专利名称：集成硅微电阻式加速度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型是属于测试传感器技术领域，涉及到一种集成硅微电阻式加速度传感器。
加速度传感器是测量各种机械、车辆、船舶航空和航天器的运动参数和震动数据的常用传感器，传统的加速度传感器结构有压电式。它由一个或更多的装在质量块下的压电片，并通过弹簧压紧在一个相当厚的金属基座上，其外有保护压电片的壳体，在一定频率范围内，压电片所呈现的电荷量将和传感器所承受的加速度成正比。如外体固定型的弹簧与壳体禁固在一起，基座、壳体是弹簧一质量系统的一部分，其缺点是外界的温度、噪声和试件的变形将由外壳及基座反应而影响加速度的输出，其输出的信号小，输出阻抗高。另外，还有应变式加速度传感器，采用质量块、弹性梁、应变计、基座和壳体结构。虽然克服压电式加速度传感器的上述缺点，但是其结构使制作的加速度传感器较大，影响了使用范围。
随着大规模集成电路，芯片制造技术，及近几年来微机械加工技术的发展。产生了在硅晶片(半导体)上形成金属薄膜，经刻蚀制造出了半导体加速度传感器。中国专利97114505.9和9711322是一种半导体加速度传感器和其制造方法。它是由悬臂梁、质量块、上下挡块，梁上有扩散电阻，以及基座和壳体所构成，整个测量构件装在一个陶瓷片上，其悬臂梁采用半导体材料，用微细加工切割而成，另加装一个质量块。由于是采用的是变形梁、质量块等分体结构组装而成，其抗过载能力较差，使用时的耐用性和可靠性也比较差。仅适用在单向加速度的测量，在测量三维方向及任一方向时，要用三个传感器，要求其安装的精度高，由于不在同一点上，其测量的误差较大。
本实用新型的目的是克服以上所述的加速度传感器所存在的不足及其缺点，提供一种测量部分为整体结构，抗过载能力强，并能够进行三维加速度测量的集成硅微电阻式加速度传感器。
本实用新型所提供的一种集成硅微电阻式加速度传感器，包括基座，装在基座上起保护作用的壳体，由应力敏感部分，质量块体部分，压敏电阻及电桥电路所构成的检测芯片；其特征是所述的检测芯片在其中心是微动的质量块，在质量块周围对称分布着二、四或者八根用于支承质量块，所述敏感部分为应变梁。
以上所述的一种集成硅微压阻式加速度传感器，其特征是所述质量块与应变梁为采用微机械加工成型的一整片单晶硅片所构成。
以上所述的一种集成硅微电阻式加速度传感器，其特征是所述的质量块为一个正菱台体，其四个侧面与底面均有为α的夹角，而支承应变梁的外围边为梯形，内侧面与底面有为β的夹角。
以上所述的一种集成硅微电阻式加速度传感器，其特征是所述的压敏电阻为采用离子注入磷至硅片上的电阻结构，其位置在每根梁上的最大应力点处。
所述的一种集成硅微电阻式加速度传感器，其特征是所述的压敏电阻分别组成测量X、Y、Z三个方向加速度的电桥电路，其R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=R12=R13=R,R9=R10=R11=4R且R9,R10,R11,R12,R13为在芯片外边缘上的固定电阻。
本实用新型所提供的一种集成硅微电阻式加速度传感器。它与悬臂梁、质量块、上下挡块，梁上有扩散电阻，以及基座和壳体所构成的，整个测量构件装在一个陶瓷片上，其悬臂梁采用半导体材料，用微细加工切割而成，分体结构组装而成的加速度传感器比较。克服了存在的其抗过载能力较差，使用时的耐用性和可靠性也比较差。仅适用在单向加速度的测量，在测量三维方向及任一方向时，要用三个传感器，要求其安装的精度高，由于不在同一点上，其测量的误差较大的不足及其缺点。而本实用新型是一种测量部分为整体结构，过载能力强，可进行单向及三维测量加速度的传感器。
在加速度测量传感器部分，采用Ansys分析软件进行了仿真计算。虽结构为二维对称，但受力不对称，且为了分析结构对三轴加速度的可分离性，所以对整体结构进行了仿真计算，图10为加速度传感器的有限元模型，选取Solid 45八结点3D单元，所有单元均为标准长方体结构，长宽高的比值接近于1，共8868个单元，10080个结点。材料特性按如下计算弹性模量Ex=130×10^9Pa，剪切模量G=79×10^9Pa，密度2.33×10^3Kg/m^3，泊松比0.18。图11、图12和图13为分别受x,y,z单向载荷的情况下结构的变形图，以及图14为x,y,z三方向合成载荷的情况下结构的变形图。图15为位移曲线。图16为应力曲线。仿真结果与检测结果相近，其单值误差在10％范围内，并验证了在微米级的受力状态与尺度效应关系不大的理论。经以上计算机仿真分析结果，本发明提供的一种集成硅微电阻式加速度传感器具有很好的可靠性和耐用性。
