[发明专利]多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片及其制备方法

说明书

本发明公开多梁式单质量块面内双轴MEMS压阻式加速度传感器芯片及其制备方法，传感器芯片采用SOI硅片制造，包括芯片外框架、主支撑梁、连接梁、副支撑梁、敏感压阻微梁、质量块以及金属引线和焊盘。主支撑梁一端固定于芯片外框架，另一端与连接梁相连，连接梁的另一端与副支撑梁连接，副支撑梁的另一端与质量块相连。芯片中八个敏感压阻微梁位于芯片外框架与连接梁之间的间隙，两两对称分布在主支撑梁两侧，并且一端固定于芯片外框架，另一端与连接梁相连；八个敏感压阻微梁上的压敏电阻通过金属引线和十六个焊盘相连并组成惠斯通全桥电路。本发明传感器芯片可实现100g以下加速度的测量，固有频率达40kHz以上，满足高频低g值加速度动态测量的要求。

技术领域

本发明属于微型机械电子传感器计量领域，具体涉及一种多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片及其制备方法。

背景技术

随着微型机械电子系统(Micro Electro Mechanical Systems，简称MEMS)技术的发展，基于不同原理的加速度传感器都得到了广泛应用，例如压阻式、电容式、电磁式、压电式、谐振器式、光纤式和热电偶式等。不同敏感原理的加速度传感器有着不同的优缺点，比如压电式加速度传感器虽然已经得到成熟应用，但受到其敏感原理的限制，压电式传感器不能测量静态的加速度，且输出的电荷信号需要后续辅助电路，不易实现敏感芯片和后续电路一体化设计；电容式加速度传感器具有灵敏度高、温漂小、功耗低等优点，但输入阻抗大，易受寄生电容的影响，对于周围环境的电磁干扰较为敏感；压阻式加速度传感器易受温度影响，但其测量范围广、可测量静态和动态信号，动态响应特性好，后处理电路简单。

压阻式加速度传感器目前常用的结构有单悬臂梁、双悬臂梁、双端固支梁、四边四固支梁等结构，这些结构均采用梁-岛结构，质量块在固定的方向上自由摆动，其中单悬臂梁和双悬臂梁结构灵敏度高，但固有频率低，频率响应范围窄；双端固支梁、四边四固支梁、双边四固支梁等结构固有频率高，但灵敏度低。

随着科技的发展，目前的压阻式加速度传感器已难以满足不同领域对高灵敏度、高固有频率和低交叉灵敏度的要求，例如汽车智能检测、高速精密机床、高速运转部件的故障诊断监测、电子元器件振动控制等，然而对于传统压阻式加速度传感器，其固有频率和灵敏度是相互制约，这一制约关系对动态加速度测量带来一系列的困难，测量时易失真，因此研究能够缓解固有频率和灵敏度这一矛盾关系的加速度传感器，降低交叉灵敏度的影响，解决加速度的高灵敏度和高频响测量难题，具有重要的意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片及其制备方法，该传感器芯片将支撑元件与敏感元件进行了分离，使得该传感器芯片能够在缓和灵敏度和固有频率之间矛盾关系的基础上，降低了面内双轴加速度检测中交叉灵敏度的干扰，提高了压阻式加速度传感器的动态性能和适用范围，该结构制作方法简单，可靠性高，易于批量化生产。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片，包括芯片外框架和质量块，质量块设置在芯片外框架内，质量块上连接有两组子梁结构，两组子梁结构的轴线相互垂直，且分别与质量块的两个对称轴同轴，每组子梁结构包括两个子梁结构，每组子梁结构的两个子梁结构关于质量块对称；

每个子梁结构包括主支撑梁、副支撑梁、连接梁、敏感压阻微梁以及金属引线，其中，连接梁的一侧对称连接两个副支撑梁，副支撑梁的一端与质量块连接，另一端与连接梁连接，支撑梁设置在连接梁另一侧的中部，一端与连接梁连接，另一端与芯片外框架连接，敏感压阻微梁设置两个，两个敏感压阻微梁分别设置在连接梁两端的末端，敏感压阻微梁的一端与连接梁连接，另一端与芯片外框架连接；

每组子梁结构的两个子梁结构的敏感压阻微梁与金属引线连接并形成为惠斯通全桥电路。