CN103969467A - 一种压阻式mems高过载加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压阻式MEMS高过载加速度计，包括边框、一组主梁、一组微梁以及质量块；所述主梁设在边框内，所有主梁与质量块连接；所述微梁设在主梁一侧或者两侧，微梁与主梁平行连接，当微梁设在主梁一侧时，整个加速度计结构呈中心对称，当微梁设在主梁两侧时，整个加速度计结构呈全对称。本发明将主微梁的同时将结构简化到一块硅片上，既克服了高量程高灵敏度呈负相关的矛盾，又简化了工艺，使得大批量生产成为可能，同时通过缓冲块的设计消除了梁直接和质量块连接所造成拐角处出现应力集中现象导致加速度计容易损坏的技术问题。

Description

一种压阻式MEMS高过载加速度计

技术领域

本发明涉及一种加速度计，具体地说，涉及一种同时兼顾高共振频率和高灵敏度并且便于大规模生产的加速度计。

背景技术

MEMS加速度计被广泛使用，例如用在汽车和其它用途中。使用MEMS加速度计的一个领域是全球定位用途，用以在短的时间间隔期间提供指示所使用车辆的运动的备用信息，在这些短的时间间隔中，卫星通信链路暂时中断。然而，将认识到，这仅仅是可以使用MEMS加速度计的一种可能用途，并且本发明不受限于该方面。

在国外，美国ENDEVCO公司生产的7270A系列压阻式加速度传感器[12].其中的7270A-200K量程为200000g，安装谐振频率最高约为1.2MHz，是目前已知加速度传感器中最高的。加拿大alberta微电子中心研制的商g值悬臂梁加速度计[13]。该传感器可测10万g加速度，谐振频率优于100kHz，无论在静态还是在冲击环境下，均能承受10000g的加速度冲击[1]。在我国进行MEMS高g值加速度传感器的量程一般在10万g左右。

MEMS加速度计的灵敏度和频率范围是负相关的，当灵敏度增加时，共振频率减小，反之亦然。因此在保证较高频率的条件下，要尽可能的提高加速度计的灵敏度，同时又要考虑结构承受的载荷，优化集中应力的部位，还要便于工艺制作，成为加速度传感器设计的主要问题。

例如，中北大学的四端梁结构加速度计，如图1所示，采用最基本的加速度计原理实现，量程较小，不能承受高过载，且会出现明显的应力集中现象。对于集中应力，中北大学的提出过倒角结构的思想，在梁的拐角出制作倒三角棱柱后，集中应力被缓解了，但还是没有消除。究其原因，主要是因为直接的拐角导致这些部位除了受到弯矩，还有扭矩的作用，因此应力较大，倒角思想并没有完全解决这个问题。

上海微***所的一种加速度计，量程200000g，固有频率573kHz，灵敏度0.502uV/g。如图2所示，它采用上下双层梁结构，讨论了粗微梁结合的优点，对固有频率和灵敏度的提高十分有效。缺点是工艺复杂，批量生产难度较大，硅片结合工艺难点较大，稳定性有疑问。其次双梁结构容易受到横向的形变的干扰。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种同时兼顾高共振频率和高灵敏度并且便于大规模低成本生产的加速度计。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种压阻式MEMS高过载加速度计，包括边框、一组主梁、一组微梁以及质量块；所述主梁设在边框内，所有主梁与质量块连接；所述微梁设在主梁一侧或者两侧，微梁与主梁平行连接，当微梁设在主梁一侧时，整个加速度计结构呈中心对称，当微梁设在主梁两侧时，整个加速度计结构呈全对称。

本发明主梁长且厚，支撑质量块，减小应力，提高固有频率；微梁短且薄，形变大，提高灵敏度，加速度计是四端对称设计的，这样在一个平面的两个自由度上有较好的稳定性，本发明同时提高固有频率的同时，也提高了灵敏度，而且为单层对称结构设计，结构简单，能够实现低成本大规模生产。

进一步地，所述微梁与主梁之间设有一凹槽，所述微梁与质量块和边框连接处分别设有一缓冲块，缓冲块侧面呈直角梯形，凹槽导致缓冲块与主梁隔开；大形变时，质量块也发现弯曲，尤其连接边缘，那么在四个角上就各有两个方向的弯矩（一个方向上的弯矩对于另一方向来说就是扭矩），本发明这一设计解决了现有技术中的梁直接和质量块连接所造成拐角处出现应力集中现象，导致器件容易损坏，增添缓冲块，使得梁形变时只受到弯矩作用也没有扭矩作用，消除了应力集中。

