信号对因受到目标轴向加速度时产生的电信号影响较低，甚至可忽略不计，故无论受到任何轴向加速度，惠斯通电桥输出的电信号基本是来自于目标轴向加速度，基本不受或者较低程度受该惠斯通电桥的非目标轴向加速度的干扰，故可利用该惠斯通电桥输出的电信号直接计算出其目标轴向加速度，降低了交叉耦合干扰。需要说明的是，在其他实施例中，加速度计的固支梁也可只有一端固定于边框结构，另一端不与边框结构连接，且加速度的检测电路形成本文所述的惠斯通电桥，因此同样在一定程度上降低了交叉耦合干扰。

下面对本申请由应变电阻113与匹配电阻114组成的惠斯通电桥进行举例说明。每组惠斯通电桥120包括并联连接的两个支路121，每个支路121的两端分别作为两个电源输入端以连接外部电源电势，例如，每个支路121的两端分别连接电势不同的第一电势和第二电势。其中，同一加速度100的不同组惠斯通电桥120连接的电势可以相同或不同。可以理解的是，本文所述的第一电势和第二电势可以为任意电势不同的两个电势，例如其中一个为零电势，另外一个为一电源电压VCC。为便于说明，下面统一采用第一电势为零电势GND，第二电势为电源电压 VCC进行举例描述。

具体地，对于每组惠斯通电桥120：每个所述支路121包括串联连接的一应变电阻113和一匹配电阻114，且每个支路上的应变电阻113 与匹配电阻114之间的连接处作为所述目标轴向加速度的一电信号输出端122，故每个惠斯通电桥120均包括两个电信号输出端122，该惠斯通电桥120产生的对应目标轴向加速度的电信号可以为两个电信号输出端122之间的信号差如电压差。具体地，在所述加速度100计受到所述目标轴向加速度时，所述两个支路121的电阻比值变化量分别为增加和减少；在所述加速度计100受到非目标轴向加速度时，所述两个支路121 的电阻比值变化量同为增加或减少，其中，所述电阻比值变化量为所述支路121中处于低电势一端的电阻与所述支路121的总电阻之间的比值的变化量，如图2所示的一支路121中的R11/(R11+R21)的变化量。由于在受到加速度时，惠斯通电桥120两个支路会发生如上所述的电阻比值变化量，故惠斯通电桥120的两个电信号输出端122输出的电信号也发生变化，通过两个电信号输出端122输出的电信号可测得该惠斯通电桥120对应的目标轴向加速度，例如，采用预设计算方式对输出的两个电压信号的电压差进行计算得到应变电阻的阻值变化量，进而利用该阻值变化量算得该目标轴向加速度。

本实施例中，加速度计设有能够感应质量块对固支梁的作用力的应变电阻，通过应变电阻与质量块上的匹配电阻组成至少一组惠斯通电桥，其中，对于每组惠斯通电桥：包括并联连接的两个支路，每个所述支路包括串联连接的一应变电阻和一匹配电阻，且每个支路应变电阻与匹配电阻之间的连接处作为所述目标轴向加速度的电信号输出端；在所述加速度计受到所述目标轴向加速度时，所述两个支路的电阻比值变化量分别为增加和减少，此时该惠斯通电桥的两个电信号输出端输出的一个电压信号变大、另一个电压信号变小，故受到目标轴加速度时两个电压信号之间的电压差较大；在所述加速度计受到非目标轴向加速度时，所述两个支路的电阻比值变化量同为增加或减少，此时该惠斯通电桥的两个电信号输出端输出的两个电压信号一同变大或变小，故受到非目标轴加速度时两个电压信号之间的电压差较小，相比于因受到目标轴向加速度时两个电压信号之间的电压差，该惠斯通电桥因受到非目标轴加速度时两个电压信号之间的电压差可忽略不计，故无论受到任何轴向加速度，惠斯通电桥输出的电信号之间的电压差基本是来自于目标轴向加速度，基本不受该惠斯通电桥的非目标轴向加速度的干扰，故可利用该电压差直接计算出其目标轴向加速度，降低了交叉耦合干扰。

在另一实施例中，加速度计100中的惠斯通电桥120的目标轴向加速度具体可以为水平轴向加速度或者竖直轴向加速度。

当惠斯通电桥120的目标轴向加速度为水平轴向时，如图2a或图 2b所示，惠斯通电桥120的两个应变电阻113均为对应支路121中处于低电势一端的电阻，且在加速度计100受到该惠斯通电桥120的目标轴向加速度时，惠斯通电桥120的一个应变电阻113的阻值变大，另一个应变电阻113的阻值变小，由此，该惠斯通电桥120的两个支路121的电阻比值变化量分别为增加和减少；在加速度计100受到该惠斯通电桥 120的非目标轴向加速度(例如竖直轴向或者与目标的水平轴向方向不同的其他水平轴向加速度)时，惠斯通电桥120的两个应变电阻113的阻值均变大或均变小，由此，该惠斯通电桥120的两个支路121的电阻比值变化量同为增加或减少。

