[发明专利]一种MEMS高g值三轴加速度计

说明书

本发明公开了一种MEMS高g值三轴加速度计，其包括：外部矩形框架，设在外部矩形框架中心的质量块，设在外部矩形框架和质量块之间的回形梁；回形梁与质量块之间通过中间支撑梁连接；外部矩形框架、回形梁及质量块在四角位置通过对角支撑梁连接；在外部矩形框架和回形梁之间连接有敏感微梁，在敏感微梁上设置有压敏电阻。本发明的三轴加速度计结构中心对称，轴间耦合度低，在不牺牲固有频率的同时实现了较高的灵敏度，且其制作工艺简单。

技术领域

本发明属于微型机械电子系统加速度传感器领域，具体涉及一种MEMS高g值三轴加速度计。

背景技术

伴随着微纳加工技术的发展，MEMS传感器广泛应用于各个领域，如工业、民用和军事应用，在加速度值较低的情况下，如可穿戴设备、医疗设备等都具有较高的灵敏度。但是在一些特殊情形下，尤其是与军事航天相关的领域，要求加速度传感器具有较高灵敏度的同时具有较高的抗冲击特性和较高的带宽。高g值压阻式加速度传感器具有尺寸小、批量生产成本低、抗冲击、测量范围大的特点，被主要应用于穿透侵彻武器、军事爆炸和冲击测量、汽车航天等领域。

MEMS加速度计通常分为压电、电容、压阻、谐振等类型，每一种类型的传感器具有不同的特点在不同的场景使用，压阻式加速度计目前来看具有最好的高g抗冲击特性，所以在开发高冲击加速度计时，通常采用压阻式加速度计。自从1979年，Roylance等人研制出世界上第一个压阻式加速度计，近几十年压阻式加速度计如雨后春笋般发展，其中美国Endevco公司研制高g值加速度传感器7270A，量程可达200000g，固有频率可达1MHZ，但其价格昂贵、灵敏度较差，且被美国限制。上海微系统所研制开发了三梁-双岛结构的高g值加速度传感器，输入电压为5V，谐振频率达到220kHz，灵敏度为1.43μV/g(王钻开,陆德仁.传感器固有频率和阻尼对冲击加速度检测的影响[J].功能材料与器件学报,2003(02):161-164.)。中北大学石云波等开发的四悬臂梁在牺牲灵敏度的情况下，获得较高的固有频率(Y.Shi,X.Wen,Y.Zhao,R.Zhao,H.Cao and J.Liu,Investigation and Experiment ofHigh Shock Packaging Technology for High-G MEMS Accelerometer,in IEEESensors Journal,vol.20,no.16,pp.9029-9037,15Aug.15,2020,doi:10.1109/JSEN.2020.2987971.)。为了在保证结构强度较高的情况下提高灵敏度，韩国釜山釜山国立大学Kong Myeong Bae等改进了四梁结构，采用铰接悬浮式压阻结构，但是量程仅为5000g(Bae,K.M.,Lee,J.M.,Kwon,K.B.et al.High-shock silicon accelerometer withsuspended piezoresistive sensing bridges.J Mech Sci Technol 28,1449–1454(2014).)。Robert Kuells研究团队采用了一种新思想，通过一种注重位移而非应力的设计方法，以及利用一种称为“几何常数”的弹簧-质量系统相关参数实现的，一阶固有频率达到了3.7MHZ，灵敏度为0.035μV-0.23μV之间(Robert Kuells,Siegfried Nau,Manfred Salk,Klaus Thoma,Novel piezoresistive high-g accelerometer geometry with very highsensitivity-bandwidth product,Sensors and Actuators A:Physical,Volume 182,2012,Pages 41-48)。西安交通大学赵立波等采用铰接结构制造了一种传感器，在0-100g范围内的理论灵敏度大于0.9mV/g/3V、理论谐振频率为25kHz，并在该结构的基础上开发多个不同的加速度传感器，在第14届IEEE纳米/微工程和分子系统国际会议论文集发表了一种三轴集成的铰接高g加速度传感器，理论灵敏度为1.2μV/g/3V，理论共振频率为1.0MHz(M.Yu,L.Zhao,C.Jia,H.Wang,Y.Zhao and Z.Jiang,A High-g TriaxialPiezoresistive Accelerometer with Sensing Beams in Pure Axial Deformation,2019IEEE 14th International Conference on Nano/Micro Engineered and MolecularSystems(NEMS),2019,pp.176-180,doi:10.1109/NEMS.2019.8915619.)。