[发明专利]基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计

说明书

本发明公开了一种基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计的结构、制作方法及工作原理，属于微电子机械系统领域。其结构特征在于谐振式加速度计由双股叉型谐振梁(1)、激励电阻(2)、压敏电阻(3)、蟹腿型支撑梁(4)、质量块(5)、框架(6)、金属内引线(7)组成，质量块(5)的重心位于蟹腿型支撑梁(4)的中性面内。本传感器在检测原理方面的特征在于在平行于芯片表面的加速度作用下，双股叉型谐振梁(1)的轴向应力变化，从而改变其谐振频率，通过检测谐振频率的变化就可以得到加速度的大小和方向。相对于双端固支直梁谐振器，基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计具有更大的检测灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种谐振式加速度计，特别是一种基于双股叉型谐振梁的高灵敏度体微机械谐振式加速度计的结构及工作机理，属于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)领域。

背景技术

微型加速度计是利用传感质量的惯性力测量加速度的传感器，具有体积小、重量轻、易集成、功耗和成本低、可批量生产等优点。按照敏感轴的数量可以分为单轴、双轴以及三轴加速度计。按照检测质量的运动方式可以分为线加速度计和扭摆式加速度计。按照有无反馈信号可以分为开环偏差式和闭环力平衡式加速度计。按照信号检测方式可以将微型加速度计分为压阻式、电容式、压电式、热对流式、隧道电流式、谐振式加速度计。其中谐振式加速度计可以将被测加速度直接转换为稳定性和可靠性较高的频率信号，分辨率高，稳定性好，测量精度高，不受电路噪声影响，在传输过程中不易产生失真误差，抗干扰能力强，无需A/D转换即可与数字系统接口。

谐振式加速度计常用双端调谐音叉(Double-ended tuning forks，DETF)谐振器检测面内加速度，用一级甚至二级微杠杆结构放大质量块所受惯性力后作用在双端调谐音叉谐振器两端，检测双端调谐音叉谐振器的谐振频率就可获得加速度的大小。然而，双端调谐音叉谐振器和微杠杆结构复杂、脆弱，且质量块厚度较小，灵敏度低。体微机械工艺可实现全硅片厚度的质量块，具有较高的测量灵敏度。本专利第一发明人之前申请的专利(一种双轴体微机械谐振式加速度计结构及工作机理，专利号：201210059387.9)采用两端固支单梁谐振器、两端固支双梁谐振器或两端固支三梁谐振器。谐振梁位于衬底上表面，以便于在谐振梁上表面光刻电阻、引线图形。蟹腿型支撑梁支撑全硅片厚度的质量块，支撑梁的中性面与质量块重心在同一平面，可以显著减小质量块在面内加速度作用下质量块的偏转和交叉灵敏度。但由于硅材料具有较大的杨氏模量，谐振梁的纵向刚度也会限制质量块在面内的位移，减小测量灵敏度。因此设计和制作柔性的谐振梁检测面内加速度信号是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于发明一种柔性的谐振梁检测面内加速度信号，以提高测量面内加速度的灵敏度。

为实现上述目的，本发明所提出的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计的基本结构是：所述的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计由双股叉型谐振梁(1)、激励电阻(2)、压敏电阻(3)、蟹腿型支撑梁(4)、质量块(5)、框架(6)、金属内引线(7)组成。双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)位于质量块(5)和框架(6)之间的“口”字型腐蚀槽(8)内，一端固支在质量块(5)的侧面，另一端固支在框架(6)内壁。双股叉型谐振梁(1)位于传感器芯片上表面，在其中部制作激励电阻(2)，在靠近衬底的2个叉齿上制作压敏电阻(3)。质量块(5)的重心位于蟹腿型支撑梁(4)的中性面内。

本发明所涉及的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计的检测机理：在激励电阻(2)上通过交流电，产生交变的温度场和弯矩，使双股叉型谐振梁(1)发生振动。叉齿上的压敏电阻(3)检测振动信号。在面内加速度作用下，双股叉型谐振梁(1)的轴向应力变化，从而改变其谐振频率，通过检测谐振频率的变化就可以得到加速度的大小和方向。