当惠斯通电桥120的目标轴向加速度为竖直轴向时，如图3所示，惠斯通电桥120的一个支路121的应变电阻113为处于低电势一端的电阻，另一个支路121的匹配电阻114为处于低电势一端的电阻，在加速度计100受到该惠斯通电桥120的目标轴向加速度时，惠斯通电桥120 的两个应变电阻113的阻值均变大或均变小，由此，该惠斯通电桥120 的两个支路121的电阻比值变化量分别为增加和减少；在加速度计100 受到该惠斯通电桥120的非目标轴向加速度时，惠斯通电桥120的一个应变电阻113的阻值变大，另一个应变电阻114的阻值变小，由此，该惠斯通电桥120的两个支路121的电阻比值变化量同为增加或减少。

可以理解的是，可根据上述应变电阻114在受到不同轴向加速度时的阻值变化情况来对应设置应变电阻在固支梁111上的位置。

例如，如图4所示，固支梁111靠近质量块112的两端111a按照第一水平轴向排列，且固支梁111靠近质量块112的每一端111a包括按照第二水平轴向排列的第一应力区域a1和第二应力区域a2，其中，在加速度计100受到第二水平轴向的加速度时，质量块112对第一应力区域 a1的作用力与对第二应力区域a2的作用力的方向相反，所述第一水平轴向与所述第二水平轴向垂直。本实施例中，该加速度计100为三轴加速度计，故其包括第一惠斯通电桥、第二惠斯通电桥和第三惠斯通电桥共三组惠斯通电桥120。

具体地，第一惠斯通电桥120的目标轴向加速度为第一水平轴向，例如其目标轴向加速度为平行于所述第一水平轴向的第一轴向加速度，该第一轴向加速度可定义为X轴向加速度。第一惠斯通电桥120的两个应变电阻113分别位于固支梁111靠近质量块112的两端111a的同一应力区域。例如，第一惠斯通电桥120组成的电路如图2a所示，第一惠斯通电桥120的其中一支路121包括第一应变电阻R11和第一匹配电阻 R21，另一支路121包括第二应变电阻R12和第二匹配电阻R22，第一应变电阻R11设在固支梁111靠近质量块112的第一端111a的第一应力区域a1，第二应变电阻R12设在固支梁111靠近质量块112的第二端 111a的第一应力区域a1。当然，在其他实施例中，其两个应变电阻113 (即R11和R12)也可分别位于固支梁111靠近质量块112的两端111a 的第二应力区域a2。

第二惠斯通电桥120的目标轴向加速度为第二水平轴向，例如其目标轴向加速度为平行于所述第二水平轴向的第二轴向加速度，该第二轴向加速度可定义为Y轴向加速度。第二惠斯通电桥120的两个应变电阻 113分别位于固支梁111靠近质量块112的一端111a的不同应力区域。例如，第二惠斯通电桥120组成的电路如图2b所示，第二惠斯通电桥 120的其中一支路121包括第一应变电阻R11和第一匹配电阻R21，另一支路121包括第三应变电阻R13和第三匹配电阻R23；第一应变电阻 R11设在固支梁111靠近质量块112的第一端111a的第一应力区域a1，第三应变电阻R13设在固支梁111靠近质量块112的第一端111a的第二应力区域a2。在其他实施例中，其两个应变电阻113(即R11和R13) 也可分别位于固支梁111靠近质量块112的第二端111a的两个应力区域。

第三惠斯通电桥120的目标轴向加速度为竖直轴向，例如其目标轴向加速度为平行于所述竖直轴向的第三轴向加速度，该第三轴向加速度可定义为Z轴向加速度。第三惠斯通电桥12的两个应变电阻113分别位于固支梁111靠近质量块112的两端111a的不同应变区域。例如，第三惠斯通电桥120组成的电路如图3所示，第三惠斯通电桥120的其中一支路121包括第一应变电阻R11和第一匹配电阻R21，另一支路121 包括第四应变电阻R14和第四匹配电阻R24；第一应变电阻R11和第四应变电阻R14为对应支路121处于低电势一端的电阻，第一应变电阻 R11设在固支梁111靠近质量块112的第一端111a的第一应力区域a1，第四应变电阻R14设在固支梁111靠近质量块112的第二端111a的第二应力区域a2。

对于三组惠斯通电桥的第一电源输入端统一接地(也即零电势)、第二电源输入端统一接一电源电压。具体如，第一应变电阻R11和第二应变电阻R12的连接处b1作为第一电源输入端接地，第一匹配电阻R21 和第二匹配电阻R22的连接处b2作为第二电源输入端接电源电压VCC，该电源电压输出的电压为V。当然，在其他实施例中，第一应变电阻R11 和第二应变电阻R12的连接处b1也可接电源电压VCC，第一匹配电阻 R21和第二匹配电阻R22的连接处b2则接地。