图1是集成硅微电阻式加速度传感器结构示意图；图2是二根变形梁加速度传感器芯片结构示意图；图3是四根变形梁加速度传感器芯片结构示意图；图4是八根变形梁加速度传感器芯片结构主视图；图5是八根变形梁加速度传感器芯片结构剖视图；图6是八根变形梁加速度传感器芯片上电阻、导线布置图；图7是x向电桥电路图；图8是y向电桥电路图；图9是z向电桥电路图；图10是加速度传感器的有限元模型；图11是x单向载荷的情况下结构的变形图；图12是y单向载荷的情况下结构的变形图；图13是z单向载荷的情况下结构的变形图；图14是x,y,z三方向合成载荷的情况下结构的变形图；图15是位移曲线图；图16是应力曲线图；图17是x轴受力时力学模型图；图18是y轴受力时力学模型图；图19是z轴受力时力学模型以下结合附图详细说明本实用新型的典型实施例。
图1，一种集成硅微电阻式加速度传感器，包括基座1，装在基座上起保护作用的壳体2，由应力敏感部分，质量块体部分，压敏电阻及电桥电路所构成的检测芯片3；图2、图3和图4是所述的检测芯片，在其中心是微动的质量块4，在质量块周围对称分布着所述的敏感部分，为二、四或者八根用于支承质量块的应变梁5。其质量块与应变梁为采用微机械加工成型的一整片单晶硅片所构成。
图5，所示加速度传感器芯片中的质量块为一个正菱台体，(也可为圆锥台形)其四个侧面与底面均有为α的夹角，而支承应变梁的外围边为梯形，内侧面与底面有为β的夹角。其α和β最好的夹角均为54.7°。
图6，电阻式加速度传感器，所述的压敏电阻6为采用磷离子注入至硅片上的电阻结构，其位置在每根梁上的最大应力点处。对用于支承质量块的八根应变梁来说其最大应力点处，可由以下计算方法确定力学结构参数计算加速度计质量块由EPW各向异性腐蚀得到。加速度传感器的质量块为一正四棱台，四棱台的四个侧面与底面的夹角均为54.7°，如图5所示。上底边长为a1，下底边长为b，高度为H，质量块的体积为V，质量块的质量为m，中心与xoy平面的距离为zc。梁长为l，宽度为w，厚度为h，两根梁中心之间的间距为a2，质心到上表面的距离为zC。
取a1=800μm,l=750μm,H=340μm,w=68μm,h=40μm,a2=400μm质量块下底宽度b=a1-2×H/tg54.70=800×10-6-2×(300×10-6)/tg54.70=375×10-6m质量块体积V=1/3H(a12+b2+a1b)=1.08×10-10m3质量块的质量m=2.33×10-3V=2.49×10-7kg质量块质心的位置Zc=1.02×10-4m一个任意方向的加速度a可在x、y、z三个方向分解为ax、ay、az三个加速度分量。当加速度计受到任意加方向的速度a作用时，受力分析如下以下各式中E-杨氏弹性模量<100>E=1.3×1011pa；G-剪切弹性模量<100>G=7.9×107Pa；μ-泊松比<100>μ=0.18；A．只承受x方向的加速度ax时，把加速度分解为两项(一)受y平面内惯性力-max作用，变形对称于x轴，如下图17所示。受力情况对称于x轴，在y轴两侧梁的受力大小相等，方向相反。所以只需分析结构的四分之一的受力情况，梁1-2,3-4，梁3-4受力情况在梁3处受到轴向压力N3=EwhlΔx]]>在梁4处受到轴向压力N4=N33,4处受压应力σ3xi=σ4xi=-N3/wh梁3-4受最大应力σ3-4ximax=σ3xi=σ4xi梁1-2的受力情况梁2处受剪力Q2xi=Ehw3l3Δx]]>梁1处受剪力Q1xi=Q2xi梁2处的弯矩M2xi=maxlw2l28(1+w2l2)]]>梁1处的弯矩M1xi=M2xi梁1,2处受最大应力σ1xi=M1i/hw2=σ2xi，发生在侧面梁1-2受最大应力σ1-2ximax=σ1xi=σ2x其中Δx为质量块在x方向的位移，Δx=max4Ewhl(1+w2l2)]]>(二)受绕y轴惯性力矩-mayzC作用，变形对称于x轴，如下图18所示。