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1、10申请公布号CN102331513A43申请公布日20120125CN102331513ACN102331513A21申请号201110161489722申请日20110616G01P15/12200601B81B3/0020060171申请人沈阳工业大学地址110870辽宁省沈阳市经济技术开发区沈辽西路111号72发明人揣荣岩王健刘本伟孙洪林孙显龙74专利代理机构沈阳智龙专利事务所普通合伙21115代理人宋铁军54发明名称一种超薄敏感梁压阻加速度传感器57摘要本发明涉及一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，其特征在于主要由硅基框架、质量块、主梁和微梁构成，质量块设置在硅基框架中间，硅基框架通过主。
2、梁和微梁与质量块相连接，在质量块的两侧设置有互相对称的微梁，微梁上设有应变电阻，在质量块的无微梁两侧四个角部、或四个角部和中部设置有对称的主梁，主梁一端连接质量块，另一端连接硅基框架；采用对称结构可以提高压阻式加速度传感器的灵敏度和温度稳定性，使受加速度作用时微梁只有水平运动而无扭动，且应变分布均匀，对位置精度要求不高，易于实现，并可广泛应用于加速度测量与控制领域中。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图2页CN102331526A1/1页21一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，其特征在于主要由硅基框架（1）、质量块（2）、主梁（3）和微梁（4）。
3、构成，质量块（2）设置在硅基框架（1）中间，硅基框架（1）通过主梁（3）和微梁（4）与质量块（2）相连接；在所述质量块（2）的两侧设置有互相对称的微梁（4），微梁（4）上设有应变电阻（5）；在质量块（2）的无微梁两侧四个角部、或四个角部和中部设置有对称的主梁（3），主梁（3）一端连接质量块（2），另一端连接硅基框架（1）。2根据权利要求1所述的一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，其特征在于所述主梁（3）设置为两对或多对。3根据权利要求1所述的一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，其特征在于所述微梁（4）设置为一对或者多对。4根据权利要求1所述的一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，其特征在于所述应变电阻（5）。
4、为多晶硅纳米薄膜应变电阻，采用重掺杂多晶硅纳米薄膜，掺杂浓度为241020CM3。权利要求书CN102331513ACN102331526A1/4页3一种超薄敏感梁压阻加速度传感器技术领域0001本发明主要涉及一种采用压阻原理制作的加速度传感器，特别是涉及一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，属于微机电系统（MEMS）领域。背景技术00021979年，ROYLANCE和ANGELL采用KOH腐蚀体硅工艺，单悬臂梁加质量块结构，成功研制出MEMS压阻式加速度计。MEMS压阻式加速度传感器是利用敏感材料的压阻效应，将机械信号转化为电信号。MEMS压阻式加速度传感器的传感方式大多采用硅梁质量块结构，在梁上。