在一实施例中，第一匹配电阻R21、第二匹配电阻R22、第三匹配电阻R23和第四匹配电阻R24均固定为预设阻值R。第一应变电阻R11、第二应变电阻R12、第三应变电阻R13R14在未受到作用力时的阻值均为预设阻值R。其中R不为零。

当加速度计100受到第一轴向加速度a_x时，第一应变电阻R11和第三应变电阻R13的阻值变为R+ΔR_x，第二应变电阻R12和第四应变电阻R14的阻值变为R-ΔR_x，ΔR_x不为零，各匹配电阻阻值保持不变，故可得到第一惠斯通电桥输出的电压差V_out1、第二惠斯通电桥输出的电压差V_out2、第三惠斯通电桥输出的电压差V_out3，具体如下：

由上公式可知，第一轴向轴加速度a_x对目标轴向为竖直轴向的第三惠斯通电桥输出存在干扰，但是其数值为目标轴向为第一轴向轴加速度的第一惠斯通电桥输出的2次方，可以看做是第一惠斯通电桥输出的2 次非线性指标。通常，该数值的量级小到可以忽略不计。换言之，第一轴向加速度对目标轴向加速度不为第一轴向加速度a_x的其他惠斯通电桥的输出干扰可忽略不计。

当加速度计100受到第二轴向加速度a_y时，第一应变电阻R11和第二应变电阻R12的阻值变为R+ΔR_y，第三应变电阻R13和第四应变电阻R14的阻值变为R-ΔR_y，ΔR_y均不为零，各匹配电阻阻值保持不变，故可得到第一惠斯通电桥输出的电压差V_out1、第二惠斯通电桥输出的电压差V_out2、第三惠斯通电桥输出的电压差V_out3，具体如下：

同理受到第一轴向加速度的分析，第二轴向加速度对目标轴向加速度不为第二轴向加速度a_y的其他惠斯通电桥的输出干扰可忽略不计。

当加速度计100受到第三轴向加速度a_z时，第一应变电阻R11、第二应变电阻R12、第三应变电阻R13和第四应变电阻R14的阻值均变为 R+ΔR_z；其中ΔR_z均不为零；各匹配电阻阻值保持不变，故可得到第一惠斯通电桥输出的电压差V_out1、第二惠斯通电桥输出的电压差V_out2、第三惠斯通电桥输出的电压差V_out3，具体如下：

故，当受到第三轴向加速度a_z时，除目标轴向加速度为第三轴向加速度a_z外的第三惠斯通电桥外，其他惠斯通电桥输出的电压差均为0，故第三轴向加速度对目标轴向加速度不为第三轴向加速度a_z的其他惠斯通电桥的输出干扰可忽略不计。

从上述三个轴向加速度输出电压公式的分析可知，最大的耦合输出表现为第一轴向轴加速度a_x和第二轴向加速度a_y对竖直轴向输出的干扰，但是其数值为敏感轴向输出的2次方，该数值的量级小到可以忽略不计。故，通过上述对电阻的合理布局以及连接回路的合理设计，可以最大化的减小或削弱交叉耦合干扰。

可以理解的是，在其他实施例中，加速度计可以为单轴或两轴，对应地，针对其要测量轴为水平轴向或竖直轴向，而进行如上述的设置，在此不做赘述。另外，图4所示实施例中，各惠斯通电桥存在共用部分应变电阻和匹配电阻，由此节省电阻成本以及加速度计的空间体积。当然，在其他实施例中，各惠斯通电桥的电阻可均是分别独立设置，在此不做限定。

在另一实施例中，为降低封装对加速度计性能的影响，在上述固支梁和质量块的外围，设置有隔离结构，以隔离边框结构与固支梁和质量块均，由此，可隔离封装应力以及封装对内部检测电路的干扰(如封装引起的温度梯度应力对上述惠斯通电桥的干扰)，故可降低封装应力对加速度计的影响。例如，请继续参阅图1a，结构层110还包括隔离结构 117；隔离结构117设于容置空间1161中，且固定于边框结构116。固支梁111的至少一端连接于隔离结构117，以通过隔离结构117固定于边框结构116。本实施例中，隔离结构117与边框结构116具有间隙118，且隔离结构117与质量块112和固支梁111也具有间隙118，以将敏感加速度的质量块与隔离结构分离设计。其中，上述间隙118具体可以为凹槽，或者称为结构释放槽。

具体地，隔离结构117包括至少一个第一隔离结构117a，固支梁111 的至少一端连接一个第一隔离结构117a，以固定于所述边框结构116。如图1a所示，隔离结构117包括两个第一隔离结构117a，分别设置于固支梁111远离质量块112的两端111b。固支梁111的两端111b分别连接一第一隔离结构117a，以固定于边框结构116。当然，如图1b所示，隔离结构117也可包括一个第一隔离结构117a，该第一隔离结构117a 设置于固支梁111远离质量块112的其中一端111b，以使固支梁111的其中一端111b通过第一隔离结构117a固定于边框结构116，而固支梁 111的另一端111b则可直接连接于边框结构116。

