專利名稱：加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
加速度傳感器
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種加速度傳感器，尤其一種應(yīng)用于地震勘測裝置的加速度傳感
O
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的地震檢波器為電磁感應(yīng)式檢波器，其通過電磁感應(yīng)的方式將振動信號轉(zhuǎn)換 為模擬電信號輸出，該方式也是現(xiàn)今應(yīng)用最普遍的檢波器。區(qū)別于傳統(tǒng)檢波器，以MEMS技 術(shù)為核心的數(shù)字檢波器近年來取得了飛速發(fā)展，為地震檢波器技術(shù)帶來新的突破。隨著 MEMS技術(shù)的發(fā)展及數(shù)字檢波器測試技術(shù)的不斷成熟和完善，數(shù)字地震檢波器必將是長期發(fā) 展的必然趨勢。MEMS技術(shù)以硅材料為基底，結(jié)合微機械加工工藝和IC工藝進行加工，是集 微型傳感器、執(zhí)行器、信號處理器以及控制電路、接口電路、通信電路和電源為一體的微型 機電系統(tǒng)。由MEMS加速度傳感器構(gòu)成的地震檢波器以感應(yīng)加速度的變化，并通過閉環(huán)力反 饋的形式將振動信號轉(zhuǎn)換成高精度數(shù)字信號輸出。加速度傳感器可以等效為由質(zhì)量塊m、彈 簧k與阻尼c組成的二階振動系統(tǒng)，而由于地震波引起的加速度量級較小，因此要求設(shè)計動 態(tài)范圍大、分辨率高以及噪聲小的檢波器。從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，若要提高分辨率并希望 器件本身噪聲較小，可以通過兩個途徑來實現(xiàn)1)提高品質(zhì)因數(shù)，即采用真空封裝的形式。 2)增加質(zhì)量塊m的大小。采用真空封裝技術(shù)的典型產(chǎn)品為Sercel公司的MEMS加速度傳感器，其Q值為 10000，真空封裝壓強小于lmTorr。該產(chǎn)品采用梳齒結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電容檢測，其優(yōu)點為梳齒結(jié)構(gòu) 的加速度傳感器工藝簡單、成熟，缺點是高真空封裝下，系統(tǒng)的穩(wěn)定啟動時間長，但是，現(xiàn)有 的真空封裝技術(shù)不是很成熟，不利于批量生產(chǎn)。此外，梳齒加工工藝由于應(yīng)力、應(yīng)力梯度以 及結(jié)構(gòu)重力等因素影響，難以加工出大尺寸的單一質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。迄今為止，國內(nèi)目前尚未 有類似產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)文獻。現(xiàn)有的大質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的典型產(chǎn)品為Colibrys公司的 Si-FlexTM系列檢波器。然而，其工藝較為復(fù)雜，通常要采用濕法腐蝕濃硼自停止、硅玻璃三 層鍵合或者硅硅四層鍵合等技術(shù)。所以有必要設(shè)計出一種加速度傳感器以解決上述技術(shù)問題。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種靈敏度較高的加速度傳感器。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種加速度傳感器，包括組 成陣列式的若干個子結(jié)構(gòu)，每一個子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、與質(zhì)量塊連接的錨點及相互之間可 產(chǎn)生相對位移的梳齒；所述若干個子結(jié)構(gòu)在橫向上通過第一支撐結(jié)構(gòu)相互連接，并且所述 若干個子結(jié)構(gòu)在垂直橫向的縱向上通過第二支撐結(jié)構(gòu)相互連接。進一步地，所述每一個子結(jié)構(gòu)包括位于錨點一側(cè)的支撐部，所述梳齒包括與質(zhì)量 塊連接的活動梳齒及與支撐部連接的第一、第二固定梳齒，所述活動梳齒在橫向上位于第一、第二固定梳齒之間。