所以只需分析结构的四分之一，梁1-2,3-4，梁1-2的受力情受力情况对称于x轴，在y轴两侧梁的受力大小相等，方向相反况1,2处受剪力Q1xm=Q2xm=Ewh3a22l3θy]]>梁2处受弯矩M2ym=Ewh3a24l2θy]]>梁1处受弯矩M1xm=M2xm梁上1处最大应力发生在梁顶σ1xm=-M1xmwh26]]>梁上2处最大应力发生在梁顶σ2xm=M2xmwh26]]>梁1-2受最大应力σ1-2xmmax=σ1xm=σ2xm梁1-2受扭矩作用MTx12=Gwh33lθy]]>剪应力在梁1-2截面相同τx1=MTx1213wh2τx2]]>最大剪力发生在梁顶中点τmax=MTx120.25wh2]]>梁3-4的受力情况3,4处受剪力Q3xm=Q4xm=Ewh32l3(a1+l)θy]]>梁3处受弯矩M3xm=Ewh312l3(3a1+2l)θy]]>梁4处受弯矩M4xm=Ewh312l2(3a1+4l)θy]]>在梁3处最大压应力σ3xm=-|M3xm|wh26]]>在梁4处最大拉应力σ4xm=-|M4xm|wh26]]>梁3-4受最大应力σ3-4xmmax=σ3xm=σ4xm其中θy为质量块的转角，θy=3maxzcl3wh3[E(6a1l+3a12+4l2)+3a22E+4Gl2]]]>B．承受y方向加速度ay(一)受xoy平面内惯性力-may作用，变形对称于y轴。受力情况对称于y轴，在x轴两侧梁的受力大小相等，方向相反。所以只需分析结构的四分之一，梁1-2,3-4，梁1-2的受力情况梁1-2受轴向压力N1=N2=EwhlΔy]]>梁1-2受轴向压应力σ1yi=σ2yi=-N1/wh2梁1-2受最大应力σ1-2yimax=σ1yi=σ2yi梁3-4的受力情况3,4处受剪力Q3yi=Q4yi=Ew3hl3Δy]]>梁3处弯矩M3yi=maylw2l28(1+w2l2)]]>梁4处弯矩M4yi=M3yi梁3,4处受最大应力发生在梁的侧面σ3yi=σ4yi=M3yiw2h6]]>梁3-4受最大应力σ3-4yimax=σ3yi=σ4yi其中Δy为质量块在y方向的位移，Δy=may4Ewhl(1+w2l2)]]>(二)受绕x轴惯性力矩-mayzC作用，变形对称于x轴。受力情况对称于y轴，在x轴两侧梁的受力大小相等，方向相反。所以只需分析结构的四分之一，梁1-2,3-4，梁3-4受力梁3,4处剪力Q3ym=Q4ym=Ewh32l3θy]]>梁3处弯矩M3ym=Ewh34l2θx]]>梁4处弯矩M4ym=Ewh34l2θx]]>梁3处上表面最大拉应力σ3ym=M3ymwh26]]>梁4处上表面最大压应力σ4ym=-M4ymwh26]]>梁3-4受最大应力σ3-4ymax=σ3ym=σ4ym梁3-4受扭矩作用MTy34=Gwh33lθx]]>扭矩引起的剪应力在梁3-4上各截面相同τx3=MTy3413wh2=τx4]]>最大剪力发生在梁顶中点τmax=WT340.25wh2]]>梁1-2的受力1,2处剪力Q1ym=Q2ym=Ewh32l3(a1+l)θy]]>梁1处弯矩M1ym=-Ewh312l2(3a1+2l)θx]]>梁2处弯矩M2ym=-Ewh312l3(3a1+4l)θx]]>梁1处上表面最大拉应力σ1ym=M1ymwh26]]>梁2处上表面最大压应力σ2ym=-M2ymwh26]]>梁1-2受最大应力σ1-2ymmax=σ1ym=σ2ym其中θx为质量块的转角，θx=3mayzcl3wh3[E(6a1l+3a12+4l2)+3a22E+4Gl2]]]>C．承受z方向加速度az，结构受力变形如图19所示。每根梁受力情况相同，只分析其中之一，梁1-2梁1,2受剪力σ1z=σ2z=maz/8梁1处的弯矩M1z=maz1/16梁2处的弯矩M2z=maz1/16梁1处的最大压应力σ1x=-M1zwh26]]>梁2处的拉应力σ2z=M2zwh26]]>梁1-2受最大应力σ1-2zmax=σ1z=σ2z图6，所述的压敏电阻分别组成测量X、Y、Z三个方向的电桥电路，其R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=R12=R13=R,R9=R10=R11=4R且R9,R10,R11,R12,R13为在芯片外边缘上的固定电阻。