5、设置电阻，在加速度作用下，质量块运动，从而使硅梁产生与加速度成比例的形变，导致梁上应变电阻的阻值发生相应的变化，当应变电阻作为测量电桥的桥臂时，通过电桥输出电压的变化，实现对加速度的测量。MEMS压阻式加速度传感器的常用结构形式有单主梁、双主梁和四梁等结构。常用的敏感材料是硅，在硅上制作电阻。0003常见的MEMS加速度传感器分为电容式、压阻式、谐振式和压电式等。大多数采用弹性梁加质量块结构，但这种结构具有固有频率和灵敏度相制约的矛盾，导致难以有效提高固有频率。电容式加速度传感器的缺点是需要复杂的信号处理电路，并和传感器制备在同一芯片上，生产工艺要求很高。压阻式加速度传感器具有体积小、测量加速。
6、度的范围宽、直接输出电压信号、不需要复杂的电路接口、大批量生产时价格低廉等优势。但压阻式加速度传感器具有温度的漂移较大的缺点。0004授权公告号CN101118250A，名称为“一种硅MEMS压阻式加速度传感器”的中国发明专利，其特征是传感器受到敏感方向（即与敏感梁轴线平行的方向）的加速度作用时质量块绕主梁轴线方向产生相对于硅基框架的转动，从而在敏感梁上形成与加速度值相对应应力，其固有谐振频率由质量块、扭转梁和敏感梁决定，但在普通压阻式传感器中存在的灵敏度与固有谐振相互制约的矛盾尚未解决，而且由于敏感梁上最大应变区域较小，因此这种结构仍未解决应变电阻的制作难点。0005授权公告号CN12793。
7、62C，名称为“一种硅微加速度传感器及制作方法”的中国发明专利，其基本构思是设计和制作一种由直拉直压微梁、质量块和悬臂梁构成的结构，实现微梁的直拉直压，并且将压阻敏感电阻区做到微梁上，使加速度带来的质量块动能多数转变为微梁拉压的势能，从而提高了灵敏度。但由于其质量块受加速度作用时发生转动，因此，要实现微梁的直拉直压必须对其位置精确控制，对工艺精度要求较高。发明内容00061、发明目的本发明的目的是针对上述问题，提出一种灵敏度高、温漂系数小、固有谐振频率高和接口电路要求低的MEMS加速度传感器。00072、技术方案本发明是通过以下技术方案来实现的说明书CN102331513ACN10233152。
8、6A2/4页4一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，其特征在于主要由硅基框架、质量块、主梁和微梁构成，质量块设置在硅基框架中间，硅基框架通过主梁和微梁与质量块相连接；在所述质量块的两侧设置有互相对称的微梁，微梁上设有应变电阻；在质量块的无微梁两侧四个角部、或四个角部和中部设置有对称的主梁，主梁一端连接质量块，另一端连接硅基框架。0008主梁横截面积远远大于微梁（一般在1000倍以上），质量块和主梁尺寸的变化会导致传感器固有谐振频率显著变化，因此，通过调整主梁的尺寸可控制谐振频率，通过调整微梁长度可控制传感器的灵敏度；受加速度作用时微梁只有水平运动而无扭动，且应变均匀分布。0009所述主梁设置为两对或。
9、多对。0010所述微梁设置为一对或者多对。0011所述应变电阻为多晶硅纳米薄膜应变电阻，采用重掺杂多晶硅纳米薄膜，掺杂浓度为241020CM3。0012所述多晶硅纳米薄膜厚度接近或小于100NM，厚度为80100NM的多晶硅纳米薄膜在掺杂浓度为31020CM3附近时具有显著的隧道压阻效应，表现出比常规多晶硅纳米薄膜更优越的压阻特性，厚度为85NM95NM的多晶硅纳米薄膜压阻特性最佳。00133、优点及效果本发明提供的一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，与现有的压阻式加速度传感器相比，具有如下优点（1）采用多晶硅纳米薄膜作为应变电阻可以提高压阻式加速度传感器的灵敏度和温度稳定性。0014（2）采用主。
10、梁和微梁结构可以提高传感器灵敏度和固有谐振频率。0015（3）质量块的四个角部、或四个角部和中部设置有对称的主梁，限制了主梁和质量块的扭动，受加速度作用时微梁只有水平运动而无扭动，且微梁应变均匀分布。0016（4）微梁对称分布在质量块无主梁两侧可实现直拉直压目的，对位置精度要求不高，工艺实现容易。0017附图说明图1是超薄敏感梁压阻加速度传感器的一种结构的三维立体结构示意图；图2是超薄敏感梁压阻加速度传感器的另一种结构的三维立体结构示意图；图3是超薄敏感梁压阻加速度传感器的再一种结构的三维立体结构示意图；图4是超薄敏感梁压阻加速度传感器的又一种结构的三维立体结构示意图。0018附图标记说明1、。
