基於RTS的MEMS面內高g加速度傳感器的製作方法

2023-05-17 04:24:06

專利名稱：基於RTS的MEMS面內高g加速度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及MEMS傳感器，具體是一種基於RTS (共振隧穿結構)的MEMS面內高g 加速度傳感器。
背景技術：
現有MEMS高g加速度傳感器的結構多採用懸臂梁-質量塊結構，在懸臂梁上設置 敏感元件，由質量塊敏感加速度。主要用於測量與傳感器所在平面垂直方向上的加速度，即 當傳感器受到垂直於本身的加速度作用時，質量塊將在加速度方向上產生與加速度大小對 應的位移，此時懸臂梁將會發生彎曲變形，並在其表面產生拉應力(或壓應力)，進而致使位 於懸臂梁表面的敏感元件的阻值增大(或減小)，通過測量阻值的變化就可測得加速度的變 化情況。雖然將敏感元件製作在懸臂梁的側面也可以實現水平方向(即與傳感器所在平面 平行的方向)上加速度的測量，但是由於其加工工藝複雜，加工精度、一致性、成品率低，實 現極為不易，且成品檢測精度低，無法滿足當前科技發展進程的使用需要。此外，懸臂梁上設置的敏感元件多採用通過高摻雜工藝製作的壓敏電阻，摻雜制 作時，載流子濃度越高，受溫度影響越大，當工作溫度超過120°C時，會最終導致MEMS傳感 器的特性嚴重失效。

發明內容
本發明為了解決現有MEMS高g加速度傳感器結構不易實現水平方向加速度測量、 受工藝條件限制不易實現傳感器三軸向集成、檢測結果易受溫度影響等問題，提供了一種 基於RTS的MEMS面內高g加速度傳感器。本發明是採用如下技術方案實現的基於RTS的MEMS面內高g加速度傳感器，包 括矽基框架、支懸於矽基框架內的質量塊，質量塊一側通過獨立支撐梁與矽基框架固定，相 對側通過兩平行設置的組合梁與矽基框架固定，獨立支撐梁與組合梁平行，且獨立支撐梁 沿質量塊中心線設置，兩組合梁以質量塊中心線為對稱軸對稱設置；所述組合梁包含檢測 梁、分別設置於檢測梁兩端用以實現檢測梁與質量塊、矽基框架固定的兩連接梁，檢測梁上 設有應變壓敏元件，檢測梁的厚度及寬度小於連接梁；獨立支撐梁、質量塊、及組合梁中的 連接梁為等厚設置；矽基框架上設有兩基準壓敏元件，矽基框架上的基準壓敏元件與檢測 梁上的應變壓敏元件連接構成惠斯通半橋，所述基準壓敏元件與應變壓敏元件為共振隧穿 結構RTS。當傳感器受到與傳感器所在平面平行方向上的加速度(即面內加速度)時，質量塊 將在加速度方向上產生與加速度大小對應的位移，支撐梁和組合梁上應力變化；組合梁中 檢測梁的尺寸小於連接梁和支撐梁，因此應力變化主要產生在檢測梁上，導致檢測梁上應 變敏感元件的參數變化，通過檢測梁上的應變敏感元件和矽基框架上的基準敏感元件連接 組成惠斯通半橋，可測得加速度方向上檢測梁的應力變化，進而確定水平向加速度的變化 情況。
其中，當質量塊敏感到加速度時，檢測梁上應力變化分為1、傳感器所在平面內沿 檢測梁方向上的應力變化；2、傳感器所在平面內沿與檢測梁垂直方向上的應力變化；3、沿 與傳感器所在平面垂直方向的應力變化；應力變化1、2由加速度的水平向分量引起，應力 變化3由加速度的垂直向分量引起。檢測梁上應變敏感元件的參數變化受上述應力變化共 同影響，為避免上述應力變化對應變敏感元件的影響相互抵消，導致惠斯通半橋輸出無效， 因此，在應用本發明所述結構時，應在獨立支撐梁、質量塊、檢測梁、組合梁等尺寸確定的情 況下，通過改變檢測梁於組合梁中的設計位置，使應力變化2、3對應變敏感元件的影響相 抵消或最小化，進而使檢測梁僅在自身設置方向上具有形變，即使檢測梁上應變敏感元件 的參數變化僅與傳感器所在平面內沿檢測梁方向上的應力變化相關；這樣，惠斯通半橋的 輸出直接就反映了傳感器所在平面內水平向加速度的大小及變化情況，而且利於較大幅度 地提高傳感器本身的靈敏度和固有頻率。