专利名称：一种多悬臂梁加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子机械系统领域，具体涉及到一种平面振动悬臂梁结构的加速度传感器。本发明用来解决加速度传感器灵敏度与抑制交叉耦合能力两者之间的矛盾，即在保证结构抑制交叉耦合能力不变的情况下，提高结构的灵敏度；保证结构灵敏度不变的情况下，提高结构对非敏感方向的抑制能力。
背景技术：
微机械加速度传感器是一种重要的惯性测量器件，具有体积小、重量轻、响应快、 易于加工等优点。高g加速度传感器是对高量程加速度传感器的统称，广泛应用于动态撞击过程及高速运动过程中冲击载荷的测量。目前，高g值加速度传感器主要为压阻式加速度传感器，由于其结构及外部检测电路简单被广泛应用。压阻式加速度传感器的工作原理是基于硅材料等的压阻效应，相比于其他类型的加速度传感器，其灵敏度一般较低，并且抑制交叉耦合能力较弱。加速度传感器结构主要包括悬臂梁、质量块、压敏电阻。其中悬臂梁主要分为单端悬臂梁和双端固支梁，其主要作用是连接质量块与基体，同时其刚度的大小决定着结构的量程与固有频率。在早期的加速度传感器中，悬臂梁与质量块不等高，采用平面外振动的方式(如附图1所示)，该种结构形式的梁由于其刚度较小，固有频率较低，抗冲击能力较弱， 交叉耦合也较大(非敏感方向对敏感方向上的影响)，由于与质量块不等高，梁的厚度在加工中很难保证不同的圆片之间相同，即加工重复性较差，难以满足高性能加速度计的要求。 在后来的加速度传感器中，采用悬臂梁的厚度与质量块同等高度(如附图2所示)，该种悬臂梁结构形式刚度较大，极大的提高了结构的固有频率，同时也加强了结构的抗高冲击能力， 但该种形式结构的梁在抑制非敏感方向载荷较好的情况下，就要求梁的刚度较大，从而使得在敏感方向上的灵敏度较低，在保证敏感方向灵敏度不变的情况下，结构的交叉耦合较大。对于加速度传感器，提高其灵敏度与抑制交叉耦合的能力是至关重要的。因此，设计一种悬臂梁来提高传感器结构的灵敏度和抑制交叉耦合的能力，解决两者之间的矛盾成为加速度传感器发展和应用的主要技术难题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有的加速度传感器存在的灵敏度和抑制交叉耦合的能力不能兼顾的矛盾，提供一种用于提高加速度传感器结构灵敏度及抑制交叉耦合能力的多悬臂梁加速度传感器。本发明采用的技术方案
一种多悬臂梁加速度传感器，包括质量块，质量块的侧面设有悬臂梁，悬臂梁上设有压敏电阻，其特征在于所述悬臂梁由两个及两个以上的与质量块等高的子悬臂梁组成。在上述技术方案的基础上，可以有以下进一步发展的技术方案质量块的一个侧面设有两个及两个以上的与质量块等高的子悬臂梁，或质量块的两个侧面分别设有两个及两个以上的与质量块等高的子悬臂梁。本发明提供的设计原理如下
根据刚度公式可以知道，当悬臂梁的长度7—定时，此时梁的弯矩刚度由梁的惯性距所决定。根据惯性矩公式可以知道，当梁的宽度力一定时，其惯性矩的大小与梁的厚度力为三次方关系。当结构质量块尺寸不变时，即在外界载荷相同的条件下，质量块产生的惯性力大小相同，设将横截面积为^的单根梁分为#根同等厚度的小悬臂梁，小梁的面积之和为儿厚度为A/Nb，其中小梁的根数需要根据结构特点及加工工艺进行选择，则对于如图3所示结构X方向有载荷时，#根梁结构与单梁结构的应力大小和微位移是相同的，即对非敏感方向上载荷的抑制能力相同，对于Y方向的载荷，即为敏感方向，当为单块梁时， 梁的弯矩刚度为当单块梁分为多齿小梁后其单根梁刚度为先=fi^/4/W，由于单块梁分为#根小梁，在理想情况下设多根小梁的弯曲一致，则多根梁的总体刚度为“ =EA3Afb2U30由公式可以得出，采用多个平面振动悬臂梁可以极大的降低梁在敏感方向上的刚度，而在非敏感方向上刚度不变，从而在保证非敏感方向载荷的抑制作用下，有效的提高了结构的灵敏度，相反即在保证结构灵敏度不变的情况下，提高了结构对非敏感方向载荷影响的抑制能力。此种梁的设计在双端固支梁也有同样的功能。本发明的多个子悬臂梁结构，即该种结构的悬臂梁由两个及两个以上刚度较小的子悬臂梁组成，其可以在不改变结构对非敏感方向载荷抑制的条件下，极大的提高结构的灵敏度；在结构灵敏度不变的情况下，极大的提高结构的抑制交叉耦合能力。同时悬臂梁采用与质量块等高结构，易于实现加工。
图1是几种传统的加速度传感器结构a.单端不等高悬臂梁的加速度传感器结构b.现有的单端悬臂梁与质量块等高的加速度传感器结构c.现有的双端悬臂梁的加速度传感器结构图； 图2是本发明实施例一、实施例二的结构a.实施例一的单端五个子悬臂梁加速度传感器结构b.实施例一的单端五个子悬臂梁加速度传感器三位结构c.实施例二的双端五个子悬臂梁加速度传感器结构图3单端单块悬臂梁加速度传感器与单端五个子悬臂梁加速度传感器在IOOOg载荷作用下敏感方向与非敏感方向微位移图仿真图，其中
(a)Y敏感方向，左边为单块悬臂梁结构，右边为五个子悬臂梁结构；
(b)X方向，左边为单块悬臂梁结构，右边为五个子悬臂梁结构；