11、硅基框架，2、质量块，3、主梁，4、微梁，5、应变电阻。0019具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的说明一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，如图1、2和3中所示主要由硅基框架1、质量块2、主梁3和微梁4（又称超薄敏感微梁）构成，质量块2设置在硅基框架1中间，硅基框架1通过主梁3和微梁4与质量块2相连接，微梁4上设有应变电阻5。0020本发明的传感器结构可以采用一个质量块2，两对或多对主梁3和一对或多对微梁4的对称结构，主梁3和微梁4的数量可以根据实际需要设置；质量块2位于硅基框架1说明书CN102331513ACN102331526A3/4页5中间，质量块2和硅基框架1之间通过主梁3和微梁4。
12、连接在一体，在质量块2的两侧设置互相对称的微梁4，微梁4为一对或多对，微梁4上设有应变电阻5，用于检测受加速度作用时微梁4上的应力大小；在质量块2的无微梁两侧四个角部、或四个角部和中部共设置有两对或多对对称的主梁3，主梁3一端连接质量块2，一端连接硅基框架1。0021传感器受到敏感方向（即与微梁轴线平行的方向）的加速度作用时，质量块2沿敏感方向移动，从而在微梁4上形成与加速度值相对应的应力，此时，微梁4只有水平运动而无扭动，且应变均匀分布。0022微梁4上设有多晶硅纳米薄膜制作的应变电阻5，用于检测应力的大小，应变电阻5可以采用重掺杂多晶硅纳米薄膜，也可以采用厚度满足微梁尺寸要求的其它压阻薄膜。
13、，多晶硅纳米薄膜的厚度为80NM100NM，掺杂浓度为241020CM3时，压阻特性较佳，多晶硅纳米薄膜的厚度为85NM95NM，掺杂浓度为31020CM3时，压阻特性最佳；这样可以提高传感器的灵敏度和温度稳定性；微梁4上的应变电阻5的数量最好四个为一组，从而构成能够精确测量的电桥。0023通过改变本发明传感器质量块2和主梁3的设计尺寸，可设计出各种量程的加速度传感器。0024本发明的工作原理本发明这种传感器的结构主要由硅基框架1、一个质量块2、四个主梁3和两个微梁4组成，四个主梁3和两个微梁4连着质量块2和硅基框架1，微梁4主要由氮化硅多晶硅纳米薄膜氮化硅三层构成。在每个微梁4上，利用夹层中。
14、的多晶硅纳米薄膜形成两个沿Y轴方向的应变电阻5，并将两个微梁4上的四个应变电阻连成电桥。当器件受到Y轴方向（即与微梁轴线平行的方向）加速度作用时，质量块2移动，两根微梁4会一根拉伸，一根压缩，电桥的输出与加速度的大小成正比，由于主梁3横截面积远远大于微梁4（一般在1000倍以上），质量块2和主梁3的尺寸变化会导致传感器固有谐振频率显著变化，这样就可通过调整主梁3的尺寸控制谐振频率，再通过调整微梁4的长度来控制满量程时微梁4应变的大小；四个主梁3对称设置在无微梁质量块2两侧的四个角部，当受Y方向加速度作用时，质量块2不发生转动，微梁4只是产生Y方向应变，主梁3在Y方向的尺寸很小，Z和X方向的尺寸。
15、却比较大，因此，Y方向的有效弹性系数较小，而X方向和Z方向的有效弹性系数却很大，这样传感器只对Y方向的加速度信号敏感，当质量块2受到X方向或Z方向的加速度作用时，质量块2产生的位移很小，因此微梁4变形也会很小，有利于降低传感器的交叉耦合。0025通过以上设计，可以达到最大限度地同步提高谐振频率和灵敏度的目的。0026本发明采用的多晶硅纳米薄膜是膜厚接近或小于100NM的多晶硅纳米薄膜普通多晶硅薄膜一般厚度在200NM以上。厚度为80100NM的多晶硅纳米薄膜在掺杂浓度为31020CM3附近时具有显著的隧道压阻效应，表现出比常规多晶硅纳米薄膜更优越的压阻特性，应变因子GF比普通多晶硅纳米薄膜高2。
