一種三框架結構的單質量塊三軸mems加速度計的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，包括三個框架結構：懸浮內框架、懸浮外框架與固定框架，所述固定框架以鍵合的方式與底座形成密封連接。所述三個框架結構呈對稱布置，形狀為矩形或環形。還包括設置于X、Y、Z方向上的彈性感應梁。所述X方向敏感梁上的壓敏電阻以串聯方式布置在電橋的一個橋臂，其上的壓敏電阻變化能減少與Y軸、及Z軸之間的耦合。Y方向敏感梁上的壓敏電阻變化也能減少其與X軸、及Z軸間的耦合。Z方向敏感梁上的壓敏電阻變化也能減少其與X軸、Y軸間的耦合。本發明設計巧妙，產品良率高，解決了現有技術中中單質量塊壓敏電阻式三軸MEMS加速度傳感器軸間耦合過大、靈敏度低、測量精度低的問題。
【專利說明】一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于測量加速度的儀器領域，特別涉及一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計。
【背景技術】
[0002]加速度計是用來測量加速度的儀器，在航天、航海、汽車具有重要的應用價值。隨著微機電MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems,微機電系統)產業的興起,加速度計逐漸向微型化、集成化方向發展。MEMS加速度計具有體積小、質量輕、成本低、功耗低、易批量生產等優點，目前已廣泛應用于車輛、測試、航空航天、日常運動監控、游戲及一些消費類電子產品等領域。MEMS加速度傳感器通常分為壓敏電阻式、電容式、壓電式等類型。其中，壓敏電阻式MEMS加速度傳感器因其具有尺寸小、無遲滯、動態響應特性及輸出性好、頻率范圍寬、測量加速度范圍寬、直接輸出電壓信號、批量生產成本低、與硅集成電路平面工藝兼容性好等一系列優點，應用最為廣泛。
[0003]現有壓敏電阻式MEMS加速度傳感器的結構通常可分為單質量塊三軸加速度傳感器結構、或由三個單軸加速度傳感器組裝而成的三軸結構等類型。如圖1所示為傳統單質量塊多軸加速度傳感器芯片的結構示意圖。其中由三個單軸加速度傳感器組裝而成的三軸結構存在機械精度低、體積和質量過大的問題。單質量塊三軸加速度傳感器結構相比之下具有結構緊湊，體積小，重量輕，單位面積襯底片上能生產更多的傳感芯片單元等優勢。但是因為是靠一個質量塊來感應X，y, Z三個軸向的加速度變化，這種加速度傳感器存在由其結構設計帶來的一些問題。主要是多軸之間的軸間耦合大，靈敏度和測量精度低等問題(如圖1)，現有的設計為了避免多軸之間的軸間耦合，往往是通過改變支撐感應梁的軸向剛度來使其只對感應軸向(如X軸)的加速度變化產生較大變形，而對另一軸向(如I軸)的加速度變化產生較小的變形。但由于感應梁都連接在質量塊上，無論怎樣改變其軸向剛度，都會對感應梁的變形敏感度產生影響，進而影響測量的精度。
【發明內容】
[0004]本發明提供一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，解決了現有技術中單質量塊壓敏電阻式三軸MEMS加速度傳感器軸間耦合過大、靈敏度低、測量精度低等問題，同時又要結構簡單，避免工藝過于復雜造成產品良率低。
[0005]本發明的技術方案是這樣實現的:
[0006]一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，包括三個框架結構:懸浮內框架、懸浮外框架與固定框架，所述固定框架以鍵合的方式與底座形成密封連接。
[0007]進一步，所述三個框架結構呈對稱布置，形狀為矩形或環形。
[0008]該加速度計還包含一個懸浮的質量塊，所述質量塊為正方體型、長方體型或圓柱體型等，用于感知X、Y、Z三個方向的加速度變化。
[0009]該加速度計還包括第一敏感梁，用以連接質量塊與懸浮內框架，該梁上以現有的標準壓敏電阻硅加工工藝布置有壓敏電阻，所述敏感梁為X方向的彈性感應梁。
[0010]該加速度計還包括第二敏感梁，用以連接懸浮內框架與懸浮外框架，該梁上以現有的標準壓敏電阻硅加工工藝布置有壓敏電阻，所述敏感梁為Y方向的彈性感應梁。
[0011]該加速度計還包括第三敏感梁，用以連接懸浮外框架與固定框架，該梁上以現有的標準壓敏電阻硅加工工藝布置有壓敏電阻，所述敏感梁為Z方向的彈性感應梁。
