分布式质量块结构MEMS压阻式加速度传感器芯片的制作方法

分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片
技术领域
1.本实用新型涉及微加速度传感器芯片技术领域，更具体的说是涉及一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片。


背景技术：

2.mems压阻式加速度传感器作为最早研制的硅微加计，具有结构简单、功耗小以及工作频带宽等优点，其中单悬臂
‑
梁质量块结构是最早被研发出来的结构，其优点是结构简单，灵敏度较高，但是较大的横向交叉干扰及低的固有频率导致了该结构传感器无法应用于高性能压阻式加速度传感器的设计中。在后来的研究中，双悬臂梁结构、桥式结构、十字梁以及复合多梁等敏感结构相继被提出，其目的都是提升梁
‑
质量块结构的综合性能。双悬臂梁结构将悬臂梁布置在质量块一边的两侧，增加了横向扭转刚度，从而降低了传感器在一个方向上的交叉干扰，但是一个方向上的交叉干扰却没有改善；单桥和双桥敏感结构的出现则是利用双端固支梁的受力情况，通过在不同应力区域内布置多个压敏电阻，从而导致传感器的灵敏度提升；复合多梁结构则是在双桥结构的基础上，通过在质量块另一组对边的中线处增添两根短小的敏感梁，实现了传感器综合性能的提升。
3.虽然上述方案在一定程度上提升了传感器综合性能的提升，但是仍然存在如下问题：
4.(1)传感器的横向交叉干扰虽然可以通过梁的合理布置得到改善，但无法从源头上遏制传感器的横向交叉干扰。
5.(2)传感器的灵敏度和固有频率是一对相互制约的参数，前述的研究通过敏感结构的优化设计可以使得传感器拥有较高的固有频率和测量灵敏度，却无实现灵敏度和固有频率的共同提升。
6.因此，如何提供一种能够从理论上消除传感器的横向交叉干扰的mems压阻式加速度传感器芯片，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本实用新型提供了一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片，旨在解决上述技术问题。
8.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
9.一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片，包括：矩形框架结构的硅质基底，以及与所述硅质基底表面键合的棚玻璃体；所述棚玻璃体表面开设有与所述硅质基底的空腔对应的方槽；
10.所述硅质基底的空腔内布置有四个悬空质量块；四个所述悬空质量块之间通过四根扭转梁连接形成正方形；所述扭转梁和所述悬空质量块朝向所述棚玻璃体的一面平齐，所述扭转梁位于所述悬空质量块的中轴线上；
11.四个所述悬空质量块朝向所述硅质基底相对的两个内侧壁的侧壁，分别通过四根
支撑梁与所述硅质基底的内侧壁连接；四个所述悬空质量块朝向所述硅质基底相对的另两个内侧壁的侧壁，分别通过四根敏感梁与所述硅质基底的内侧壁连接；所述支撑梁、所述敏感梁和所述悬空质量块远离所述棚玻璃体的一面平齐，所述支撑梁和所述敏感梁均位于所述悬空质量块的中轴线上。
12.通过上述技术方案，本实用新型在传统的双桥结构的基础上优化，将质量块分开为四个悬空质量块，支撑梁用于增加传感器的固有频率，悬空质量块位于敏感梁附近可以有效增加敏感梁的应力，利用四个悬空质量块中间的间隙制作扭转梁，方便让所有梁的质心位于悬空质量块的质心位置，横向加速度作用时，如果支撑悬空质量块的所有梁结构的质心与质量块的质心不在同一平面，就会使得悬空质量块产生扭转，扭转梁的设置能够有效抑制横向的交叉干扰，由于现有的mems加工手段，想把梁加工到质量块中心的难度很大，所以本实用新型所提出的结构可以从理论上消除传感器的横向交叉干扰，且加工更为容易，方便批量化生产。
13.优选的，在上述一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片中，所述敏感梁上开设有朝向所述棚玻璃体的贯通的矩形槽；所述矩形槽的两侧槽口通过离子注入技术设有两根压敏电阻条，每根所述敏感梁上的两根所述压敏电阻条形成一个压敏电阻；四根所述敏感梁上的四个所述压敏电阻通过金属引线连接形成惠斯通全桥电路。矩形槽的位置根据结构载荷下敏感梁上的正/负应力分布规律布置，能够有效实现应力集中。如果单纯的把梁制作在质量块中间，离子注入技术很难实现，至少目前无法实现，只能通过其它复杂的方式实现，本实用新型提供的结构便于制造，且能够便于惠斯通全桥电路的快速搭建。
14.优选的，在上述一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片中，所述金属引线采用ti
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pt
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au多层金属引线。能够有效保证压敏电阻之间良好的电性连接关系。
15.优选的，在上述一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片中，所述棚玻璃体上的所述方槽的深度为15μm；所述方槽的面积大于四个所述悬空质量块形成的正方形的面积。为传感器芯片提供阻尼间隙。
16.优选的，在上述一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片中，所述硅质基底的空腔为正方形。能够进一步提高结构精度。
17.优选的，在上述一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片中，四个所述悬空质量块的尺寸相同；所述悬空质量块的厚度与所述硅质基底的厚度相同，所述悬空质量块与所述棚玻璃体对应的两个表面为正方形。能够进一步提高结构精度，便于各个梁的尺寸设计。
18.优选的，在上述一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片中，所述扭转梁、所述支撑梁和所述敏感梁的厚度均为所述悬空质量块厚度的二分之一。能够进一步提高结构精度，提高各个梁之间的运动配合效果。