电桥用恒压电源Ui激励，Ui=5V，图7，图8和图9所示，并具有测量X,Y,Z，三个方向的加速度电桥电路分别如下(1)、X方向的电桥电路，由R7,R8,R12,R13组成串联回路，其中，在R7与R8之间抽头E,R12与R13之间抽头D，并在R7与R12之间和R8与R13之间抽头为激励电源的供电端Ui；而E与D两个端头为X向加速度测量输出端。
(2)、Y方向的电桥电路，由R5,R6,R12,R13组成串联回路，其中，在R5与R6之间抽头C,R12与R13之间抽头D，并在R5与R12之间和R6与R13之间抽头为激励电源的供电端Ui；而C与D两个端头为Y向加速度测量输出端。
(3)、Z方向的电桥电路，由R1,R2,R3,R4先串联后，再与R11,R10,R9组成串联回路；其中，在R4与R11间抽头A,R10与R9之间抽头B，并在R11与R10之间和R9与R1之间抽头为激励电源的供电端Ui；而A与B两个端头为Z向加速度测量输出端。
本实用新型所提供的三维加速度传感器已经可靠地用于汽车的碰撞实验。
权利要求1.一种集成硅微电阻式加速度传感器，包括基座(1)，装在基座上起保护作用的壳体(2)，由应力敏感部分，质量块体部分，压敏电阻及电桥电路所构成的检测芯片(3)；其特征是所述的检测芯片在其中心是微动的质量块(4)，在质量块周围对称分布着二、四或者八根梁，用于支承质量块，所述敏感部分为梁(5)。
2.根据权利要求1所述的一种集成硅微压阻式加速度传感器，其特征是所述质量块与应变梁为采用微机械加工成型的一整片单晶硅片所构成。
3.根据权利要求2所述的一种集成硅微电阻式加速度传感器，其特征是所述的质量块为一个正菱台体，其四个侧面与底面均有为α的夹角，而支承应变梁的外围边为梯形，内侧面与底面有为β的夹角。
4.根据权利要求3所述的一种集成硅微电阻式加速度传感器，其特征是所述的压敏电阻(6)为采用磷离子注入至硅片上的电阻结构，其位置在每根梁上的最大应力点处。
5.根据权利要求1至4所述的一种集成硅微电阻式加速度传感器，其特征是所述的压敏电阻分别组成测量X、Y、Z三个方向加速度的电桥电路，其R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=R12=R13=R,R9=R10=R11=4R且R9,R10,R11,R12,R13为在芯片外边缘上的固定电阻。
6.根据权利要求1所述的一种集成硅微电阻式加速度传感器，其特征是X,Y,Z，三个方向的加速度电桥电路分别如下(1)、X方向的电桥电路，由R7,R8,R12,R13组成串联回路，其中，在R7与R8之间抽头E,R12与R13之间抽头D，并在R7与R12之间和R8与R13之间抽头为激励电源的供电端Ui；而E与D两个端头为X向加速度测量输出端。(2)、Y方向的电桥电路，由R5,R6,R12,R13组成串联回路，其中，在R5与R6之间抽头C,R12与R13之间抽头D，并在R5与R12之间和R6与R13之间抽头为激励电源的供电端Ui；而C与D两个端头为Y向加速度测量输出端。(3)、Z方向的电桥电路，由R1,R2,R3,R4先串联后，再与R11,R10,R9组成串联回路；其中，在R4与R11间抽头A,R10与R9之间抽头B，并在R11与R10之间和R9与R1之间抽头为激励电源的供电端Ui；而A与B两个端头为Z向加速度测量输出端。
专利摘要本实用新型所提供的一种集成硅微电阻式加速度传感器,包括基座、壳体,由八根为应变梁支承的质量块,压敏电阻及电桥电路所构成检测芯片,测量部分为整体结构,采用微机械专用双抛硅晶片。抗过载能力强,用一个传感器可一维到三维和任意方向的加速度检测。
文档编号G01P15/00GK2438607SQ00248228
公开日2001年7月11日 申请日期2000年8月25日 优先权日2000年8月25日
发明者张文栋, 李永红, 熊继军, 董海峰, 刘俊, 郭涛, 张斌珍, 孟令军 申请人:华北工学院微米纳米技术研究中心