[0012]所述敏感梁的兩端采用對稱連接方式，與上述質量塊或框架連接，且可在連接端部采用采用不同的布置結構，以加強敏感梁與所連接質量塊或框架的連接強度，確保敏感梁不會產生扭轉變形，但又保持敏感梁的中心敏感部分剛度不會太大，在質量塊移動時能產生足夠大的變形。
[0013]進一步，所述X、Y、Z方向敏感梁上的壓敏電阻均以串聯方式布置在電橋的一個橋臂。
[0014]當X方向敏感梁上的壓敏電阻以串聯方式布置在電橋的一個橋臂時，這樣只有X方向上的形變才能在這兩個電阻上產生同樣的變化，而在Y方向上的小變形因一邊的梁受到拉力，另一個梁受到壓力，所以其上的兩個壓敏電阻會一個變大，一個變小，其和將變化很小，這樣將進一步減少其與Y軸間的耦合。
[0015]同理，Y方向敏感梁上的壓敏電阻變化也能減少其與X軸、Z軸間的耦合。
[0016]同理，Z方向敏感梁上的壓敏電阻變化也能減少其與X軸、Y軸間的耦合。
[0017]本發明通過結構和尺寸的不同設計方法，使得不同的敏感梁在不同的方向上具有不同的剛度，從而避免敏感梁間的耦合，具體如下所述:
[0018]在尺寸設計上，所述質量塊具有較大的長度、寬度與厚度。
[0019]在尺寸設計上，X方向上的敏感梁其X方向尺寸小于Y方向尺寸，在Z方向上的厚度相對X、Y方向尺寸都較大，即尺寸為:Ζ>Υ>Χ。這種設計是使所述敏感梁只在X方向上變形大，在Y、Z兩個方向上變形不敏感，相應的壓敏電阻只對X方向的變形產生大的電阻變化。
[0020]在尺寸設計上，Y方向上的敏感梁其Y方向尺寸小于X方向尺寸，在Z方向上的厚度相對Χ、Y方向尺寸都較大，即尺寸為:Ζ>Χ>Υ，這樣設計是使所述敏感梁只在Y方向上變形大，在X、Z兩個方向上變形不敏感，相應的壓敏電阻只對Y方向的變形產生大的電阻變化。
[0021]在尺寸設計上，Z方向上的敏感梁其X、Y方向尺寸較大，即尺寸為:Χ>Ζ，Υ>Ζ，這樣設計是使所述敏感梁只在Z方向上變形大，在Χ、Υ兩個方向上變形不敏感，相應的壓敏電阻只對Z方向的變形產生大的電阻變化。
[0022]上述所有的壓敏電阻均采用標準壓敏電阻硅加工工藝制成，通過惠斯通電橋輸出來感知加速度的變化，因為所有壓敏電阻工藝相同，所以它們有相同的溫度漂移特性，又因為電橋的對稱性布置，這樣的設計就能大大減小因為溫度漂移所帶來的測量誤差。
[0023]進一步，所述測試電路由多個參考壓敏電阻及布置在同一個橋臂上的感應壓敏電阻構成，包括電源端、電壓輸出端與接地端。
[0024]所述參考壓敏電阻具有相同的溫度漂移特性，加上電橋的對稱性布置，能大大減少因為溫度漂移所帶來的測量誤差。
[0025] 本發明的有益效果是，結構簡單，設計巧妙，產品良率高，有效解決了現有技術中單質量塊壓敏電阻式三軸MEMS加速度傳感器軸間耦合過大、靈敏度低、測量精度低的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1為傳統單質量塊多軸加速度傳感器芯片的結構示意圖。
[0028]圖2為本發明的結構示意圖。
[0029]圖3為圖2的A-A向剖視圖。
[0030]圖4為圖2的B-B向剖視圖。
[0031]圖5為X軸向加速度測試電路的示意圖。
[0032]圖6為Y軸向加速度測試電路的示意圖。
[0033]圖7為Z軸向加速度測試電路的示意圖。
[0034]圖8為敏感梁兩端的對稱連接狀態不意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0036]參看圖2至圖8，一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計包括三個框架結構:懸浮內框架1，懸浮外框架2和固定框架3，其中固定框架3以鍵合的方式與底座8形成密封連接，如圖2所示。
[0037]該加速度計還包含一個懸浮的質量塊7，該質量塊可為正方體型，長方體型，或圓柱體形等，用來感知X，Y, z三個方向上的加速度變化。該加速度計還包含敏感梁4 (包含敏感梁4 一 1，4 一 2)，用以連接質量塊7與懸浮內框架1，該梁上以現有的標準壓敏電阻硅加工工藝布置有壓敏電阻Rl和R2，該梁為X方向的彈性感應梁。該加速度計還包含敏感梁5(包含敏感梁5 — 1，5 — 2)，用以連接懸浮內框架I與懸浮外框架2，該梁上以現有的標準壓敏電阻硅加工工藝布置有壓敏電阻R3和R4，該梁為y方向的彈性感應梁。該加速度計還包含敏感梁6 (包含敏感梁6 — 1,6 - 2,6 - 3,6 一 4)，用以連接懸浮外框架2與固定框架3，該梁上以現有的標準壓敏電阻硅加工工藝布置有壓敏電阻R5，R6，R7和R8，該梁為z方向的彈性感應梁。該加速度計還包含以現有的標準壓敏電阻硅加工工藝布置在固定框架3上的壓敏電阻R9，RIO, R11，它們與敏感梁4上的壓敏電阻Rl和R2組成測試x方向加速度的惠斯通電橋，如圖3所示。