其中，第一隔离结构117a的两端可延伸至边框结构116，以与边框结构116连接，由此可方便质量块和固支梁上的电阻进行布线。本实施例中，所述固支梁的长度方向与所述第一隔离结构的长度方向之间的夹角大于预设角度，例如该夹角为90度，即第一隔离结构117a与固支梁 111垂直设置。在其他实施例中，第一隔离结构117a与固支梁111也可以其他角度进行非垂直设置。该第一隔离结构117a能够阻隔封装对质量块112和固支梁111两个相对外侧的应力以及对惠斯通电桥的干扰，因此一定程度上减轻了封装对加速度计性能的影响。

在另一实施例中，隔离结构117还可包括至少一个第二隔离结构 117b，该至少一个第一隔离结构117a与至少一个第二隔离结构117b环绕质量块112和固支梁111，且与质量块112和固支梁111具有间隙。如图5a所示，隔离结构117除包括上述两个第一隔离结构117a外，还包括两个第二隔离结构117b，所述两个第一隔离结构117a与所述两个第二隔离结构117b构成四方形如正方形、矩形、菱形等，以环绕质量块112和固支梁111，且与质量块112和固支梁111具有间隙。形成四方形的隔离结构117与边框结构116也具有一定间隙，其通过第二隔离结构延伸至边框结构116以实现连接，由此可方便质量块和固支梁上的电阻进行布线。第二隔离结构117b进一步阻隔封装对质量块112和固支梁111另外两个相对外侧的应力以及对惠斯通电桥的干扰，因此更进一步减轻了封装对加速度计性能的影响。

可以理解的是，隔离结构117也可包括其他个数的第一隔离结构117a和第二隔离结构117b。如图5b所示，隔离结构117包括一个第一隔离结构117a和一个第二隔离结构117b，固支梁111的其中一端连接至该第一隔离结构117a。该第一隔离结构117a的一端固定于边框结构 116；第一隔离结构117a的另一端连接于第二隔离结构117b，以通过第二隔离结构117b固定在边框结构116上。如图5c所示，隔离结构包括两个第一隔离结构117a和一个第二隔离结构117b，固支梁111的两端分别连接至一个第一隔离结构117a。两个第一隔离结构117a的一端均固定于边框结构116；两个第一隔离结构117a的另一端均连接于第二隔离结构117b，以通过第二隔离结构117b固定在边框结构116上。如图 5d所示，隔离结构包括一个第一隔离结构117a和两个第二隔离结构117b，固支梁111的其中一端连接至第一隔离结构117a。第一隔离结构117a 的两端分别连接于一个第二隔离结构117b，以通过第二隔离结构117b 固定在边框结构116上。故隔离结构的具体结构可根据实际需求设置，在此不做限定。

需要说明的是，上述隔离结构117与固支梁111的厚度可设置为相同，如图6所示，其中图6是图1a所示沿y1-y2方向的剖视图。或者隔离结构117与固支梁111的厚度也可设置为不同，如图7所示，其中图 7是图1a所示沿x1-x2方向的剖视图。本实施例通过设置简单的隔离结构117对封装应力和封装引起的温度梯度应力起到了很好的隔离作用，减轻了封装对加速度计性能的影响，降低封装成本。另外，应变电阻布局固支梁靠近质量块的端部，远离隔离结构与边框结构，可起到了最大程度的减小封装应力对检测单元的影响，进而减小或削弱封装对芯片性能的影响，减小封装的难度和降低封装成本。

本实施例中，边框结构116的与固支梁111设置检测电路130的同一侧表面(即设置应变电阻113的同一侧表面)上设置若干外接焊盘119，检测电路130的至少一个电信号输出端122分别通过设在固支梁111和隔离结构117上的导线115对应连接于若干外接焊盘119。其中，导线在固支梁和隔离结构117上的具体布线可根据实际情况进行设置，只要满足对应电阻与外接焊盘119之间的电连接关系即可。

通常，检测电路130的不同电信号输出端122以及第一电源输入端b1和第二电源输入端b2可分别连接不同的外接焊盘119，该第一电源输入端b1和第二电源输入端b2用于为检测电路130提供电压。如在一实施例中，该检测电路130包括至少一组上述惠斯通电桥120，每个惠斯通电桥的一电信号输出端122以及第一电源输入端b1和第二电源输入端b2分别连接不同的外接焊盘119。如图8所示，对于三轴加速度计，若干外接焊盘119包括8个，其从左到右定义焊盘依次为：第二惠斯通电桥的第一电信号输出端Y-、第一电源输入端(本实施例接地，即为 GND)、第二惠斯通电桥的第二电信号输出端Y+、第一惠斯通电桥的第一电信号输出端X+、第三惠斯通电桥的第一电信号输出端Z+、第一惠斯通电桥的第二电信号输出端X-、第二电源输入端VCC、第三惠斯通电桥的第二电信号输出端Z-。当然，本实施例中，三个惠斯通电桥均共用第一电源输入端和第二电源输入端。另外，三个惠斯通电桥均共用要第一应变电阻R11与第一匹配电阻R21串联支路，故三个惠斯通电桥共用的一电信号输出端，故可共用一外接焊盘119，例如Y+、X+、Z+共用一外接焊盘119。