16、0以上；应变因子温度系数（TCGF）比普通薄膜小一倍以上；电阻温度系数（TCR）比普通薄膜小一个数量级。因此，采用多晶硅纳米薄膜制作的应变电阻5具有灵敏度高和温度系数小的优点。0027制作本发明这种超薄敏感梁压阻加速度传感器时，采用硅材料为衬底，利用现有MEMS技术进行加工，首先采用LPCVD淀积氮化硅层和多晶硅纳米薄膜，然后采用离子注入技术制作多晶硅纳米薄膜应变电阻5，采用溅射和光刻技术制作导线连接成差动全桥，之后说明书CN102331513ACN102331526A4/4页6淀积氮化硅形成钝化层；采用湿法刻蚀或干法刻蚀技术制作质量块2、主梁3和释放微梁4，干法腐蚀可大大降低正面图形保护中的。
17、技术难度，各向异性腐蚀可以很安全地释放氮化硅保护下的微梁4。0028实施例1一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，如图1所示，主要由硅基框架1、质量块2、主梁3和微梁4构成，质量块2设置在硅基框架1中间，硅基框架1通过主梁3和微梁4与质量块2相连接，在质量块2的两侧设置有互相对称的一对微梁4，每个微梁4上设有两个多晶硅纳米薄膜应变电阻5，多晶硅纳米薄膜的厚度为80NM，掺杂浓度为31020CM3；在质量块2的无微梁两侧四个角部设置有对称的四个主梁3，主梁3一端连接质量块2，另一端连接硅基框架1。0029实施例2一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，如图2所示，主要由硅基框架1、质量块2、主梁3和微梁4构成。
18、，质量块2设置在硅基框架1中间，硅基框架1通过主梁3和微梁4与质量块2相连接，在质量块2的两侧设置有互相对称的两对微梁4，每个微梁4上设有一个多晶硅纳米薄膜应变电阻5，多晶硅纳米薄膜的厚度为100NM，掺杂浓度为21020CM3；在质量块2的无微梁两侧四个角部设置有对称的四个主梁3，主梁3一端连接质量块2，另一端连接硅基框架1。0030实施例3一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，如图3所示，主要由硅基框架1、质量块2、主梁3和微梁4构成，质量块2设置在硅基框架1中间，硅基框架1通过主梁3和微梁4与质量块2相连接，在质量块2的两侧设置有互相对称的两对微梁4，每个微梁4上设有两个多晶硅纳米薄膜应变电阻。
19、5，多晶硅纳米薄膜的厚度为90NM，掺杂浓度为31020CM3；在质量块2的无微梁两侧四个角部设置有对称的四个主梁3，主梁3一端连接质量块2，另一端连接硅基框架1。0031实施例4一种超薄敏感梁压阻加速度传感器，如图4所示，主要由硅基框架1、质量块2、主梁3和微梁4构成，质量块2设置在硅基框架1中间，硅基框架1通过主梁3和微梁4与质量块2相连接，在质量块2的两侧设置有互相对称的三对微梁4，每个微梁4上设有一个多晶硅纳米薄膜应变电阻5，多晶硅纳米薄膜的厚度为95NM，掺杂浓度为41020CM3；在质量块2的无微梁两侧四个角部和中部设置有对称的六个主梁3，主梁3一端连接质量块2，另一端连接硅基框架1。0032本发明这种超薄敏感梁压阻加速度传感器，具有量程宽、灵敏度高、温漂系数小、固有谐振频率高和外围电路简单的特点，可广泛用于加速度的测量与控制，如运动控制、汽车安全气囊、地理物理监测等领域中。说明书CN102331513ACN102331526A1/2页7图1图2说明书附图CN102331513ACN102331526A2/2页8图3图4说明书附图CN102331513A。