[发明专利]一种硅微加速度传感器芯片

说明书

技术领域

本发明属于微机械电子技术领域，具体涉及一种硅微加速度传感器芯片。

背景技术

目前，高性能的动态测量用加速度传感器已经成为加速度传感器的重要应用领域之一，汽车工业的冲击加速度传感器，高速机床的主轴加速度传感器均在灵敏度和响应频率两方面对加速度传感器提出了很高的要求。在此类应用的传感器设计中，传感器的静态灵敏度和动态响应频率是两个同等重要的参数，都必须达到一定的要求，以实现对特定被测加速度的准确测量。现有的采用传统悬臂梁结构的加速度传感器，由传感器敏感原理可以知道加速度传感器的灵敏度与量程以及固有频率的平方成反比。对于那些大量程如数万g的加速度传感器，由于其敏感结构刚度大，可以达到数百KHz，但单位加速度的输出小，灵敏度低，不能应用于小加速度的测量中；同时对于那些小量程如数百到数千g的加速度传感器，由于其敏感结构较软，尽管单位加速度输出较大，但由于其响应频率低，给动态测量带来了困难。总之，现有加速度传感器存在体积大，重量大，低频响和低灵敏度的缺点。

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供一种硅微加速度传感器芯片，具有体积小，重量小，高频响和高灵敏度的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种硅微加速度传感器芯片，包括外围支撑硅基4，在外围支撑硅基4的背面配置有玻璃衬底5，外围支撑硅基4的背面与玻璃衬底5进行键合连接，中央硅质量块1位于外围支撑硅基4的中间，在外围支撑硅基4的正面和中央硅质量块1相邻的一边的两端配置有两个硅膜3，两个硅膜3的一面与外围支撑硅基4和中央硅质量块1相连，另一面与硅悬臂梁2连接，硅悬臂梁2上的中间配置有四个压阻条6，四个压阻条6构成惠斯通电桥。

所述的中央硅质量块1与外围支撑硅基4之间存在5-10μm的间隙以使中央硅质量块1悬空，所述的硅悬臂梁2与硅膜3组成的梁膜结构共同支撑中央硅质量块1的重量，所述的硅膜3的厚度小于硅悬臂梁2的厚度。

所述的硅膜3，硅悬臂梁2和中央硅质量块1三部分的中轴线重合。

所述的硅悬臂梁2采用了(100)晶面硅。

所述的四个压阻条6沿着[110]和晶向布置。

所述的硅微加速度传感器芯片采用双面抛光的SOI材料制作。

本发明的工作原理为：分布于硅悬臂梁2上的四个压阻条6构成惠斯通电桥，组成加速度测量电路，当加速度作用于传感器芯片时，根据牛顿第二定律，将有惯性力作用于中央质量块1，进而使得梁膜结构发生变形，压阻条6在硅悬臂梁2的应力作用下其阻值发生变化，压阻条6组成的惠斯通电桥失去平衡，输出一个与外界加速度相对应的电信号，从而实现传感器芯片对加速度的测量。

由于本发明采用梁膜结合的结构作为敏感元件，集加速度感知与测量电路于一体，同时采用SOI材料制作，故而具有体积小，重量小，高频响和高灵敏度的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的截面示意图。

图3为压阻条6在硅悬臂梁2上的分布示意图。

图4为压阻条6构成的惠斯通电桥示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构与工作原理详细说明。

参见图1、2、3、4，一种硅微加速度传感器芯片，包括外围支撑硅基4，在外围支撑硅基4的背面配置有玻璃衬底5，外围支撑硅基4的背面与玻璃衬底5进行键合连接，中央硅质量块1位于外围支撑硅基4的中间，在外围支撑硅基4的正面和中央硅质量块1相邻的一边的两端配置有两个硅膜3，两个硅膜3的一面与外围支撑硅基4和中央硅质量块1相连，另一面与硅悬臂梁2连接，组成梁膜结构共同支撑中央硅质量块1，形成加速度敏感结构，硅悬臂梁2上的中间配置有四个压阻条6，四个压阻条6构成惠斯通电桥，传感器芯片感应到的加速度输入通过四个压阻条6组成的测量电路最终转化为电信号，完成对加速度的感应与测量。

所述的中央硅质量块1与外围支撑硅基4之间存在5-10μm的间隙以使中央硅质量块1悬空，可以在外界加速度作用时发生一定的位移，从而感知加速度，所述的硅悬臂梁2与硅膜3组成的梁膜结构共同支撑中央硅质量块1的重量，所述的硅膜3的厚度小于硅悬臂梁2的厚度，利用从正面腐蚀形成的硅悬臂梁2与从背面腐蚀的硅膜3相叠加，使应力集中作用明显，同时结构的刚度系数与其厚度的立方成正比，因此在硅悬臂梁2区域的硅比硅膜3区域的厚度大的情况下，硅悬臂梁2区域的刚度系数增大，从而提升了系统整体的固有频率。

所述的硅膜3，硅悬臂梁2和中央硅质量块1三部分的中轴线重合。