在一实施例中，如图8所示，若干外接焊盘119包括第一焊盘119a (上述焊盘Y-)和第二焊盘119b(上述焊盘VCC)，其中第一焊盘119a 可作为第一电源输入端或第二电源输入端，本实施例中，第一焊盘119a 接电源电压VCC以作为第二电源输入端。第二焊盘119b输出的电信号用于计算得到一轴向加速度，具体如对应惠斯通电桥120的目标轴向加速度，还用于测试加速度计100的结构是否存在缺陷。检测电路的第二电源输入端b2通过位于固支梁111靠近质量块112的一端111a的第一导线115a连接至第一焊盘119a；其中检测电路130的一电信号输出端 122(如上述第二惠斯通电桥120中第三应变电阻R13与第三匹配电阻 R23之间的电信号输出端122)通过位于固支梁111靠近质量块112的另一端111a的第二导线115b连接至第二焊盘119b，其中，所述第一导线115a和第二导线115b均从固支梁111靠近质量块112的端111a向远离质量块112方向延伸至对应第一隔离结构117a，并沿着第一隔离结构 117a的长度方向经过对应的第一隔离结构117a至少一遍，由此可保证第一导线和第二导线较大范围的遍历该加速度计，进而可通过检测该导线是否存在问题来检测结构是否存在缺陷。

具体地，加速度计可采用如下方式进行自检以测试自身结构是否存在缺陷，其具体检测步骤为：通过第一焊盘119a给第二电源输入端b2 供电V(具体可以为直流电压或方波电压)，加速度计正常时，与第二焊盘119b连接的电信号输出端122输出应为V/2左右的电平，该电平会随加速度的变化有一定的变化，但不影响加速度计的实时检测。故可通过检测第二焊盘119b输出的电信号是否为V/2左右的电平来实时监测加速度计的结构是否存在缺陷。例如，若第二焊盘119b输出的电信号是否与V/2中间的差值在预设阈值内，来确定加速度计的结构不存在缺陷，否则存在缺陷。

当供电方式为方波电压时，检测方式有两种：1)监测第二焊盘119b 输出的方波周期是否与供电方波周期是否相同，若相同，则确定加速度计的结构不存在缺陷，即结构完整；否则结构存在缺陷；2)监测第二焊盘119b输出的电压幅值是否在V/2左右(具体可通过判断第二焊盘 119b输出的电信号是否与V/2中间的差值在预设阈值内)，该幅值会随加速度的大小变化存在一定的变化，幅值的变化可通过加速度的大小进行计算，去除加速度引起的电压变化外，第二焊盘119b输出的电压幅值应该为V/2附近，若该值远远偏离V/2(如，该值为V或者GND)，则结构存在缺陷。

上述加速度计可利用自身电路实现结构自检，无需增加额外结构和电路，节省成本。

请继续参阅图6，在再一实施例中，加速度计100还可包括第一盖体120a和第二盖体120b。其中，所述第一盖体120a设于质量块112远离固支梁111的一侧112a，所述第二盖体120b设于固支梁111远离质量块112的一侧111b。该第一盖体120a和第二盖体120b与边框结构116 将质量块112和固支梁111全包围于内部。可以理解是，在其他实施例中，加速度计的中间层也可不设有边框结构，第一盖体120a和第二盖体 120b组合形成的内部空间以用于容置上述中间层。进一步地，为了便于将中间层的外接焊盘与外部电路连接，对于第二盖体120b对应外接焊盘的位置可设置有对应通孔122，外部电路的电线可穿过通孔122与外接焊盘119连接，或者外接焊盘119穿过通孔122裸露于外，进而与外部电路的电线进行连接。

在一实施例中，为了对质量块进行限位，以保护质量块，第一盖体 120a朝向质量块112的一侧设有第一阻挡结构121，且在加速度计100 未受到加速度时，第一阻挡结构121与质量块112之间具有一定距离；第二盖体120b朝向固支梁111的一侧设有第二阻挡结构121，且在所述加速度计1000未受到加速度时，第二阻挡结构121与固支梁111之间具有一定距离。其中，该第一阻挡结构和第二阻挡结构121可以为方块状 (如图6所示)，也可以为条状(如图7所示，该条状沿y1-y2方向延伸)。

