一种基于微杠杆的MEMS加速度传感器

本发明属于微电子机械系统（mems）惯性计量领域，具体涉及一种基于微杠杆的压阻式mems加速度传感器。

背景技术：

1、微型mems加速度传感器凭借体积小巧、功耗低、可靠性高、可批量低成本量产等突出优势，现已广泛应用于车载碰撞识别、工业设备振动在线监测、消费电子姿态检测、人体运动传感等通用场景；同时在姿态解算、惯性导航、精密医疗设备、物联网终端动态采集等高端领域逐步替代传统惯性器件，是当前微感知领域不可或缺的核心元器件。

2、按照传感检测原理，mems加速度传感器分为压阻式、电容式、压电式、光纤式、谐振式等多种类型。对比其余各类传感器，压阻式mems加速度传感器优势明显：既能测静态加速度，也能检测动态振动，测量区间大；芯片加工简单，配套处理电路不复杂，动态响应效果好，整体生产成本低，目前使用最为广泛。

3、灵敏度与工作带宽是mems加速度传感器的核心性能指标，因此结构设计阶段通常以这两项参数的协同优化为核心目标。对于传统压阻式加速度传感器，其工作原理为：质量块在加速度作用下产生惯性力，驱动支撑结构发生弹性形变，而压敏电阻通常制备于支撑结构表面，通过电阻阻值变化感知形变并转换为电信号。然而，传统结构的支撑结构刚度设计存在固有局限，导致器件灵敏度与固有频率呈现强耦合制约关系，难以实现两者的同步提升。因此，在传感器结构设计中，弱化器件灵敏度和固有频率之间的制约关系，得到同时具有高灵敏度、高固有频率的结构尤为重要。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于克服现有压阻式mems加速度传感器灵敏度与固有频率相互制约、横向加速度干扰大、检测灵敏度偏低的缺陷，提供一种基于微杠杆的压阻式mems加速度传感器，本发明能够同步提升传感器灵敏度与固有频率，同时抑制正交轴串扰。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于微杠杆的压阻式mems加速度传感器，包括中心固定质量块、微杠杆应力放大组件、活动质量块、四周固定质量块以及弹性支撑组件，四块四周固定质量块设置于活动质量块的四周，每个四周固定质量块均通过一弹性支撑组件与活动质量块连接，四个弹性支撑组件用于约束活动质量块能沿第一方向产生惯性位移、抑制活动质量块沿第二方向的横向偏移，所述第一方向和第二方向垂直；

4、微杠杆应力放大组件包括支点梁、杠杆梁和压阻微梁，杠杆梁的形状为l形，杠杆梁的第一边沿第一方向设置、第二边沿第二方向设置，第二边的端部通过支点梁与中心固定质量块连接，第二边上与支点梁相距预设距离处通过压阻微梁与中心固定质量块连接，压阻微梁沿第一方向设置，压阻微梁与支点梁之间的距离小于杠杆梁第二边与第一边连接点之间的距离；

5、中心固定质量块在沿第一方向的对侧上均设有微杠杆应力放大组件，且每侧均设有两个微杠杆应力放大组件，且这两个微杠杆应力放大组件关于第一方向轴对称设置；

6、所述活动质量块为镂空结构，活动质量块上设有用于嵌入微杠杆应力放大组件和中心固定质量块的镂空区域，杠杆梁第二边上远离第一边的端部与活动质量块连接。

7、优选的，所述弹性支撑组件采用蛇形支撑梁，每组蛇形支撑梁一端固定在对应四周固定质量块、另一端与活动质量块相连；蛇形支撑梁沿第一方向的弯曲刚度大于沿第二方向的弯曲刚度。

8、优选的，所述蛇形支撑梁采用多段u型结构首尾连续弯折连接而成的往复式弹性梁。

9、优选的，所述支点梁的长度方向沿第二方向设置。

10、优选的，杠杆梁上在支点梁与杠杆梁连接点靠近压阻微梁的一侧设有凹槽。

11、优选的，所述中心固定质量块在沿第二方向的对侧上均设有止挡结构，活动质量块上与每个止挡结构相对的位置均设有能够嵌入止挡结构的嵌入凹槽，止挡结构在第一方向上的两侧与嵌入凹槽之间均留有最大量程限位间隙，当所述基于微杠杆的压阻式mems加速度传感器达到最大量程时，止挡结构在第一方向上与嵌入凹槽相接触。