19.优选的，在上述一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片中，四根所述支撑梁的尺寸相同；四根所述敏感梁的尺寸相同，所述敏感梁的尺寸小于所述支撑梁的尺寸。扭转梁的尺寸由敏感梁的尺寸决定，可根据实际需要进行选择，合适的尺寸选择可使得扭转梁和敏感梁的总质心位于悬空质量块的质心位置，即保证系统的质心位置不变，同理可得其它的梁尺寸位置关系。
20.优选的，在上述一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片中，所述扭
转梁和所述敏感梁的总质心与所述悬空质量块的质心位置相同。能够有效遏制结构受到的横向交叉干扰。
21.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片，具有以下有益效果：
22.1、本实用新型的目的就是在于提供分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片，该芯片的敏感结构通过传统双桥结构优化而来，其固有频率与测量灵敏度均优于传统双桥结构，实现了传感器灵敏度和固有频率的共同提升。
23.2、本实用新型所提出的结构可以从理论上消除传感器的横向交叉干扰，且加工更为容易，方便批量化生产。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
25.图1附图为本实用新型提供的分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片的结构示意图；
26.图2附图为本实用新型提供的分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片的主视图；
27.图3附图为本实用新型提供的分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片的侧视图。
28.其中：
[0029]1‑
硅质基底；2
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棚玻璃体；3
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方槽；4
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悬空质量块；5
‑
扭转梁；6
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支撑梁；7
‑
敏感梁；8
‑
矩形槽。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0031]
参见附图1至附图3，本实用新型实施例公开了一种分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片，包括：矩形框架结构的硅质基底1，以及与硅质基底1表面键合的棚玻璃体2；棚玻璃体2表面开设有与硅质基底1的空腔对应的方槽3；
[0032]
硅质基底1的空腔内布置有四个悬空质量块4；四个悬空质量块4之间通过四根扭转梁5连接形成正方形；扭转梁5和悬空质量块4朝向棚玻璃体2的一面平齐，扭转梁5位于悬空质量块4的中轴线上；
[0033]
四个悬空质量块4朝向硅质基底1相对的两个内侧壁的侧壁，分别通过四根支撑梁6与硅质基底1的内侧壁连接；四个悬空质量块4朝向硅质基底1相对的另两个内侧壁的侧壁，分别通过四根敏感梁7与硅质基底1的内侧壁连接；支撑梁6、敏感梁7和悬空质量块4远
离棚玻璃体2的一面平齐，支撑梁6和敏感梁7均位于悬空质量块4的中轴线上。
[0034]
为了进一步优化上述技术方案，敏感梁7上开设有朝向棚玻璃体2的贯通的矩形槽8；矩形槽8的两侧槽口通过离子注入技术设有两根压敏电阻条，每根敏感梁7上的两根压敏电阻条形成一个压敏电阻；四根敏感梁7上的四个压敏电阻通过金属引线连接形成惠斯通全桥电路。
[0035]
为了进一步优化上述技术方案，金属引线采用ti
‑
pt
‑
au多层金属引线。
[0036]
为了进一步优化上述技术方案，棚玻璃体2上的方槽3的深度为15μm；方槽3的面积大于四个悬空质量块4形成的正方形的面积。
[0037]
为了进一步优化上述技术方案，硅质基底1的空腔为正方形。
[0038]
为了进一步优化上述技术方案，四个悬空质量块4的尺寸相同；悬空质量块4的厚度与硅质基底1的厚度相同，悬空质量块4与棚玻璃体2对应的两个表面为正方形。
[0039]
为了进一步优化上述技术方案，扭转梁5、支撑梁6和敏感梁7的厚度均为悬空质量块4厚度的二分之一。
[0040]
为了进一步优化上述技术方案，四根支撑梁6的尺寸相同；四根敏感梁7的尺寸相同。
[0041]
为了进一步优化上述技术方案，敏感梁7的尺寸小于支撑梁6的尺寸。
[0042]
为了进一步优化上述技术方案，扭转梁5和敏感梁7的总质心与悬空质量块4的质心位置相同。
[0043]
本实用新型的目的在于提供分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片，该芯片的敏感结构通过传统双桥结构优化而来，支撑梁6用于增加传感器的固有频率，悬空质量块4位于敏感梁7附近可以有效增加敏感梁7的应力，利用四个悬空质量块4中间的间隙制作扭转梁5，方便让所有梁的质心位于悬空质量块4的质心位置，其固有频率与测量灵敏度均优于传统双桥结构，实现了传感器灵敏度和固有频率的共同提升。
[0044]
在加速度检测中，支撑梁6提供刚度，敏感梁7上应力大于支撑梁6，横向加速度作用时，如果支撑悬空质量块4的所有梁结构的质心与质量块的质心不在同一平面，就会使得悬空质量块4产生扭转，扭转梁5的设置能够有效抑制横向的交叉干扰，由于现有的mems加工手段，想把梁加工到质量块中心的难度很大，所以本实用新型所提出的结构可以从理论上消除传感器的横向交叉干扰，且加工更为容易，方便批量化生产。
[0045]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0046]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。