上述实施例中，该中间层的质量块、固支梁、隔离结构、边框结构的材质可以但不限为SOI晶圆、普通晶圆或者SiC晶圆。该阻挡结构121 的材料可以但不限为硅。

请参阅图9，图9是本申请加速度计的制作方法一实施例的流程示意图。本实施例中，该制作方法包括以下步骤：

S910：提供一基础层。

其中，该基础层的材质可以但不限为SOI晶圆、普通晶圆或者SiC 晶圆。本实施例中，该基础层910可包括叠置的多层结构，其中，该多层结构包括至少一层硅(Si)层和二氧化硅(SiO)层，如图1a0a所示。

S920：在基础层的第一表面制作得到检测电路。

具体如，在基础层的第一表面制作至少两个应变电阻、至少两个匹配电阻以及连接所述至少两个应变电阻、至少两个匹配电阻的导线。其中，所述至少两个匹配电阻位于下述制作所得的质量块上；所述至少两个应变电阻分别位于下述制作所得的固支梁靠近所述质量块的一端或两端上。

其中，所述至少两个应变电阻与至少两个匹配电阻通过所述导线连接，组成至少一组惠斯通电桥，每组惠斯通电桥用于测量一目标轴向加速度。每组惠斯通电桥用于产生一目标轴向加速度对应的电信号；所述惠斯通电桥在所述加速度计受到所述目标轴向加速度时产生的所述电信号大于在所述加速度计受到非目标轴向加速度时产生的所述电信号。

例如，对于每组惠斯通电桥：包括并联连接的两个支路，每个所述支路包括串联连接的一应变电阻和一匹配电阻，且所述应变电阻与所述匹配电阻之间的连接处作为所述目标轴向加速度的电信号输出端；在所述加速度计受到所述目标轴向加速度时，所述两个支路的电阻比值变化量分别为增加和减少；在所述加速度计受到非目标轴向加速度时，所述两个支路的电阻比值变化量同为增加或减少，其中，所述电阻比值变化量为所述支路中处于低电势一端的电阻与所述支路的总电阻之间的比值的变化量。

具体地，S920可包括以下子步骤：

S921：在所述基础层的第一表面制作至少两个应变电阻、至少两个匹配电阻。

例如，可先采用重掺杂B离子在基础层910的第一表面910a制作对应于至少两个应变电阻的应变电阻焊盘931和对应于至少两个匹配电阻的匹配电阻焊盘931，如图1a0a所示；然后，再采用浅掺杂B离子在应变电阻焊盘931上对应制作所述至少两个应变电阻932以及在所述匹配电阻焊盘931上对应制作所述至少两个匹配电阻932，如图1a0b所示。本实施例通过先重掺，再浅掺的方式制作电阻，简化了制作电阻的工序，进而降低成本。

S922：在所述基础层的第一表面制作外接焊盘和连接所述至少两个应变电阻、至少两个匹配电阻和所述外接焊盘的导线。

例如，采用溅射(或蒸发)和腐蚀的方式在基础层910的第一表面910a制作导线934和外接焊盘933，如图1a0c所示。其中，导线934和外接焊盘933的材料可以为硅铝材质。另外，外接焊盘可采用铝进行加厚(例如采用电镀、蒸发和溅射等方式进行加厚)，以满足引线键合的要求(例如，外接焊盘933的厚度可穿过第二盖体的通孔进而裸露于外)。

S930：对所述基础层与所述第一表面相背的第二表面进行刻蚀形成质量块和边框结构。

具体，可采用背部深硅刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)或者四甲基氢氧化铵(TMAH)湿法腐蚀的方式来对基础层910与第一表面相背的第二表面910b进行刻蚀，以制作质量块912和环绕质量块的边框结构916，如图1a0d所示。其中，边框结构916与质量块912具有间隙。如上所述的实施例中，该至少两个匹配电阻对应位于质量块912的第一表面910a上；外接焊盘对应位于边框结构912的第一表面910a上。

在一实施例中，该加速度计包括第一盖体和第二盖体。在制作完质量块之后，在执行下述S940之前，所述制作方法还可包括：

制作内侧设有阻隔结构921的第一盖体920a和制作内侧设有阻隔结构921的第一盖体920b，如图1a0e所示。其中，可采用湿法腐蚀的方式制作第一盖体920a和第二盖体920b。可以理解的是，在其他实施例中，制作的盖体也可不设有阻隔结构921。

在制作得到上述盖体后，将第一盖体920a与基础层910靠近所述第二表面910b一侧键合，如图1a0f所示。

S940：对所述基础层的所述第一表面进行刻蚀形成固支梁，其中，所述固支梁设在所述边框结构形成的容置空间中，且所述固支梁的两端分别固定于所述边框结构。

具体，可采用干法刻蚀的方式来对基础层910的第一表面910a进行刻蚀，以制作得到固支梁，如图1a0g所示，并释放结构，即固支梁与质量块912之间存在一定间隙。可以理解的，图1a0g由于对加速度计剖视角度的问题，未示出固支梁，固支梁的具体结构及位置可参阅图1a-图8 所示。可以理解的是，在其他实施例中，本步骤形成的固支梁也可为单端固定与边框结构的，在此不做限定。