进一步地，所述缓冲块的厚度大于微梁的厚度。

进一步地，所述主梁厚度和长度大于微梁的厚度和长度。

进一步地，所述边框呈四方形，所述主梁的数量为4N个，微梁的数量为4N或者8N个，N≥1的整数，且每边主梁的数量为N个，微梁的数量为N或者2N个。

进一步地，为了便于大规模生产和整体效果，所述质量块的厚度大于主梁厚度，质量块与主梁连接面处呈54.74度。

进一步地，为了便于大规模生产和整体效果，所述边框的厚度大于主梁厚度，边框与主梁连接面处呈54.74度。

进一步地，所述边框分别与主梁、微梁之间围成若干空槽。

进一步地，所述加速度计反侧呈平面，在正面的凹槽处设有同样相对应的凹槽。

有益效果：本发明相对于现有技术而言，本发明将主微梁的同时将结构简化到一块硅片上，既克服了高量程高灵敏度呈负相关的矛盾，又简化了工艺，使得大批量生产成为可能，同时通过缓冲块的设计消除了梁直接和质量块连接所造成拐角处出现应力集中现象导致加速度计容易损坏的技术问题。

附图说明

图1和图2是现有技术的结构示意图。

图3是本发明的反面结构示意图。

图4是本发明正面结构示意图。

图5和图6是本发明正结构局部放大图。

图7是本发明的工作效果图。

图8是现有技术中在梁拐角处加入倒三角结构模拟图。

图9是本发明中加入延伸缓冲块结构示意图。

图10至图12分别为不加倒三角、加倒三角、加延伸缓冲块的受力分布图。

图13是本发明的线角图。

图14是本发明A-A截面位移图。

图15是本发明A-A截面应力图。

图16是受Y正方向加速度的效果图。

图17是受X方向加速度的效果图。

图18是图14与图15对应关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图3至图6所示，一种压阻式MEMS高过载加速度计，包括四方形边框4、4个主梁1、4个微梁2以及质量块3；所述主梁1设在四方形边框4内，所有主梁1与质量块3连接；所述微梁2设在主梁1一侧，微梁2与主梁1平行连接，整个加速度计结构呈中心对称；所述微梁2与主梁1之间设有一凹槽9，所述微梁2与质量块3和边框4连接处分别设有一缓冲块8，缓冲块8侧面呈直角梯形，凹槽9导致缓冲块8与主梁1隔开；所述缓冲块8的厚度大于微梁2的厚度；所述主梁1厚度和长度大于微梁2的厚度和长度；所述质量块3的厚度大于主梁1厚度，质量块3与主梁1连接面处呈54.74度；所述边框4的厚度大于主梁1厚度，边框4与主梁1连接面处呈54.74度；所述边框4分别与主梁1、微梁2之间围成若干空槽6；所述加速度计反侧呈平面，在正面的凹槽9处设有同样相对应的凹槽7。

本发明主梁1长且厚，支撑质量块3，减小应力，提高固有频率；微梁2短且薄，形变大，提高灵敏度，加速度计是四端对称设计的，这样在一个平面的两个自由度上有较好的稳定性，本发明同时提高固有频率的同时，也提高了灵敏度，而且为单层对称结构设计，结构简单，能够实现低成本大规模生产，同时通过缓冲块8的设计消除了梁直接和质量块3连接所造成拐角处出现应力集中现象导致加速度计容易损坏的技术问题。

针对本发明，使用ANSYS仿真软件进行了静力分析，模态分析，瞬态分析，局部应力采样，灵敏度仿真计算。

如图7所示当收到加速度时，质量块发生位移，使得支撑它的梁发生形变；主梁形变明显小于微梁，受力也很小（图中颜色越浅表明该处应力越大），从而实现了主梁承受加速度，微梁检测加速度的设计预期。只要在微梁形变最大的位置放置压敏电阻，构成电桥电路，即可检测出加速度。

