专利名称：一种硅mems压阻式加速度传感器的制作方法
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#文电阻，质量
块位于硅框架中间，质量块和硅框架之间通过扭转梁和敏感梁连接成一体；在 质量块的左右两側设置有互相对称的敏感梁，敏感梁为一对或多对，在敏感梁 的上表面设置有压敏电阻，用于检测质量块受加速度作用发生转动时相对应的敏感梁上应力的大小；在质量块的前后两侧分别设置有一对对称的扭转梁，扭转梁的一端连接质量块， 一端连接硅框架，扭转梁在水平方向上的宽度小于质量块的宽度，在垂直方向的高度大于敏感梁的高度；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^: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，将压每丈电阻设计在敏 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4艮小，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。
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； 图2是硅MEMS压阻式加速度传感器的另一种结构的三维立体结构示意图； 图3是硅MEMS压阻式加速度传感器的再一种结构的三维立体结构示意图。 其中1、硅框架，2、质量块，3、扭转梁，4、敏感梁，5、压敏电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述 实施例1如图1所示。本实施例的硅MEMS压阻式加速度传感器是在一个硅框架1内 设置一个质量块2、 二个扭转梁3和四个敏感梁4，质量块2位于硅框架1的中 间，并通过扭转梁3、敏感梁4与硅框架1相连；敏感梁4对称分布于质量块2 的左右两侧，扭转梁3位于质量块2的前后两侧；敏感梁4的上下方向的高度 和水平方向的宽度远远小于质量块2的高度和宽度；扭转梁3位于质量块2前 后两侧平面的中心线上，扭转梁3上下方向的高度与质量块2的高度相同，水 平方向的宽度小于质量块的宽度；在每个敏感梁4的上表面的外端通过表面扩 散工艺分别制作有一个压每文电阻5,四个压敏电阻可以组成测量电桥。
实施例2如图2所示。本实施例与实施例1的不同之处在于质量块2左右两侧的 敏感梁4分别为一个，两个敏感梁4对称分布在质量块2的左右平面的中心线 上，在每个每文感梁4的两端分别设置有一个压敏电阻5，四个压4丈电阻可以组成 测量电桥。在质量块的前后方向的中心线上设置有一对扭转梁3,其垂直方向的 高度大于敏感梁4垂直方向的高度而小于质量块2垂直方向的高度。实施例3本实施例与实施例1的不同之处在于在每个敏感梁4的两端分别设置有 一个压敏电阻4,四根敏感梁上共有8个压敏电阻，它们可以构成两个测量电桥。
权利要求
1、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，其特征在于质量块位于硅框架中并通过扭转梁、敏感梁与硅框架连接，敏感梁上制作有检测应力大小的压敏电阻。
2、 根据权利要求1所述的一种硅MEMS压阻式加速度传感器，其特征在于 在质量块的左右两侧和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；扭转梁水平方向的宽度小于质量块 的宽度，扭转梁垂直方向的高度大于敏感梁垂直方向的高度。
3、 根据权利要求1或2所述的一种硅MEMS压阻式加速度传感器，其特征 在于敏感梁为一对或多对。
4、 根据权利要求1所述的一种硅MEMS压阻式加速度传感器，其特征在于 压敏电阻分布在敏感梁的端部。
全文摘要
本发明公开了一种硅MEMS压阻式加速度传感器，它属于微机械传感器领域。本发明包括硅框架、质量块、扭转梁、敏感梁和压敏电阻，在质量块的左右两侧设置有互相对称的、和硅框架连接的敏感梁，敏感梁上表面的端部制作有压敏电阻；在质量块的前后两侧设置有一对对称的、和硅框架连接的扭转梁，其垂直方向的高度大于敏感梁的高度。本发明所提供的压阻式加速度传感器，是一种利用制作在结构的上表面的压敏电阻来测量横向加速度信号的微传感器，可以避免使用在结构侧面制作压敏电阻的复杂工艺，降低了加工难度，提高了电阻的加工精度、一致性和成品率，并易于实现三轴集成。该传感器还具有体积小、质量轻、交叉耦合小、可靠性高、成本低和易于集成的特点。
文档编号B81B7/02GK101118250SQ20071013940
公开日2008年2月6日 申请日期2007年9月13日 优先权日2007年9月13日
发明者吕树海, 徐淑静, 杨拥军 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所