[发明专利]一种超薄敏感梁压阻加速度传感器

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种采用压阻原理制作的加速度传感器，特别是涉及一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，属于微机电系统（MEMS）领域。

背景技术

1979年，Roylance和Angell采用KOH腐蚀体硅工艺，单悬臂梁加质量块结构，成功研制出MEMS压阻式加速度计。MEMS压阻式加速度传感器是利用敏感材料的压阻效应，将机械信号转化为电信号。MEMS压阻式加速度传感器的传感方式大多采用硅梁—质量块结构，在梁上设置电阻，在加速度作用下，质量块运动，从而使硅梁产生与加速度成比例的形变，导致梁上应变电阻的阻值发生相应的变化，当应变电阻作为测量电桥的桥臂时，通过电桥输出电压的变化，实现对加速度的测量。MEMS压阻式加速度传感器的常用结构形式有单主梁、双主梁和四梁等结构。常用的敏感材料是硅，在硅上制作电阻。

常见的MEMS加速度传感器分为电容式、压阻式、谐振式和压电式等。大多数采用弹性梁加质量块结构，但这种结构具有固有频率和灵敏度相制约的矛盾，导致难以有效提高固有频率。电容式加速度传感器的缺点是需要复杂的信号处理电路，并和传感器制备在同一芯片上，生产工艺要求很高。压阻式加速度传感器具有体积小、测量加速度的范围宽、直接输出电压信号、不需要复杂的电路接口、大批量生产时价格低廉等优势。但压阻式加速度传感器具有温度的漂移较大的缺点。

授权公告号CN101118250A，名称为“一种硅MEMS压阻式加速度传感器”的中国发明专利，其特征是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主梁轴线方向产生相对于硅基框架的转动，从而在敏感梁上形成与加速度值相对应应力，其固有谐振频率由质量块、扭转梁和敏感梁决定，但在普通压阻式传感器中存在的灵敏度与固有谐振相互制约的矛盾尚未解决，而且由于敏感梁上最大应变区域较小，因此这种结构仍未解决应变电阻的制作难点。

授权公告号CN1279362C，名称为“一种硅微加速度传感器及制作方法”的中国发明专利，其基本构思是设计和制作一种由直拉直压微梁、质量块和悬臂梁构成的结构，实现微梁的直拉直压，并且将压阻敏感电阻区做到微梁上，使加速度带来的质量块动能多数转变为微梁拉压的势能，从而提高了灵敏度。但由于其质量块受加速度作用时发生转动，因此，要实现微梁的直拉直压必须对其位置精确控制，对工艺精度要求较高。

发明内容

1、发明目的：

本发明的目的是针对上述问题，提出一种灵敏度高、温漂系数小、固有谐振频率高和接口电路要求低的MEMS加速度传感器。

2、技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，其特征在于：主要由硅基框架、质量块、主梁和微梁构成，质量块设置在硅基框架中间，硅基框架通过主梁和微梁与质量块相连接；在所述质量块的两侧设置有互相对称的微梁，微梁上设有应变电阻；在质量块的无微梁两侧四个角部、或四个角部和中部设置有对称的主梁，主梁一端连接质量块，另一端连接硅基框架。

主梁横截面积远远大于微梁（一般在1000倍以上），质量块和主梁尺寸的变化会导致传感器固有谐振频率显著变化，因此，通过调整主梁的尺寸可控制谐振频率，通过调整微梁长度可控制传感器的灵敏度；受加速度作用时微梁只有水平运动而无扭动，且应变均匀分布。

所述主梁设置为两对或多对。

所述微梁设置为一对或者多对。

所述应变电阻为多晶硅纳米薄膜应变电阻，采用重掺杂多晶硅纳米薄膜，掺杂浓度为2～4×10²⁰ cm^-3。

所述多晶硅纳米薄膜厚度接近或小于100nm，厚度为80～100nm的多晶硅纳米薄膜在掺杂浓度为3×10²⁰ cm^-3 附近时具有显著的隧道压阻效应，表现出比常规多晶硅纳米薄膜更优越的压阻特性，厚度为85nm～95nm的多晶硅纳米薄膜压阻特性最佳。

3、优点及效果： 

本发明提供的一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，与现有的压阻式加速度传感器相比，具有如下优点：

（1）采用多晶硅纳米薄膜作为应变电阻可以提高压阻式加速度传感器的灵敏度和温度稳定性。

（2）采用主梁和微梁结构可以提高传感器灵敏度和固有谐振频率。

（3）质量块的四个角部、或四个角部和中部设置有对称的主梁，限制了主梁和质量块的扭动，受加速度作用时微梁只有水平运动而无扭动，且微梁应变均匀分布。