在一实施例中，加速度计设置隔离结构，故上述S930具体可包括：对基础层910的第一表面910a进行刻蚀形成固支梁911和至少一个隔离结构917；其中，所述至少一个隔离结构917固定于边框结构916，固支梁911的至少一端通过所述至少一个隔离结构917固定于边框结构 916。其中，所述至少一个隔离结构917可包括两个第一隔离结构，分别设置于所述固支梁远离所述质量块的两端。固支梁的上述两端分别连接于一第一隔离结构，以通过该第一隔离结构固定于边框结构。

在一实施例中，该加速度计包括第一盖体和第二盖体。在执行S940 之后，所述制作方法还可包括：

将制作得到的第二盖体920b与基础层910靠近所述第一表面910a 一侧键合，如图10h所示。本实施例采用先键合第一盖体，再制作固支梁，然后键合第二盖体的工序，减小了基础层的第二表面一侧结构在不同工序中来回转换造成良率下降的风险，提高和确保了良率的提升和稳定。当然，在其他实施例中，可以在执行完成S940之后再键合第一盖体和第二盖体。

进一步地，如图10i所示，可将所述第一盖体920a和第二盖体920b 的外侧减薄，并将第二盖体920b对应所述外接焊盘933的位置镂空，以形成通孔922，释放外接焊盘，进而使得外部电路的电线可穿过通孔与外接焊盘连接，或者外接焊盘穿过通孔裸露于外，进而与外部电路的电线进行连接。

可以理解的是，图10a-图10i仅是示意性给出每个工序下制作得到的加速度结构，其实际结构可能与图10a-图10i存在出入，但并不影响对利用本制作方法的制作步骤以及制作得到的加速度计结构的理解。

上述制作方法可用于制作得到上述加速度计实施例中的加速度计，故本制作方法所制作得到的加速度计的具体结构可参阅上述加速度计实施例。

上述方案中，加速度计通过设有两端固定于边框结构上的固支梁，降低质量块运动的自由度，故在受到某一轴向加速度时，能够削弱对其他轴向引入的干扰，因此降低了交叉耦合干扰。此外，加速度计通过上述方式组成至少一组惠斯通电桥，可大幅度削弱甚至消除交叉耦合干扰问题，并且解耦方式简单，可实现单轴或多轴加速度的同步检测，且有利于减小芯片尺寸。而且，由于交叉耦合干扰大大削弱，故使得外接加速度计以利用惠斯通电桥敏感的电信号计算出加速度的接口电路可实现简易方便，无需为了消除干扰而增加各种滤波等功能电路。另外，加速度计通过设置隔离结构，可提高线性度和提高灵敏度，以及温度特性性能，结构简单，实现工艺简便。

以上描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施方式中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

Claims

1.一种加速度计，其特征在于，包括结构层，所述结构层包括：

边框结构，所述边框结构形成有一容置空间；

固支梁，所述固支梁设在所述容置空间中；

至少三个应变电阻，所述至少三个应变电阻分别设于所述固支梁靠近所述质量块的两端上，所述应变电阻能够由于所述质量块产生的所述作用力而引起阻值变化；

至少三个匹配电阻，所述至少三个匹配电阻设于所述质量块上；

其中，所述至少三个应变电阻与所述至少三个匹配电阻组成至少两组惠斯通电桥，所述至少两组惠斯通电桥共用所述至少三个应变电阻和所述至少三个匹配电阻，每组惠斯通电桥用于产生一目标轴向加速度对应的电信号；所述惠斯通电桥在所述加速度计受到所述目标轴向加速度时产生的所述电信号大于在所述加速度计受到非目标轴向加速度时产生的所述电信号。

2.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，

对于每组所述惠斯通电桥：包括并联连接的两个支路，每个所述支路包括串联连接的一应变电阻和一匹配电阻，且所述应变电阻与所述匹配电阻之间的连接处作为所述目标轴向加速度的电信号输出端。

3.根据权利要求2所述的加速度计，其特征在于，

所述固支梁靠近所述质量块的两端按照第一水平轴向排列，且所述固支梁靠近所述质量块的每一端包括按照第二水平轴向排列的第一应力区域和第二应力区域，其中，在所述加速度计受到第二水平轴向的加速度时，所述质量块对所述第一应力区域的作用力与对所述第二应力区域的作用力的方向相反，所述第一水平轴向与所述第二水平轴向垂直。