通過對本發明結構進行仿真實驗，在理論上驗證了本結構一階振型和加速度檢 測水平向的方向相同，且具有較高的一階固有頻率，同時本結構還有效地拉開了傳感器一 階振型固有頻率與二階振型固有頻率的差距，避免檢測時發生交叉耦合(即橫向靈敏度過 大)，有利於減小加速度傳感器的測試誤差，提高了傳感器的敏感軸方向上輸出的精度，滿 足高g值加速度傳感器的應用要求。應用ANSYS有限元分析軟體對本發明所述傳感器結構按如下表表1尺寸參數進行 模態仿真分析，其仿真的結果如下1、一階模態的固有頻率為340KHZ，質量塊的振動沿水 平向Y軸振動；2、二階模態的固有頻率為670 KHz，質量塊的振動沿垂直向Z軸振動；3、三 階模態的固有頻率為961 KHz，質量塊繞X軸轉動。由此可知，本發明所述傳感器結構的一 階固有頻率為340KHz，且一階振型為沿水平向Y軸振動，與加速度檢測方向相同，且頻響大 於ΙΟΚΗζ。其次，對結構加載15萬g載荷進行靜力學分析，計算出檢測梁上的等效應力最大 能達到220MPa左右，小於340MPa，完全滿足設計要求。 表1
矽基框架獨立支撐梁質量塊連接梁1連接梁2檢測梁長度(um)1800300600200250100寬度(um)30020035010010050厚度(um)35025025025025080
與組合梁共同支撐質量塊的獨立支撐梁，能避免質量塊由於自身的重力或者所受到過 大衝擊載荷作用時結構發生破壞性失效；同時，獨立支撐梁的存在使結構的水平向剛度要 遠小於垂直向剛度，有利於降低傳感器的交叉耦合。共振隧穿結構RTS採用GaAs材料、以矽基異質外延GaAs工藝製作獲得，利用超晶 格薄膜壓阻效應敏感應力變化，其超晶格阱區和壘區不摻雜載流子，受溫度影響較小，可有 效降低溫度對傳感器特性的影響，避免傳感器特性的嚴重實效。所述獨立支撐梁與質量塊固定的端部、獨立支撐梁與矽基框架固定的端部、連接 梁與質量塊固定的端部、連接梁與矽基框架固定的端部、檢測梁與連接梁固定的端部皆設 置有倒角；所述倒角設置的位置是應力集中且尖銳的區域，設置倒角可以在不改變應力大 小的基礎上有效地避免這些區域應力集中，降低這些區域處結構因應力集中而斷裂失效的 可能性，從而保證了結構在高g值環境中工作的可靠性。
4
矽基框架在水平檢測方向(即與檢測梁垂直的水平方向)上正對的邊框的內壁上 分別設有限位塊；這樣，可以使傳感器在經受高衝擊時，其內部結構不會因位移過大而發生 斷裂失效，增加了傳感器的安全性。本發明的基本結構採用現有經典的懸臂梁-質量塊結構，其敏感機理則採用超晶 格薄膜壓阻效應的敏感原理。但是與現有加速度傳感器相比，本發明的主要特點是用於測 量水平方向上的高g值加速度信號。本發明的主要意義在於通過實現水平方向上高g值加 速度信號的測量，可用於製作通過3個不同的單元Cr、八ζ三個方向檢測單元相互獨立，本 發明可用於檢測X、/兩個方向)分別檢測3個軸向的加速度的三維高g加速度傳感器，以 解決各軸向間加速度信號的耦合，真正地實現三軸向集成的加速度傳感器。本發明結構合理、簡單，能實現水平向加速度測量，且加工工藝簡單，受環境溫度 影響較小，在高溫環境下不易失效，易於實現三軸集成，具有良好的靈敏度和抗高過載能 力，適用於測量高g值的衝擊加速度。


圖1為本發明的結構示意圖； 圖2為圖1中的A處放大圖中1-矽基框架；2-質量塊；3-獨立支撐梁；4-連接梁；5-檢測梁；6-應變壓敏元 件；7-基準壓敏元件；8-限位塊；9-倒角。