12、优选的，所述压阻微梁包括梁体结构设置于梁体结构表面的压敏电阻，压敏电阻沿第一方向设置。

13、优选的，所有压阻微梁通过惠斯通全桥电路连接。

14、优选的，所述四周固定质量块、中心固定质量块、蛇形支撑梁的厚度相同，所述活动质量块、支点梁、杠杆梁、压阻微梁的厚度相同，且活动质量块、支点梁、杠杆梁、压阻微梁的厚度小于四周固定质量块、中心固定质量块、蛇形支撑梁的厚度。

15、优选的，所述活动质量块的整体形状为矩形，其中，活动质量块上垂直于长边的对称轴沿所述第一方向、垂直于宽边的对称轴沿所述第二方向；

16、活动质量块的四角位置均设有用于设置弹性支撑组件与四周固定质量块的缺口，四个四周固定质量块、四个弹性支撑组件关于活动质量块的两个对称轴均为对称设置；

17、中心固定质量块的形状为矩形、且各边与活动质量块的各边对应平行，中心固定质量块与活动质量块同心设置，四个微杠杆应力放大组件关于活动质量块的两个对称轴均为对称设置。

18、本发明具有如下有益效果：

19、本发明基于微杠杆的压阻式mems加速度传感器中，将四块四周固定质量块布置在活动质量块四周，各四周固定质量块均通过弹性支撑组件与活动质量块相连，弹性支撑组件能够约束活动质量块仅沿第一方向产生惯性位移、抑制其沿垂直于第一方向的第二方向发生横向偏移，从力学特性上，弹性支撑组件沿第一方向刚度更低，允许活动质量块在加速度作用下产生有效形变，沿第二方向刚度更高，可直接限制活动质量块横向窜动，减少正交轴加速度带来的测量串扰，同时弹性支撑组件整体刚度可独立设计，无需为增大形变而降低整体结构刚度，能够维持器件较高固有频率，缓解传统传感器灵敏度与固有频率相互制约的问题；其次，本发明技术方案设置由支点梁、l形杠杆梁、压阻微梁组成的微杠杆应力放大组件，l形杠杆梁包含沿第一方向的第一边与沿第二方向的第二边，杠杆梁第二边端部通过支点梁连接中心固定质量块，第二边对应位置借助压阻微梁连接中心固定质量块，且压阻微梁与支点梁之间的距离小于杠杆梁第二边和第一边连接点至支点梁的距离，活动质量块与杠杆梁第一边端部相连，形成动力臂更长、阻力臂更短的省力杠杆结构，当活动质量块受加速度作用产生位移时，会拉动杠杆梁输入端（即杠杆梁的第二边上远离第一边的一端）以支点梁为支点转动，借助杠杆放大作用将活动质量块产生的惯性位移与应力放大后传递至压阻微梁，无需降低弹性支撑组件整体刚度即可增大压阻微梁形变量，同步实现传感器灵敏度与固有频率的提升；再者，中心固定质量块沿第一方向的两组对侧均设置微杠杆应力放大组件，每侧两个微杠杆应力放大组件沿第一方向轴对称布置，当传感器承受第一方向加速度时，对称排布的四组微杠杆应力放大组件能够均匀承接活动质量块传递的惯性载荷，结构整体受力均衡，不会产生绕垂直芯片平面轴向的附加扭转力矩，压阻微梁仅发生单纯的拉伸、压缩形变，避免扭转应力造成的非线性误差，有效提升加速度测量的线性度；同时，活动质量块设置为镂空结构，镂空区域可容纳微杠杆应力放大组件与中心固定质量块，将惯性质量结构、应力放大结构、中心锚定结构集成在同一芯片平面内，无需额外拓展芯片面积，单独布设微杠杆组件，可缩小芯片整体尺寸，实现器件小型化；最后，四组对称布置的微杠杆应力放大组件分别对应四根独立压阻微梁，在第一方向加速度作用下，不同侧压阻微梁会分别产生受压、受拉的差异化形变，各压阻微梁上的压敏电阻阻值同步反向变化。因此本发明解决了现有压阻式 mems 加速度传感器灵敏度与固有频率相互制约、横向加速度干扰大、检测灵敏度偏低的缺陷。