進一步地，所述每一個子結(jié)構(gòu)包括分別與質(zhì)量塊及錨點連接的第一、第二短梁，及 位于第一、第二短梁之間且與第一、第二短梁連接的連接梁。進一步地，所述連接梁為“S”形彈性梁或“U”形彈性梁或方框形彈性梁，所述連接 梁均設(shè)有沿縱向延伸的狹槽。進一步地，所述質(zhì)量塊為方框形，包括在縱向上間隔設(shè)置的第一、第二連接部及在 橫向上間隔設(shè)置的第三、第四連接部，所述活動梳齒連接于第一、第二連接部上，所述第一 短梁連接于第三、第四連接部上。進一步地，所述第一支撐結(jié)構(gòu)為橫向上彈性、縱向上剛性的結(jié)構(gòu)，所述第二支撐結(jié) 構(gòu)為橫向上剛性、縱向上彈性的結(jié)構(gòu)。進一步地，所述第二支撐結(jié)構(gòu)為“Z”形梁或“U”形梁或方框形梁，所述彈性結(jié)構(gòu)均 設(shè)有沿橫向延伸的狹槽。進一步地，所述彈性結(jié)構(gòu)均設(shè)有沿橫向延伸的狹槽。進一步地，所述每一個子結(jié)構(gòu)均相同。進一步地，所述質(zhì)量塊與錨點在橫向上相互連接，所述梳齒可在橫向上產(chǎn)生相對 位移。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型加速度傳感器可以通過連接各個子結(jié)構(gòu)之間的第 一、第二支撐結(jié)構(gòu)來進行應(yīng)力釋放，從而提高了靈敏度。

圖1是本實用新型加速度傳感器的俯視示意圖。圖2是圖1所示的加速度傳感器的子結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實用新型加速度傳感器的子結(jié)構(gòu)于第二實施方式中的示意圖。圖4是本實用新型加速度傳感器的子結(jié)構(gòu)于第三實施方式中的示意圖。圖5是本實用新型加速度傳感器的部分子結(jié)構(gòu)之間橫向連接的示意圖。圖6是本實用新型加速度傳感器的部分子結(jié)構(gòu)之間縱向連接的示意圖。
具體實施方式請參圖1所示，本實用新型加速度傳感器100包括組成陣列式的若干個子結(jié)構(gòu) 1-9，所述若干個子結(jié)構(gòu)1-9在橫向(X軸方向)上通過第一支撐結(jié)構(gòu)相互連接，并且所述若 干個子結(jié)構(gòu)1-9在沿垂直橫向的縱向(Y軸方向)上通過第二支撐結(jié)構(gòu)相互連接。本實用 新型加速度傳感器100用以檢測X軸的加速度。在本實用新型加速度傳感器100的實施方 式中，所述陣列采用3*3的正方形陣列，包含九個子結(jié)構(gòu)1-9，并通過第一、第二支撐結(jié)構(gòu)連 成一個整體。當然，陣列的設(shè)置并不局限于3*3的正方形陣列，在其他實施方式中，根據(jù)設(shè) 計需求也可以采用不同的排列方式，如3*2的長方形陣列或4*4的正方形陣列等。由于所有子結(jié)構(gòu)1-9的結(jié)構(gòu)均相同，以下僅對子結(jié)構(gòu)1進行詳細說明。請參圖2 所示，所述子結(jié)構(gòu)1包括方框形質(zhì)量塊11、與質(zhì)量塊11在橫向上相互連接的錨點15、位于 錨點15兩側(cè)的支撐部14a、14b及可相互之間在橫向上產(chǎn)生相對位移的梳齒16。所述質(zhì)量 塊11包括相互平行且在縱向上間隔設(shè)置的第一、第二連接部lla、llb，及在橫向上間隔設(shè)置的第三、第四連接部llc、lld。所述梳齒16包括分別連接于第一、第二連接部IlaUlb上 的若干活動梳齒12a、12b、連接于支撐部14a上的第一、第二固定梳齒13a、13c，及連接于支 撐部14b上的第三、第四固定梳齒13b、13d，其中活動梳齒12a在橫向上位于第一、第二固 定梳齒13a、13c之間，活動梳齒12b在橫向上位于第三、第四固定梳齒13b、13d之間。所述 活動梳齒12a與第一、第二固定梳齒13a、13c之間，及活動梳齒12b與第三、第四固定梳齒 13b、13d之間在橫向上可產(chǎn)生相對位移，用以檢測X軸方向上的加速度(容后詳述)。所述第三、第四連接部11c、Ild通過四個第一短梁16a、16b、16c、16d、四個第二短 梁17a、17b、17c、17d及兩個連接梁10a、IOb與錨點15連接。所述連接梁IOa連接第一短 梁16a、16b及第二短梁17a、17b且位于它們之間。