[发明专利]基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS传感器，具体是一种基于RTS（共振隧穿结构）的MEMS面内高g加速度传感器。

背景技术

现有MEMS高g加速度传感器的结构多采用悬臂梁-质量块结构，在悬臂梁上设置敏感元件，由质量块敏感加速度。主要用于测量与传感器所在平面垂直方向上的加速度，即当传感器受到垂直于本身的加速度作用时，质量块将在加速度方向上产生与加速度大小对应的位移，此时悬臂梁将会发生弯曲变形，并在其表面产生拉应力（或压应力），进而致使位于悬臂梁表面的敏感元件的阻值增大（或减小），通过测量阻值的变化就可测得加速度的变化情况。虽然将敏感元件制作在悬臂梁的侧面也可以实现水平方向（即与传感器所在平面平行的方向）上加速度的测量，但是由于其加工工艺复杂，加工精度、一致性、成品率低，实现极为不易，且成品检测精度低，无法满足当前科技发展进程的使用需要。

此外，悬臂梁上设置的敏感元件多采用通过高掺杂工艺制作的压敏电阻，掺杂制作时，载流子浓度越高，受温度影响越大，当工作温度超过120℃时，会最终导致MEMS传感器的特性严重失效。

发明内容

本发明为了解决现有MEMS高g加速度传感器结构不易实现水平方向加速度测量、受工艺条件限制不易实现传感器三轴向集成、检测结果易受温度影响等问题，提供了一种基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于RTS的MEMS面内高g加速度传感器，包括硅基框架、支悬于硅基框架内的质量块，质量块一侧通过独立支撑梁与硅基框架固定，相对侧通过两平行设置的组合梁与硅基框架固定，独立支撑梁与组合梁平行，且独立支撑梁沿质量块中心线设置，两组合梁以质量块中心线为对称轴对称设置；所述组合梁包含检测梁、分别设置于检测梁两端用以实现检测梁与质量块、硅基框架固定的两连接梁，检测梁上设有应变压敏元件，检测梁的厚度及宽度小于连接梁；独立支撑梁、质量块、及组合梁中的连接梁为等厚设置；硅基框架上设有两基准压敏元件，硅基框架上的基准压敏元件与检测梁上的应变压敏元件连接构成惠斯通半桥，所述基准压敏元件与应变压敏元件为共振隧穿结构RTS。

当传感器受到与传感器所在平面平行方向上的加速度（即面内加速度）时，质量块将在加速度方向上产生与加速度大小对应的位移，支撑梁和组合梁上应力变化；组合梁中检测梁的尺寸小于连接梁和支撑梁，因此应力变化主要产生在检测梁上，导致检测梁上应变敏感元件的参数变化，通过检测梁上的应变敏感元件和硅基框架上的基准敏感元件连接组成惠斯通半桥，可测得加速度方向上检测梁的应力变化，进而确定水平向加速度的变化情况。

其中，当质量块敏感到加速度时，检测梁上应力变化分为：1、传感器所在平面内沿检测梁方向上的应力变化；2、传感器所在平面内沿与检测梁垂直方向上的应力变化；3、沿与传感器所在平面垂直方向的应力变化；应力变化1、2由加速度的水平向分量引起，应力变化3由加速度的垂直向分量引起。检测梁上应变敏感元件的参数变化受上述应力变化共同影响，为避免上述应力变化对应变敏感元件的影响相互抵消，导致惠斯通半桥输出无效，因此，在应用本发明所述结构时，应在独立支撑梁、质量块、检测梁、组合梁等尺寸确定的情况下，通过改变检测梁于组合梁中的设计位置，使应力变化2、3对应变敏感元件的影响相抵消或最小化，进而使检测梁仅在自身设置方向上具有形变，即使检测梁上应变敏感元件的参数变化仅与传感器所在平面内沿检测梁方向上的应力变化相关；这样，惠斯通半桥的输出直接就反映了传感器所在平面内水平向加速度的大小及变化情况，而且利于较大幅度地提高传感器本身的灵敏度和固有频率。

通过对本发明结构进行仿真实验，在理论上验证了本结构一阶振型和加速度检测水平向的方向相同，且具有较高的一阶固有频率，同时本结构还有效地拉开了传感器一阶振型固有频率与二阶振型固有频率的差距，避免检测时发生交叉耦合（即横向灵敏度过大），有利于减小加速度传感器的测试误差，提高了传感器的敏感轴方向上输出的精度，满足高g值加速度传感器的应用要求。