[0038]該加速度計還包含以現有的標準壓敏電阻硅加工工藝布置在固定框架3上的壓敏電阻R12，R13，R14，它們與敏感梁5上的壓敏電阻R3和R4組成測試y方向加速度的惠斯通電橋，如圖4所示。
[0039]該加速度計還包含以現有的標準壓敏電阻硅加工工藝布置在固定框架3上的壓敏電阻R15，R16，R17，它們與敏感梁6上的壓敏電阻R5，R6，R7和R8組成測試z方向加速度的惠斯通電橋，如圖5所示。
[0040]該加速度計還包含以現有的標準壓阻硅加工工藝布置在固定框架3上的壓阻R12，R13，R14，它們與敏感梁5上的壓阻R3和R4組成測試y方向加速度的惠斯通電橋，如圖6所示。
[0041]該加速度計還包含以現有的標準壓阻硅加工工藝布置在固定框架3上的壓阻R15，R16，R17，它們與敏感梁6上的壓阻R5，R6，R7和R8組成測試z方向加速度的惠斯通電橋，如圖7所示。
[0042]該加速度計的平面圖見圖2，剖面圖見圖3和圖4。其中質量塊7，敏感梁4，內框架1，敏感梁5，外框架2，敏感梁6都是懸浮結構，固定框架3與底座鍵合，為固定不動的部件。
[0043]本發明通過結構和尺寸的不同設計方法，使得不同的敏感梁在不同的方向上具有不同的剛度，從而避免敏感梁間的耦合。具體如下所述:
[0044]在尺寸設計上，質量塊7具有較大的長度，寬度和厚度。
[0045]在尺寸設計上，敏感梁4的特點是在X方向尺寸較小，在y方向尺寸較大，在z方向上厚度相對其長度和寬度要大，較質量塊7可略小，如圖4所示，這樣設計后敏感梁4只在X方向上變形大，在y，z兩個方向上變形不敏感，相應的壓阻R1，R2只對X方向的變形產生大的電阻變化。
[0046]在尺寸設計上,敏感梁5的特點是在X方向尺寸較大,在y方向尺寸較小,在z方向上厚度相對其長度和寬度要大，較質量塊7可略低，如圖3所示，這樣設計后敏感梁5只在y方向上變形大，在X，z兩個方向上變形不敏感，相應的壓阻R3，R4只對y方向的變形產生大的電阻變化。
[0047]在尺寸設計上,敏感梁6的特點是在x,y方向上尺寸較大,在z方向上厚度相對其長度和寬度要小，如圖3及圖4所示，這樣設計后敏感梁6只在z方向上變形大，在X，y兩個方向上變形不敏感，相應的壓阻R5，R6，R7和R8只對z方向的變形產生大的電阻變化。
[0048]在尺寸設計上，敏感梁兩端與質量塊或框架的連接上，可采用對稱方式連接，如圖2所示，且可在連接端部采用不同的布置結構，圖8所示的為一種結構，但不限于這種結構，以加強敏感梁與所連接質量塊或框架的連接強度，確保敏感梁不會產生扭轉變形，但又保持敏感梁的中心敏感部分剛度不會太大，在質量塊移動是能產生足夠大的變形。
[0049]該加速度計的測試電路具有以下特點:1)所有的壓敏電阻采用標準壓阻硅加工工藝制成，通過惠斯通電橋輸出來感知加速度的變化(圖2，圖5，圖6，圖7)。2)敏感梁的壓阻處于惠斯通電橋的一個橋臂，其它橋臂上都是固定框架3上的參考壓阻，因為所有壓阻工藝相同，所以它們有相同的溫度漂移特性。又因為電橋的對稱性布置，這樣的設計就能大大減小因為溫度漂移所帶來的測量誤差。3)敏感梁4 (X軸敏感)上的壓阻R1，R2以串聯方式布置在電橋的一個橋臂，這樣只有X方向上的形變才能在這兩個電阻上產生同樣的變化；而在y方向上的小變形因一邊的梁受到拉力(如4—1)，另一個梁受到壓力(如4 — 2)，所以壓阻Rl，R2會一個變大一個變小，其和將變化很小，這樣將進一步減少其與y軸間的耦合。同理，在敏感梁5 (y軸敏感)上的壓阻變化也能減少其與X軸間的耦合。同理，在敏感梁6 (z軸敏感)上的壓阻變化也能減少其與X，y軸間的f禹合。[0050]該加速度計的微加工工藝簡單，加速度的MEMS結構(圖2，圖6，圖7)由硅片通過標準的光刻和深反應離子刻蝕(DRIE)工藝完成，而各壓敏電阻由標準的光刻和半導體摻雜工藝(如擴散或離子注入)完成。加速度的底座材料可以是硅片，玻璃片等；底座經光刻和干法或濕法腐蝕工藝刻蝕出一個空腔結構(圖6，圖7)。然后將MEMS硅結構與底座采用MEMS標準鍵合工藝鍵合在一起(如底座是硅片，則采用硅一硅低溫鍵合工藝。如果底座是玻璃片，可采用陽極鍵合工藝)。鍵合完成后的芯片可直接封裝在標準的封裝管殼中。
