[发明专利]一种MEMS压阻式加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域，特别涉及一种异形梁三轴集成的MEMS压阻式加速度计。

背景技术

采用微机械电子技术（MEMS）加工的以硅为衬底、硅玻璃键合技术封装的MEMS加速度计，可以广泛应用于航空、电子、汽车和机械领域的振动和冲击测量。随着微机械电子技术产业的兴起，加速度计逐渐向微型化、集成化发展。由于采用MEMS加工技术的微加速度计具有体积小、重量轻、成本低、功耗低和易批量生产等优点，因此有一定的市场价值和军事、民用前景。

常见的微加速度计产品都是单轴的，但微惯性系统以及其他一些应用场合往往需要双轴或者三轴的加速度计来检测加速度矢量，若仅使用三个单轴加速度计组合使用，会伴生矢量测量精度低、体积大的缺点。已有文献报导开发多轴的微加速度计器件，有使用压电原理研究三轴加速度计设计，但是器件存在精度低、稳定性差的弱点；利用电容式原理开发三轴加速度计，分别使用三个惯性质量块检测三个轴向的加速度计，存在体积较大、质心不重合的现象。硅压阻式加速度计由于具有线性度好、外围电路简单和抗高过载能力强等优点而得到关注和开发，并且广泛应用于冲击环境的加速度测量。

目前，压阻式三轴加速度计的实现方法主要有三种，第一种是将三个单轴的加速度计进行组装实现三轴测量功能，但此种方法实现的加速度计体积大，矢量测量精度低；第二种是分别将三轴加速度计加工在同一个芯片上，每个加速度计拥有独立的质量块和悬臂梁结构，但这种方式加工的加速度计工艺复杂，加工成本大；第三种是利用同一个质量块来感测三个方向的加速度信号，当质量块感测到不同方向的加速度时，不同位置的电阻的阻值会发生变化，从而使由电阻构成的惠斯通电桥的输出电压发生变化，进而检测到加速度的大小和方向。这三种方法实现的压阻式加速度计各有利弊，针对第三种实现方法，现有的单质量块八悬臂梁结构，垂直轴灵敏度较高而两个水平轴的灵敏度较低，轴间横向耦合度较高。 

发明内容

本发明的目的是：为了解决现有压阻式三轴加速度计体积大、结构复杂、轴间耦合度较高以及不同轴之间灵敏度差异较大的技术问题，提供一种MEMS压阻式加速度计。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种MEMS压阻式加速度计，包括：衬底、边框3、弹性梁2以及通过弹性梁2支悬于边框3中心位置的主质量块1、支质量块、上封帽5、多组压敏电阻；所述边框3固定于衬底上端，所述框架3用以固定弹性梁2和主质量块1；所述支质量块4设置于弹性梁2上，且与弹性梁2构成异形弹性梁结构，此结构实现了当受到x轴或y轴的惯性力时，弹性梁2的弯曲变形更大，由此提高x轴和y轴的灵敏度；所述弹性梁2的中间部位以及弹性梁2与框架3连接处设有感测三个垂直轴向惯性力的多组压敏电阻，每个轴向上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥；所述主质量块1与弹性梁2的厚度相等，使主质量块1的质心上移，与弹性梁2的中间面的距离缩小，所以在感受不同方向惯性力时主质量块1的位移较小，本发明MEMS压阻式加速度计能够承受较高重力加速度g值的惯性力，因而具有良好的抗高过载能力；所述上封帽5固定于框架3上端面，其内部有凹槽结构，所述主质量块2在凹槽内部悬空，且在感测各方向的惯性力时自由运动。

其中：所述主质量块1为中心对称的形状，非中心对称形状的主质量块在与弹性梁的连接、压敏电阻的布置以及加工工艺方面会造成不必要的麻烦。

其中：为了制备方便，所述主质量块1采用便于加工的方形，在方形的两组相对的侧面上分别设有互相垂直的弹性梁2。

其中：所述方形的主质量块1的每个侧面上分别设置两根弹性梁2；所述支质量块将两根弹性梁2连接在一起。

其中：所述主质量块1位于xy平面，两组相对的弹性梁2分别沿x轴和y轴互相垂直；所述沿x轴的弹性梁2上设置有感受y轴的惯性力的支质量块4，以及感测y轴的惯性力的压敏电阻，所述x轴上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥；在沿y轴的弹性梁2上设置有感受x轴的惯性力的支质量块4，以及感测x方向的惯性力的压敏电阻，所述y轴上的压敏电阻连接构成惠斯通电桥。

其中：所述弹性梁2上设有通孔6，用以获得临界阻尼。

其中：所述衬底和上封帽5为玻璃材料，所述主质量块1、弹性梁2、框架3和支质量块4为硅材料。