[发明专利]一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量加速度的仪器领域，特别涉及一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计。 

背景技术

加速度计是用来测量加速度的仪器，在航天、航海、汽车具有重要的应用价值。随着微机电MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）产业的兴起，加速度计逐渐向微型化、集成化方向发展。MEMS加速度计具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、易批量生产等优点，目前已广泛应用于车辆、测试、航空航天、日常运动监控、游戏及一些消费类电子产品等领域。MEMS加速度传感器通常分为压敏电阻式、电容式、压电式等类型。其中，压敏电阻式MEMS加速度传感器因其具有尺寸小、无迟滞、动态响应特性及输出性好、频率范围宽、测量加速度范围宽、直接输出电压信号、批量生产成本低、与硅集成电路平面工艺兼容性好等一系列优点，应用最为广泛。 

现有压敏电阻式MEMS加速度传感器的结构通常可分为单质量块三轴加速度传感器结构、或由三个单轴加速度传感器组装而成的三轴结构等类型。如图1所示为传统单质量块多轴加速度传感器芯片的结构示意图。其中由三个单轴加速度传感器组装而成的三轴结构存在机械精度低、体积和质量过大的问题。单质量块三轴加速度传感器结构相比之下具有结构紧凑，体积小，重量轻，单位面积衬底片上能生产更多的传感芯片单元等优势。但是因为是靠一个质量块来感应x,y,z三个轴向的加速度变化，这种加速度传感器存在由其结构设计带来的一些问题。主要是多轴之间的轴间耦合大，灵敏度和测量精度低等问题（如图1），现有的设计为了避免多轴之间的轴间耦合，往往是通过改变支撑感应梁的轴向刚度来使其只对感应轴向（如x轴）的加速度变化产生较大变形，而对另一轴向（如y轴）的加速度变化产生较小的变形。但由于感应梁都连接在质量 块上，无论怎样改变其轴向刚度，都会对感应梁的变形敏感度产生影响，进而影响测量的精度。 

发明内容

本发明提供一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，解决了现有技术中单质量块压敏电阻式三轴MEMS加速度传感器轴间耦合过大、灵敏度低、测量精度低等问题，同时又要结构简单，避免工艺过于复杂造成产品良率低。 

本发明的技术方案是这样实现的： 

一种三框架结构的单质量块三轴MEMS加速度计，包括三个框架结构：悬浮内框架、悬浮外框架与固定框架，所述固定框架以键合的方式与底座形成密封连接。 

进一步，所述三个框架结构呈对称布置，形状为矩形或环形。 

该加速度计还包含一个悬浮的质量块，所述质量块为正方体型、长方体型或圆柱体型等，用于感知X、Y、Z三个方向的加速度变化。 

该加速度计还包括第一敏感梁，用以连接质量块与悬浮内框架，该梁上以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置有压敏电阻，所述敏感梁为X方向的弹性感应梁。 

该加速度计还包括第二敏感梁，用以连接悬浮内框架与悬浮外框架，该梁上以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置有压敏电阻，所述敏感梁为Y方向的弹性感应梁。 

该加速度计还包括第三敏感梁，用以连接悬浮外框架与固定框架，该梁上以现有的标准压敏电阻硅加工工艺布置有压敏电阻，所述敏感梁为Z方向的弹性感应梁。 

所述敏感梁的两端采用对称连接方式，与上述质量块或框架连接，且可在连接端部采用采用不同的布置结构，以加强敏感梁与所连接质量块或框架的连接强度，确保敏感梁不会产生扭转变形，但又保持敏感梁的中心敏感部分刚度不会太大，在质量块移动时能产生足够大的变形。 

进一步，所述X、Y、Z方向敏感梁上的压敏电阻均以串联方式布置在电桥的一个桥臂。 

当X方向敏感梁上的压敏电阻以串联方式布置在电桥的一个桥臂时，这样只有X方向上的形变才能在这两个电阻上产生同样的变化，而在Y方向上的小变形因一边的梁受到拉力，另一个梁受到压力，所以其上的两个压敏电阻会一个变大，一个变小，其和将变化很小，这样将进一步减少其与Y轴间的耦合。 

同理，Y方向敏感梁上的压敏电阻变化也能减少其与X轴、Z轴间的耦合。 

同理，Z方向敏感梁上的压敏电阻变化也能减少其与X轴、Y轴间的耦合。 

本发明通过结构和尺寸的不同设计方法，使得不同的敏感梁在不同的方向上具有不同的刚度，从而避免敏感梁间的耦合，具体如下所述： 

在尺寸设计上，所述质量块具有较大的长度、宽度与厚度。