(c)Z方向，左边为单块悬臂梁结构，右边为五个子悬臂梁结构；
图4双端单块悬臂梁加速度传感器与双端五个子悬臂梁加速度传感器在IOOOg载荷作用下敏感方向与非敏感方向微位移图仿真图，其中
(a)Y敏感方向，左边为双端单块悬臂梁结构，右边为双端五个子悬臂梁结构；
(b)X方向，左边为双端单块悬臂梁结构，右边为双端五个子悬臂梁结构；
(c)Z方向，左边为双端单块悬臂梁结构，右边为双端五个子悬臂梁结构；实例一，单端五个子悬臂梁加速度传感器
本发明提供的单端五个子悬臂梁加速度传感器，如图2中的a、b所示，质量块尺寸为 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，质量块左端(一侧)设有五根子悬臂梁，每个子悬臂梁的尺寸为 100 ( μ m) X 4 ( μ m) X 100 ( μ m)。采用本实施例提供的单端五个子悬臂梁加速度传感器，与现有的单端单块悬臂梁加速度传感器对比仿真实验，单端单块悬臂梁加速度传感器如图Ib所示质量块尺寸为 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，单块悬臂梁尺寸为 100 ( μ m) X 20 ( μ m) X 100 ( μ m)。外界载荷为1000g，利用结构设计有限元分析软件ANSYS进行分析仿真，结果如图 3a、图北、图3c所示。通过图中可以看出使用单块悬臂梁结构其梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分别为0. 112E-8 (m)、0· 685E-11 (m)、0· 918E-10 (m)， 使用五个子悬臂梁结构器梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分别为0. 479E-8 (m)、0. 666E_ll(m)、0. 911E-10 (m)。通过仿真数据可以看出，采用五个子悬臂梁结构在敏感方向上的微位移大于单块悬臂梁结构，同时两者在非敏感方向的微位移几乎相同，这也证明了采用多悬臂梁在保证对非敏感方向抑制能力不变的前提下，提高了敏感方向上的灵敏度。实例二 双端五个子悬臂梁加速度传感器
本发明的双端五个子悬臂梁加速度传感器，如图2c所示，质量块尺寸为 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，质量块两端分别设有五个子悬臂梁，每个子悬臂梁的尺寸为 100 ( μ m) X 4 ( μ m) X 100 ( μ m)。实验对比的双端单悬臂梁加速度传感器如图Ic所示，质量块尺寸为 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，两端单块悬臂梁尺寸为 100 ( μ m) X 20 ( μ m) X 100 ( μ m)。外界载荷为1000g，利用ANSYS进行分析仿真，结果如图4a、图4b、图如所示。通过图中可以看出使用单块悬臂梁结构其梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分别为0. 125E-9(m)、0.472E-ll(m)、0. 184E-10 (m)；使用五个子悬臂梁结构器梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分别为0. 236E-8(m)、 0. 409E-11 (m)、0. 200E-10(m)。通过仿真数据可以看出，采用五个子悬臂梁结构在敏感方向上的微位移大于单块悬臂梁结构，同时两者在非敏感方向的微位移几乎相同，这也证明了采用多悬臂梁在保证对非敏感方向抑制能力不变的前提下，提高了敏感方向上的灵敏度。
权利要求
1.一种多悬臂梁加速度传感器，包括质量块，质量块的侧面设有悬臂梁，悬臂梁上设有压敏电阻，其特征在于所述悬臂梁由两个及两个以上的与质量块等高的子悬臂梁组成。
2.根据权利要求1所述的一种多悬臂梁加速度传感器，其特征在于质量块的一个侧面设有两个及两个以上的与质量块等高的子悬臂梁。
3.根据权利要求1所述的一种多悬臂梁加速度传感器，其特征在于质量块的两个侧面分别设有两个及两个以上的与质量块等高的子悬臂梁。
全文摘要
一种多悬臂梁加速度传感器，包括质量块，质量块的侧面设有悬臂梁，悬臂梁上设有压敏电阻，其特征在于所述悬臂梁由两个及两个以上的与质量块等高的子悬臂梁组成。本发明的多个子悬臂梁结构，其可以在不改变结构对非敏感方向载荷抑制的条件下，极大的提高结构的灵敏度；在结构灵敏度不变的情况下，极大的提高结构的抑制交叉耦合能力。同时悬臂梁采用与质量块等高结构，易于实现加工。
文档编号B81B3/00GK102401841SQ20111025358
公开日2012年4月4日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者徐栋, 方澍, 汪祖民, 郭群英, 黄斌 申请人:华东光电集成器件研究所