图8和图9分别是现有技术中在梁拐角处加入倒三角结构与本发明中缓冲块结构示意图对比，通过进行受力分析，分别得出图10至图12分别为不加倒三角、加倒三角、加延伸缓冲块的受力分布图，图中颜色越浅表示应力越大，在每一张图中深浅是相对的，即每张图中最浅部分是应力最大处，但这三个最大应力并不相同，只是相对于每张图是最大应力，所以颜色最浅，图11拐角处浅色区（应力集中的地方）比图10缩小了很多，而图12拐角处完全没有这种集中现象。综上所述，从图10～12中得出图10中不加倒三角应力集中现象是最明显的，拐角处加入倒三角后应力集中有所缓解但没消除，而图12中加入加延伸缓冲块的结构中，基本消除了应力集中现象。

在性能最相关的静力分析部分，图16是施加20万g时的效果图，应力分布良好。在微梁和主梁上（如图13的A-A截面）同时观察的截面形变和应力分别如图14和图15。图18中截面上几个点的形变和应力的对应关系用垂直线画出，从左右往右依次排序，1,2点是微梁上弯曲程度最大的点，因此应力对应最大，5,6点在主梁上，同理，只不过主梁形变小，应力不及1,2大，3,4点在质量块上。

硅的实效应力是1GPa，但是在工程上一般选用0.3的安全系数，即认为许用应力为300MPa。只要器件上的最大应力小于300MPa，就认为器件是能够承受载荷的，是没有发生损坏的。而器件的最大应力一般出现在拐角或者形变较大的地方，通过静力分析的结果可以看到，拐角处的应力基本没有影响了。最大应力基本上就是梁末端形变处，最大63.3MPa，远远小于许用应力，因此在此载荷下，器件完全是正常工作的。200000g的加速度下，质量块的位移为0.36μm，也是小于与底面的间隙的。增大加速度，使最大应力达到300MPa时，此时的加速度为95g超出200000g高达750000g的余量。质量块位移是1.71μm，也满足要求。模拟计算得出的纵向灵敏度约为0.862μV/g。

为了仿真横向承受能力，假设横向受到1000g的加速度，因为结构是对称的，所以以X方向为例。仿真结果如图17显示，最大应力为134.5MPa，位移不足0.5nm，所以，加速度传感器的抗横向加速度性能良好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压阻式MEMS高过载加速度计，其特征在于：包括边框、一组主梁、一组微梁以及质量块；所述主梁设在边框内，所有主梁与质量块连接；所述微梁设在主梁一侧或者两侧，微梁与主梁平行连接，当微梁设在主梁一侧时，整个加速度计结构呈中心对称，当微梁设在主梁两侧时，整个加速度计结构呈全对称。

2.根据权利要求1所述的压阻式MEMS高过载加速度计，其特征在于：所述微梁与主梁之间设有一凹槽，微梁与质量块和边框连接处分别设有一缓冲块，缓冲块侧面呈直角梯形。

3.根据权利要求1所述的压阻式MEMS高过载加速度计，其特征在于：所述缓冲块的厚度大于微梁的厚度。

4.根据权利要求1所述的压阻式MEMS高过载加速度计，其特征在于：所述主梁厚度和长度大于微梁的厚度和长度。

5.根据权利要求2所述的压阻式MEMS高过载加速度计，其特征在于：所述边框呈四方形。

6.根据权利要求5所述的压阻式MEMS高过载加速度计，其特征在于：所述主梁的数量为4N个，微梁的数量为4N或者8N个，N≥1的整数，且每边主梁的数量为N个，微梁的数量为N或者2N个。

7.根据权利要求1所述的压阻式MEMS高过载加速度计，其特征在于：所述质量块的厚度大于主梁厚度，质量块与主梁连接面处与边框平面呈54.74度。

8.根据权利要求1所述的压阻式MEMS高过载加速度计，其特征在于：所述边框的厚度大于主梁厚度，边框与主梁连接面处与边框平面呈54.74度，所述直角梯形斜面角与边框平面呈54.74度。

9.根据权利要求1所述的压阻式MEMS高过载加速度计，其特征在于：所述边框分别与主梁、微梁之间围成若干空槽。

10.根据权利要求9所述的压阻式MEMS高过载加速度计，其特征在于：所述加速度计反侧呈平面，在正面的凹槽处设有同样相对应的凹槽。