具體實施例方式如圖1所示，基於RTS的MEMS面內高g加速度傳感器，包括矽基框架1、支懸於矽 基框架1內的質量塊2，質量塊2 —側通過獨立支撐梁3與矽基框架1固定，相對側通過兩 平行設置的組合梁與矽基框架1固定，獨立支撐梁3與組合梁平行，且獨立支撐梁3沿質量 塊2中心線設置，兩組合梁以質量塊2中心線為對稱軸對稱設置；所述組合梁包含檢測梁 5、分別設置於檢測梁5兩端用以實現檢測梁5與質量塊2、矽基框架1固定的兩連接梁4， 檢測梁5上設有應變壓敏元件6，檢測梁5的厚度及寬度小於連接梁4 ；獨立支撐梁3、質量 塊2、及組合梁中的連接梁4為等厚設置；矽基框架1上設有兩基準壓敏元件7，矽基框架1 上的基準壓敏元件7與檢測梁4上的應變壓敏元件6連接構成惠斯通半橋，所述基準壓敏 元件7與應變壓敏元件6為共振隧穿結構RTS。所述獨立支撐梁3與質量塊2固定的端部、獨立支撐梁3與矽基框架1固定的端 部、連接梁4與質量塊2固定的端部、連接梁4與矽基框架1固定的端部、檢測梁5與連接 梁4固定的端部皆設置有倒角9 ；矽基框架1在水平檢測方向(即與檢測梁垂直的水平方向) 上正對的邊框的內壁上分別設有限位塊8。
權利要求
1.一種基於RTS的MEMS面內高g加速度傳感器，其特徵在於包括矽基框架(1 )、支懸 於矽基框架(1)內的質量塊(2 )，質量塊(2 ) —側通過獨立支撐梁(3 )與矽基框架(1)固定， 相對側通過兩平行設置的組合梁與矽基框架(1)固定，獨立支撐梁(3)與組合梁平行，且獨 立支撐梁(3)沿質量塊(2)中心線設置，兩組合梁以質量塊(2)中心線為對稱軸對稱設置； 所述組合梁包含檢測梁(5 )、分別設置於檢測梁(5 )兩端用以實現檢測梁(5 )與質量塊(2 )、 矽基框架(1)固定的兩連接梁(4)，檢測梁(5)上設有應變壓敏元件(6)，檢測梁(5)的厚度 及寬度小於連接梁(4);獨立支撐梁(3)、質量塊(2)、及組合梁中的連接梁(4)為等厚設置； 矽基框架(1)上設有兩基準壓敏元件(7)，矽基框架(1)上的基準壓敏元件(7)與檢測梁(4) 上的應變壓敏元件(6 )連接構成惠斯通半橋，所述基準壓敏元件(7 )與應變壓敏元件(6 )為 共振隧穿結構RTS。
2.根據權利要求1所述的基於RTS的MEMS面內高g加速度傳感器，其特徵在於所述 獨立支撐梁(3)與質量塊(2)固定的端部、獨立支撐梁(3)與矽基框架(1)固定的端部、連 接梁(4)與質量塊(2)固定的端部、連接梁(4)與矽基框架(1)固定的端部、檢測梁(5)與 連接梁(4)固定的端部皆設置有倒角(9)。
3.根據權利要求1所述的基於RTS的MEMS面內高g加速度傳感器，其特徵在於矽基 框架(1)在水平檢測方向上正對的邊框的內壁上分別設有限位塊(8)。
全文摘要
本發明涉及MEMS傳感器，具體是一種基於RTS的MEMS面內高g加速度傳感器。解決了現有MEMS高g加速度傳感器結構不易實現水平向加速度測量、檢測結果易受溫度影響等問題，包括矽基框架、質量塊，質量塊兩側分別通過獨立支撐梁、兩組合梁與矽基框架固定，獨立支撐梁沿質量塊中心線設置，兩組合梁以質量塊中心線為對稱軸對稱設置；組合梁含檢測梁、兩連接梁，檢測梁上設有應變壓敏元件，檢測梁的厚度及寬度小於連接梁；獨立支撐梁、質量塊、組合梁中的連接梁為等厚設置。結構合理、簡單，能實現水平向加速度測量，加工工藝簡單，受環境溫度影響較小，在高溫環境下不易失效，易於實現三軸集成，適用於測量高g值的衝擊加速度。
文檔編號B81B3/00GK102141576SQ20101060924
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月28日 優先權日2010年12月28日
發明者劉俊, 唐軍, 張賀, 石雲波, 趙銳 申請人:中北大學