[发明专利]带超量程保护的高g值三轴集成式加速度传感器

说明书

本发明公开了一种带超量程保护的高g值三轴集成加速度传感器，包括分别测量X、Y、Z三个方向加速度信号的检测单元。其中X和Y方向加速度检测单元结构相同，都包括硅框架、质量块、主悬臂梁、敏感梁、基准电阻、压敏电阻、敏感方向超量程保护曲面，它们在平面内相互垂直布置。Z方向加速度检测单元位于Y方向检测单元右侧，包括敏感方向超量程保护曲面、“人”字型悬臂梁、质量块、基准电阻、压敏电阻。该传感器具有抗过载保护，轴间耦合度小，灵敏度较大，体积较小和易于集成特点。

技术领域

本发明涉及MEMS微机械传感器领域，具体是一种带超量程保护的，固有频率高，灵敏度较高，轴间耦合程度小的三轴集成压阻式加速度传感器。

背景技术

加速度传感器是将加速度转化为形变或应力偏差的传感器，MEMS是微机电机械传感器的简称，它是一种微米级的类似集成电路的装置和工具。高g（g为重力加速度单位）是对高g值加速度传感器的统称，目前主要用于军事和航空航天领域，民用领域像汽车碰撞测试等也有少量应用。MEMS加速度传感器按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、隧穿式热对流式等。压阻式传感器有着灵敏度高、结构和加工简单等特点,目前大部分的高g值微机械加速度传感器都采用压阻式，其最大优点是低频下限可以延伸至零频率,特别适合于对低频响应有要求的冲击测量。MEMS压阻式加速度传感器的关键技术在于压敏电阻的制作，目前的加工工艺主要是在敏感梁的上表面通过硼离子注入扩散形成压敏电阻。当敏感梁被拉伸或者压缩产生拉、压应力变化时，敏感电阻的阻值随之发生变化，将敏感电阻和基准电阻连接成惠斯通电桥，通过检测电桥电压的变化即可测量加速度的大小。

发明内容

本发明需要解决的问题是提供一种带有曲面过载保护，固有频率高、轴间耦合程度低，灵敏度高，体积小，易于集成的高g值三轴压阻式加速度传感器的微机械结构。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：带超量程保护的高g值三轴集成式加速度传感器，包括了三个相互独立的检测单元，分别负责检测X、Y、Z三个方向的加速度大小，其中X和Y方向的检测单元的结构相同，均采用带曲面过载保护和敏感微梁的悬臂梁结构，它们都包括包括超量程保护曲面、带曲面质量块、硅框架、主悬臂梁、敏感梁、基准电阻、压敏电阻。质量块通过主悬臂梁和敏感梁和硅框架连接成一个整体，压敏电阻通过离子注入扩散设置在敏感梁上表面，同时在相应的硅框架上设置基准电阻，从而构成惠斯通电桥检测电路；上述两个检测单元在芯片平面内相互垂直分布，芯片左侧的为X方向加速度检测单元负责测量X方向的加速度，芯片中间的为Y方向加速度检测单元负责检测Y方向的加速度。芯片右侧的为Z方向加速度检测单元，负责检测Z方向的加速度，其结构由敏感方向（X方向加速度检测单元的敏感方向为X方向，非敏感方向为Y和Z方向，其他以此类推）超量程保护曲面、硅框架、质量块、“人”字型悬臂梁、基准电阻、压敏电阻。质量块通过“人”字型悬臂和硅框架连接成一体，压敏电阻通过离子注入扩散设置在“人”字型悬臂梁上表面，同时在相应的硅框架上设置基准电阻，从而构成惠斯通电桥检测电路。

本发明相对于“梁岛塔型压阻式三轴MEMS高g值加速度传感器阵列”（申请号:201210392440.7）的X轴加速度传感器改进在于： X和Y方向加速度检测单元主悬臂梁的尺寸要比敏感梁的尺寸要大1个数量级以上，且主悬臂梁厚度要比宽度大；敏感梁对称设置在质量块纵向两侧并连接到硅框架内侧，横向上敏感梁与质量块平齐，敏感梁的厚度比主悬臂梁的厚度小1-2个数量级；在质量块和硅框架设置对应的超量程保护曲面，由传统的单点接触转变为多点接触或者线接触，实现超量程的过载保护。

本发明结构的Z方向加速度检测单元为“人”字型悬臂梁加质量块结构，相对于传统的单悬臂梁加质量块和双悬臂梁加质量块结构，改进在于：Z方向加速度检测单元包括Z轴超量程保护曲面、硅框架、质量块、“人”字型悬臂梁、基准电阻、压敏电阻。悬臂梁由传统的单悬臂梁或者相互平行的双悬臂梁结构改为“人”字型双悬臂梁结构；在质量块的上下两个端面加有超量程保护曲面，由传统的单点接触转变为多点接触或者线接触，实现超量程的过载保护。