[发明专利]压阻式单片集成四梁三轴加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域中的加速度传感器，具体是一种压阻式单片集成四梁三轴加速度传感器。

背景技术

加速度测量是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量。加速度计在生物、化学和医学分析中，在航天、航空、航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等测量领域有广泛的应用。常见的微加速度计产品都是单轴的，而微惯性系统以及一些其他应用场合往往需要三轴加速度计来检测加速度矢量，这就对三轴加速度传感器的出现提出了诉求。压阻式三轴微加速度传感器的实现方法有三种：第一种是将三个单轴压阻式微加速度传感器组装在一起，实现三轴测量功能，但是这种方式体积较大，组装比较困难，而且矢量测量精度低；第二种是将三个单轴压阻式加速度传感器同时制作在同一个芯片上，单个压阻式加速度传感器的结构是由硅框架、质量块、悬臂梁以及压敏电阻组成的，当将三个单轴加速度传感器制作在同一个芯片上时，考虑到传感器的各个性能，三个单轴加速度传感器的压敏电阻的布放位置会不同，这样会大大增加工艺的复杂度，增大加工成本；第三种是采用一个敏感元件测量三个方向的加速度信号，当敏感元件感受不同方向的加速度时，不同位置的电阻阻值产生变化，从而使由电阻构成的惠斯通电桥输出电压信号，从而检测加速度的大小和方向。由这三种方法实现的压阻式三轴微加速度传感器各有其优点和弊端。针对第三种实现方法，有现有的八梁臂结构，但其灵敏度较低而轴间耦合度较高。为了提高灵敏度和降低轴间耦合度，本发明在八梁臂的基础上提出了四梁臂的结构，其上对称分布有十六个压敏电阻，其中四个压敏电阻构成一个惠斯通电桥检测X方向的加速度和方向，另有四个压敏电阻构成一个惠斯通电桥检测Y方向的加速度和方向，剩下八个压敏电阻构成一个惠斯通电桥检测Z方向的加速度和方向。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的压阻式三轴加速度计存在结构复杂，灵敏度低，轴间耦合大的问题，而提供了一种压敏电阻完全对称分布，灵敏度高，轴间耦合度小的压阻式单片集成四梁三轴加速度计。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种压阻式单片集成四梁三轴加速度计，包括支撑边框、弹性悬臂梁以及通过弹性悬臂梁支悬于支撑边框中心位置的质量块，质量块的四个边分别通过一根弹性悬臂梁与支撑边框固定，支撑边框的下表面超出质量块的下表面，且支撑边框下表面通过静电键合技术键合有玻璃基座，固定于支撑边框与质量块之间的四根弹性悬臂梁上对称均布有十六个阻值相等的应变压敏电阻，每根弹性悬臂梁上的四个应变压敏电阻两两对称分布于弹性悬臂梁的两端，并且同一端的两个应变压敏电阻以弹性悬臂梁的中心轴线对称分布；第一应变压敏电阻和第二应变压敏电阻分布于X轴负方向的弹性悬臂梁上，第一应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第二应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第三应变压敏电阻和第四应变压敏电阻分布于X轴正方向的弹性悬臂梁上，第三应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第四应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，并且上述四个应变压敏电阻（即：第一应变压敏电阻、第二应变压敏电阻、第三应变压敏电阻和第四应变压敏电阻）之间连接成一个检测X轴方向信号的惠斯通电桥（检测X轴、Y轴、Z轴方向的惠斯通电桥都有两个输入端：Vcc和GND；有两个输出端：Vout），其中，第一应变压敏电阻和第二应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：检测X轴方向信号的惠斯通电桥）的一个输入端上，第三应变压敏电阻和第四应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：检测X轴方向信号的惠斯通电桥）的另一个输入端上，第一应变压敏电阻和第三应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二应变压敏电阻和第四应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第五应变压敏电阻和第六应变压敏电阻分布于Y轴负方向的弹性悬臂梁上，第五应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第六应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第七应变压敏电阻和第八应变压敏电阻分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁上，第七应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第八应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个压敏电阻组合位置的右下方，并且上述四个应变压敏电阻（即：第五应变压敏电阻、第六应变压敏电阻、第七应变压敏电阻和第八应变压敏电阻）之间连接成一个检测Y轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第五应变压敏电阻和第六应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：检测Y轴方向信号的惠斯通电桥）的一个输入端上，第七应变压敏电阻和第八应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：检测Y轴方向信号的惠斯通电桥）的另一个输入端上，第五应变压敏电阻和第七应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第六应变压敏电阻和第八应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第九应变压敏电阻和第十应变压敏电阻分布于X轴负方向的弹性悬臂梁上，第九应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第十一应变压敏电阻和第十二应变压敏电阻分布于X轴正方向的弹性悬臂梁上，第十一应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十二应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十三应变压敏电阻和第十四应变压敏电阻布于Y轴负方向的弹性悬臂梁上，第十三应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十四应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十五应变压敏电阻和第十六应变压敏电阻分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁上，第十五应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十六应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，并且上述八个应变压敏电阻（即：第九应变压敏电阻、第十应变压敏电阻、第十一应变压敏电阻、第十二应变压敏电阻、第十三应变压敏电阻、第十四应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻和第十六应变压敏电阻）之间连接成一个测Z轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第九应变压敏电阻和第十二应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第一个桥臂，第十应变压敏电阻和第十一应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第二个桥臂，第十三应变压敏电阻和第十五应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第三个桥臂，第十四应变压敏电阻和第十六应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第四个桥臂，并且第一桥臂上的第九应变压敏电阻、第十二应变压敏电阻和第二桥臂上的第十应变压敏电阻、第十一应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：测Z轴方向信号的惠斯通电桥）的一个输入端上，第三桥臂上的第十三应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻、第十六应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：测Z轴方向信号的惠斯通电桥）的另一个输入端上，第一桥臂上的第九应变压敏电阻、第十二应变压敏电阻和第三桥臂上的第十三应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二桥臂上的第十应变压敏电阻、第十一应变压敏电阻和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻、第十六应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上。