[发明专利]一种硅MEMS压阻式加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用压阻原理制作的加速度传感器，属于微机械传感器领 域。

背景技术

微加速度传感器是采用微机械加工技术制作的传感器。根据所采用的工作 原理不同，微加速度传感器可分为电容式、压阻式、热流式、隧穿式和谐振式 等多种。和其它形式的微加速度传感器相比，压阻式微加速度传感器由于具有 加工工艺简单、测试方便和成本低廉等特点而获得了广泛的应用。压阻式加速 度传感器以半导体的压阻效应为基础，由质量块和悬臂梁组成。压敏电阻的制 作是实现MEMS压阻式加速度传感器的关键技术，目前的加工工艺主要是将压敏 电阻制作在悬臂梁上表面。当结构受到垂直于硅片方向的加速度作用时，质量 块产生垂直方向的位移，根据加速度的方向，悬臂梁向上或向下弯曲，并在其 上表面产生压应力或拉应力，导致位于上表面的压敏电阻阻值减小或增大，通 过测量该阻值的变化即可获得加速度的大小。因此，压敏电阻制作在悬臂梁上 表面的压阻式加速度传感器主要用于测量垂直方向的加速度。将压敏电阻制作 在悬臂梁侧面可以实现测量水平方向的加速度信号，但必须借助复杂的工艺才 能实现，这在很大程度上增加了加工难度和降低了传感器的精度。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种测量水平方向加速度信号、而压敏 电阻设置在敏感梁上表面、具有较小交叉耦合的硅MEMS压阻式加速度传感器。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种硅MEMS压阻式加速度传感器，包括硅框架、质量块、压敏电阻，质量 块位于硅框架中并通过扭转梁、敏感梁与硅框架连接，在质量块的左右两侧和 所述硅框架之间设置有互相对称的敏感梁，在质量块的前后两侧和硅框架之间 设有一对对称的扭转梁；所述扭转梁X方向的宽度小于质量块X方向的宽度， 扭转梁Z方向的高度大于敏感梁Z方向的高度，所述敏感梁上制作有检测应力 大小的压敏电阻。传感器受到敏感方向(即与敏感梁轴线平行的方向)的加速 度作用时质量块绕扭转梁轴线方向产生相对于硅框架的转动，从而在敏感梁上 形成与加速度值相对应的挠曲和应力，敏感梁上制作有压敏电阻，用于检测应 力的大小。

本发明的结构的进一步改进在于：压敏电阻分布在敏感梁的端部。

敏感梁上的压敏电阻的数量最好四个或者是四的整数倍的数量，以便构成 能够精确测量的测量电桥。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明的主要结构由硅框架、一个质量块、二个扭转梁和若干根敏感梁组 成，敏感梁上表面的端部制作有压敏电阻。当整个结构受到水平X方向(即与 敏感梁轴线平行的方向，是敏感方向)的加速度作用时，质量块将绕Y轴(即 平面内与X轴垂直的方向)发生相对于硅框架的转动，导致敏感梁发生弯曲变 形，并在其上表面产生分布变化的应力。位于敏感梁上表面的压敏电阻受应力 作用阻值发生变化，通过检测电阻阻值的变化得到外界加速度的大小。其中敏 感梁两端应力最大，越接近中间部位，应力越小。因此，将压敏电阻设计在敏 感梁的端部，将有利于传感器获得最大的灵敏度。两个扭转梁对称分布在质量 块的两侧，其主要作用一方面是用于支撑质量块的质量，避免质量块由于自身 重力或受冲击载荷作用时结构发生破坏失效；另一方面，扭转梁在X方向的尺 寸很小，Z方向(即垂直于质量块平面的方向)的尺寸却比较大，因此扭转梁的 存在对包括质量块在内的整个结构的X方向的刚度影响较小，却使Y方向和Z 方向的刚度变得很大，这样设计带来的好处是传感器只能敏感X方向的加速度 信号，当质量块受到Y向或Z向的加速度作用时，质量块产生的位移很小，因 此敏感梁变形也会很小，有利于降低传感器的交叉耦合。在测量加速度的过程 中，敏感梁的两个端部是变形最大的地方，因此将压敏电阻设置在敏感梁的一 端或者两端，以便获得最大的灵敏度；使压敏电阻构成电桥，能够实现精确测 量。

采用本发明所提供的硅MEMS压阻式加速度传感器，是一种采用压阻原理测 量横向加速度信号的微传感器结构，采用该结构可直接将压敏电阻制作在敏感 梁的上表面，可以避免使用在结构侧面制作电阻的复杂工艺，降低了加工难度， 并易于实现三轴集成。该传感器还具有体积小、质量轻、可靠性高、成本低和 易于集成的特点。

附图说明

图1是硅MEMS压阻式加速度传感器的一种结构的三维立体结构示意图；