所述連接梁IOb連接第一短梁16c、16d 及第二短梁17c、17d且位于它們之間。所述連接梁IOb具有彈性，主要目的是實現(xiàn)在其運動 方向(本實施方式中為X軸方向)的彈性較大，其余方向的剛度較大，以實現(xiàn)對運動方向加 速度檢測的同時，抑制其他方向加速度的干擾。在本實施方式中，所述連接梁10a、10b大致 為“S”形彈性梁，其設(shè)有兩個沿縱向延伸的狹槽10c。請參圖3及圖4所示，在其他實施方 式中，所述連接梁10a、10b也可以為“U”形彈性梁20a、20b或方框形彈性梁21a、21b?！癠” 形彈性梁20a、20b及方框形彈性梁21a、21b同樣分別設(shè)有沿縱向延伸的狹槽20c及21c。在子結(jié)構(gòu)1中，錨點15與支撐部14a、14b固定在襯底(未圖示)上，其余部分懸 浮于襯底上方，為可動部分。當X軸向加速度作用于子結(jié)構(gòu)1上時，在連接梁10a、10b的支 撐下，質(zhì)量塊11帶動活動梳齒12a、12b在X軸向產(chǎn)生一定位移。活動梳齒12a、12b與對應(yīng) 的第一、第二固定梳齒13a、13c及第三、第四固定梳齒13b、13d之間的電容量就相應(yīng)的產(chǎn)生 變化，通過檢測該電容的變化量就能測得加速度值。結(jié)合現(xiàn)有加工工藝，活動梳齒12a、12b 與第一、第二固定梳齒13a、13c及第三、第四固定梳齒13b、13d可通過變間距、差分的形式 對稱排布于質(zhì)量塊11的兩端。如圖2所示，當有沿X軸正方向的加速度作用在子結(jié)構(gòu)1上 時，活動梳齒12a與第一固定梳齒13a及活動梳齒12b與第三固定梳齒13b之間的間距變 大；而活動梳齒12a與第二固定梳齒13c及活動梳齒12b與第四固定梳齒13d之間的間距 變小，從而形成差分輸出形式。請參圖5所示，本實用新型加速度傳感器100通過第一支撐結(jié)構(gòu)在橫向上連接子 結(jié)構(gòu)1與子結(jié)構(gòu)2。由于圖1所示的加速度傳感器100整體結(jié)構(gòu)在X軸方向彈性較大，在一 定程度上釋放了 X軸方向上的應(yīng)力。第一支撐結(jié)構(gòu)為橫向上彈性、縱向上剛性的結(jié)構(gòu)(在 本實施方式中為短梁18)，作為橫向上相鄰兩個質(zhì)量塊11的連接部分，也可以起到釋放應(yīng) 力的作用。類似地，子結(jié)構(gòu)2與子結(jié)構(gòu)3、子結(jié)構(gòu)4與子結(jié)構(gòu)5等的質(zhì)量塊11在橫向上也 通過短梁18相連。短梁18的具體形狀、尺寸、個數(shù)及連接方式等可以根據(jù)具體要求靈活設(shè) 計。請參圖6所示，本實用新型加速度傳感器100通過第二支撐結(jié)構(gòu)在縱向上連接子 結(jié)構(gòu)1與子結(jié)構(gòu)4的質(zhì)量塊11。所述第二支撐結(jié)構(gòu)為橫向上剛性、縱向上彈性的結(jié)構(gòu)。由 于圖1所示的加速度傳感器100整體結(jié)構(gòu)在Y軸方向的剛度較大，該縱向上彈性的結(jié)構(gòu)可 以較好地釋放Y軸方向的應(yīng)力。所述第二支撐結(jié)構(gòu)為“Z”形梁19或“U”形梁22或方框形 梁23 (與圖3及圖4所示的“U”形彈性梁20a、20b及方框形彈性梁21a、21b結(jié)構(gòu)類似)。 所述第二支撐結(jié)構(gòu)均設(shè)有沿橫向延伸的狹槽24，使第二支撐結(jié)構(gòu)在縱向具有較好的彈性。 類似地，子結(jié)構(gòu)2與子結(jié)構(gòu)5、子結(jié)構(gòu)3與子結(jié)構(gòu)6等的質(zhì)量塊11在縱向上也通過縱向上彈性的結(jié)構(gòu)相連。相較于現(xiàn)有技術(shù)，在相同尺寸條件下，本實用新型陣列式加速度傳感器100與單 個質(zhì)量塊以及單個支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的加速度傳感器相比，可以通過質(zhì)量塊11之間的第 一、第二支撐結(jié)構(gòu)來進行應(yīng)力釋放，從而提高了靈敏度。同時，本實用新型陣列式加速度傳 感器100采用了將若干個子結(jié)構(gòu)1-9并聯(lián)成一個整體的形式，從而增大了輸出信號。