[0051]該三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計的工作原理為:
[0052]質量塊7，敏感梁4，內框架1，敏感梁5，外框架2，敏感梁6都是懸浮結構。當出現加速度的變化時，質量塊7產生移動，并帶動敏感梁4，內框架1，敏感梁5，外框架2，敏感梁6產生移動。
[0053]X方向的加速度變化由質量塊7傳遞到敏感梁4上的壓敏電阻Rl，R2感知。敏感梁5和敏感梁6對X方向的加速度變化不敏感。
[0054]y方向的加速度變化經質量塊7，敏感梁4，內框架I傳遞到敏感梁5上的壓敏電阻R3, R4感知。敏感梁4和敏感梁6對y方向的加速度變化不敏感。
[0055]z方向的加速度變化經質量塊7，敏感梁4，內框架1，敏感梁5，外框架2傳遞到敏感梁6上的壓敏電阻R5，R6, R7, R8感知。敏感梁4和敏感梁5對z方向的加速度變化不敏感。
[0056]綜上所述，本發明通過上述結構解決了現有技術中單質量塊壓敏電阻式三軸MEMS加速度傳感器軸間耦合過大、靈敏度低、測量精度低等問題，結構簡單，設計巧妙，產品良率高，測量更精確。
[0057]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，包括三個框架結構:懸浮內框架、懸浮外框架與固定框架，所述固定框架以鍵合的方式與底座形成密封連接。
2.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，所述三個框架結構呈對稱布置，形狀為矩形或環形。
3.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，該加速度計還包含一個懸浮的質量塊，所述質量塊為正方體型、長方體型或圓柱體型。
4.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，還包括第一敏感梁，用以連接質量塊與懸浮內框架，所述第一敏感梁為X方向上的彈性感應梁。
5.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，還包括第二敏感梁，用以連接懸浮內框架與懸浮外框架，所述第二敏感梁為Y方向上的彈性感應梁。
6.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，還包括第三敏感梁，用以連接懸浮外框架與固定框架，所述第三敏感梁為Z方向上的彈性感應梁。
7.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，所述敏感梁的兩端采用對稱連接方式，連接所述質量塊或框架。
8.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，所述X、Y、Z方向敏感梁上的壓敏電阻均以串聯方式布置在電橋的一個橋臂。
9.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，所有的壓敏電阻均采用同樣的標準壓敏電阻硅加工工藝制成。
10.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，所述測試電路由多個參考壓敏電阻及布置在同一個橋臂上的感應壓敏電阻構成，包括電源端、電壓輸出端與接地端。
11.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，在尺寸設計上，X方向上的敏感梁其X方向尺寸小于Y方向尺寸，在Z方向上的厚度相對X、Y方向尺寸都較大，即尺寸為:Z>Y>X。
12.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，在尺寸設計上，Y方向上的敏感梁其Y方向尺寸小于X方向尺寸，在Z方向上的厚度相對X、Y方向尺寸都較大，即尺寸為'rLVkVi。
13.根據權利要求1所述的一種三框架結構的單質量塊三軸MEMS加速度計，其特征在于，在尺寸設計上，Z方向上的敏感梁其X、Y方向尺寸較大，即尺寸為:Χ>Ζ，Υ>Ζ。
【文檔編號】G01P15/12GK103941041SQ201410124054
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】鄧佩剛, 楊政 申請人:武漢瑞芯科微電子技術有限公司