4.根据权利要求3所述的加速度计，其特征在于，所述至少两组惠斯通电桥包括第一惠斯通电桥的和第二惠斯通电桥，所述第一惠斯通电桥的目标轴向加速度为平行于所述第一水平轴向的第一轴向加速度，所述第二惠斯通电桥的目标轴向加速度为平行于所述第二水平轴向的第二轴向加速度；

所述第一惠斯通电桥的其中一支路包括第一应变电阻和第一匹配电阻，另一支路包括第二应变电阻和第二匹配电阻；所述第一应变电阻设在所述固支梁靠近所述质量块的第一端的第一应力区域，所述第二应变电阻设在所述固支梁靠近所述质量块的第二端的第一应力区域；

所述第二惠斯通电桥的其中一支路包括所述第一应变电阻和所述第一匹配电阻，另一支路包括第三应变电阻和第三匹配电阻；所述第三应变电阻设在所述固支梁靠近所述质量块的第一端的第二应力区域。

5.根据权利要求4所述的加速度计，其特征在于，所述至少两组惠斯通电桥还包括第三惠斯通电桥，所述第三惠斯通电桥的目标轴向加速度为平行于竖直轴向的第三轴向加速度，所述竖直轴向垂直于所述第一水平轴向和所述第二水平轴向；

所述第三惠斯通电桥的其中一支路包括所述第一应变电阻和所述第一匹配电阻，另一支路包括第四应变电阻和第四匹配电阻；所述第一应变电阻和所述第四匹配电阻为对应支路处于低电势一端的电阻，所述第四应变电阻设在所述固支梁靠近所述质量块的第二端的第二应力区域。

6.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述结构层还包括设于所述容置空间中的隔离结构，所述隔离结构固定于所述边框结构，所述固支梁的至少一端通过所述隔离结构固定于所述边框结构。

7.根据权利要求6所述的加速度计，其特征在于，所述边框结构的与所述固支梁设置所述检测电路的同一侧表面上设置若干外接焊盘，所述检测电路的电信号输出端分别通过设在所述固支梁和所述隔离结构上的导线对应连接于所述若干外接焊盘。

8.根据权利要求7所述的加速度计，其特征在于，所述若干外接焊盘包括第一焊盘和第二焊盘；

所述检测电路的第一电源输入端或第二电源输入端通过位于所述固支梁靠近所述质量块的一端的第一导线连接至所述第一焊盘；所述检测电路的输出端通过位于所述固支梁靠近所述质量块的另一端的第二导线连接至第二焊盘，其中，所述第一导线和第二导线均从所述固支梁靠近质量块的端向远离质量块方向延伸至对应隔离结构，并沿着所述隔离结构的长度方向经过对应的隔离结构至少一遍。

9.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述加速度计还包括第一盖体和第二盖体；

其中，所述第一盖体设于所述质量块远离所述固支梁的一侧，所述第二盖体设于所述固支梁远离所述质量块的一侧。

10.根据权利要求9所述的加速度计，其特征在于，所述第一盖体朝向所述质量块的一侧设有第一阻挡结构，且在所述加速度计未受到加速度时，所述第一阻挡结构与所述质量块之间具有一定距离；

所述第二盖体朝向所述固支梁的一侧设有第二阻挡结构，且在所述加速度计未受到加速度时，所述第二阻挡结构与所述固支梁之间具有一定距离。

11.一种加速度计的制作方法，用于制作如权利要求1-10中任意一项所述的加速度计，其特征在于，包括：

提供一基础层；

在所述基础层的第一表面制作至少三个应变电阻、至少三个匹配电阻以及连接所述至少三个应变电阻、至少三个匹配电阻的导线，以制作得到检测电路；其中，所述至少三个匹配电阻位于所述质量块上；所述至少三个应变电阻分别位于所述固支梁靠近所述质量块的两端上；所述至少三个应变电阻与所述至少三个匹配电阻通过所述导线连接，组成至少两组惠斯通电桥，所述至少两组惠斯通电桥共用所述至少三个应变电阻和所述至少三个匹配电阻，每组惠斯通电桥用于产生一目标轴向加速度对应的电信号；所述惠斯通电桥在所述加速度计受到所述目标轴向加速度时产生的所述电信号大于在所述加速度计受到非目标轴向加速度时产生的所述电信号；

12.根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述在所述基础层的第一表面制作至少三个应变电阻、至少三个匹配电阻以及连接所述至少三个应变电阻、至少三个匹配电阻的导线，包括：

采用重掺杂B离子在所述基础层的第一表面制作对应于至少三个应变电阻的应变电阻焊盘和对应于至少三个匹配电阻的匹配电阻焊盘；

采用浅掺杂B离子在所述应变电阻焊盘上对应制作所述至少三个应变电阻以及在所述匹配电阻焊盘上对应制作所述至少三个匹配电阻；

在所述基础层的第一表面制作外接焊盘和连接所述至少三个应变电阻、至少三个匹配电阻和所述外接焊盘的导线，其中所述外接焊盘设在所述边框结构的所述第一表面上。