另外， 本實用新型加速度傳感器100整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比較大，在一定程度上降低了布朗熱噪聲。綜上所述，以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，不應(yīng)以此限制本實用新型的 范圍，即凡是依本實用新型權(quán)利要求書及實用新型說明書內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修 飾，皆應(yīng)仍屬本實用新型專利涵蓋的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種加速度傳感器，其特征在于包括組成陣列式的若干個子結(jié)構(gòu)，每一個子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、與質(zhì)量塊連接的錨點及相互之間可產(chǎn)生相對位移的梳齒；所述若干個子結(jié)構(gòu)在橫向上通過第一支撐結(jié)構(gòu)相互連接，并且所述若干個子結(jié)構(gòu)在垂直橫向的縱向上通過第二支撐結(jié)構(gòu)相互連接。
2.如權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于所述每一個子結(jié)構(gòu)包括位于錨點 一側(cè)的支撐部，所述梳齒包括與質(zhì)量塊連接的活動梳齒及與支撐部連接的第一、第二固定 梳齒，所述活動梳齒在橫向上位于第一、第二固定梳齒之間。
3.如權(quán)利要求2所述的加速度傳感器，其特征在于所述每一個子結(jié)構(gòu)包括分別與質(zhì) 量塊及錨點連接的第一、第二短梁，及位于第一、第二短梁之間且與第一、第二短梁連接的 連接梁。
4.如權(quán)利要求3所述的加速度傳感器，其特征在于所述連接梁為“S”形彈性梁或“U” 形彈性梁或方框形彈性梁，所述連接梁均設(shè)有沿縱向延伸的狹槽。
5.如權(quán)利要求3所述的加速度傳感器，其特征在于所述質(zhì)量塊為方框形，包括在縱向 上間隔設(shè)置的第一、第二連接部及在橫向上間隔設(shè)置的第三、第四連接部，所述活動梳齒連 接于第一、第二連接部上，所述第一短梁連接于第三、第四連接部上。
6.如權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于所述第一支撐結(jié)構(gòu)為橫向上彈性、 縱向上剛性的結(jié)構(gòu)，所述第二支撐結(jié)構(gòu)為橫向上剛性、縱向上彈性的結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的加速度傳感器，其特征在于所述第二支撐結(jié)構(gòu)為“Z”形梁或 “U”形梁或方框形梁。
8.如權(quán)利要求7所述的加速度傳感器，其特征在于所述第二支撐結(jié)構(gòu)設(shè)有沿橫向延 伸的狹槽。
9.如權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于所述每一個子結(jié)構(gòu)均相同。
10.如權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于所述質(zhì)量塊與錨點在橫向上相互 連接，所述梳齒可在橫向上產(chǎn)生相對位移。
專利摘要本實用新型揭示了一種用于檢測地震、地音的加速度傳感器，包括組成陣列式的若干個子結(jié)構(gòu)，每一個子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、與質(zhì)量塊在橫向上相互連接的錨點及可相互之間在橫向上產(chǎn)生相對位移的梳齒；所述若干個子結(jié)構(gòu)在橫向上通過第一支撐結(jié)構(gòu)相互連接，并且所述若干個子結(jié)構(gòu)在垂直橫向的縱向上通過第二支撐結(jié)構(gòu)相互連接。所述加速度傳感器可以通過連接各個子結(jié)構(gòu)之間的第一、第二支撐結(jié)構(gòu)來進行應(yīng)力釋放，從而提高了靈敏度。
文檔編號G01P15/125GK201716326SQ20102014655
公開日2011年1月19日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者莊瑞芬, 李剛, 桑新文 申請人:蘇州敏芯微電子技術(shù)有限公司