專利名稱：一種多懸臂梁加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子機械系統領域，具體涉及到一種平面振動懸臂梁結構的加速度傳感器。本發明用來解決加速度傳感器靈敏度與抑制交叉耦合能力兩者之間的矛盾，即在保證結構抑制交叉耦合能力不變的情況下，提高結構的靈敏度；保證結構靈敏度不變的情況下，提高結構對非敏感方向的抑制能力。
背景技術：
微機械加速度傳感器是一種重要的慣性測量器件，具有體積小、重量輕、響應快、 易于加工等優點。高g加速度傳感器是對高量程加速度傳感器的統稱，廣泛應用于動態撞擊過程及高速運動過程中沖擊載荷的測量。目前，高g值加速度傳感器主要為壓阻式加速度傳感器，由于其結構及外部檢測電路簡單被廣泛應用。壓阻式加速度傳感器的工作原理是基于硅材料等的壓阻效應，相比于其他類型的加速度傳感器，其靈敏度一般較低，并且抑制交叉耦合能力較弱。加速度傳感器結構主要包括懸臂梁、質量塊、壓敏電阻。其中懸臂梁主要分為單端懸臂梁和雙端固支梁，其主要作用是連接質量塊與基體，同時其剛度的大小決定著結構的量程與固有頻率。在早期的加速度傳感器中，懸臂梁與質量塊不等高，采用平面外振動的方式(如附圖1所示)，該種結構形式的梁由于其剛度較小，固有頻率較低，抗沖擊能力較弱， 交叉耦合也較大(非敏感方向對敏感方向上的影響)，由于與質量塊不等高，梁的厚度在加工中很難保證不同的圓片之間相同，即加工重復性較差，難以滿足高性能加速度計的要求。 在后來的加速度傳感器中，采用懸臂梁的厚度與質量塊同等高度(如附圖2所示)，該種懸臂梁結構形式剛度較大，極大的提高了結構的固有頻率，同時也加強了結構的抗高沖擊能力， 但該種形式結構的梁在抑制非敏感方向載荷較好的情況下，就要求梁的剛度較大，從而使得在敏感方向上的靈敏度較低，在保證敏感方向靈敏度不變的情況下，結構的交叉耦合較大。對于加速度傳感器，提高其靈敏度與抑制交叉耦合的能力是至關重要的。因此，設計一種懸臂梁來提高傳感器結構的靈敏度和抑制交叉耦合的能力，解決兩者之間的矛盾成為加速度傳感器發展和應用的主要技術難題。

發明內容
本發明的目的就是為了解決現有的加速度傳感器存在的靈敏度和抑制交叉耦合的能力不能兼顧的矛盾，提供一種用于提高加速度傳感器結構靈敏度及抑制交叉耦合能力的多懸臂梁加速度傳感器。本發明采用的技術方案
一種多懸臂梁加速度傳感器，包括質量塊，質量塊的側面設有懸臂梁，懸臂梁上設有壓敏電阻，其特征在于所述懸臂梁由兩個及兩個以上的與質量塊等高的子懸臂梁組成。在上述技術方案的基礎上，可以有以下進一步發展的技術方案質量塊的一個側面設有兩個及兩個以上的與質量塊等高的子懸臂梁，或質量塊的兩個側面分別設有兩個及兩個以上的與質量塊等高的子懸臂梁。本發明提供的設計原理如下
根據剛度公式可以知道，當懸臂梁的長度7—定時，此時梁的彎矩剛度由梁的慣性距所決定。根據慣性矩公式可以知道，當梁的寬度力一定時，其慣性矩的大小與梁的厚度力為三次方關系。當結構質量塊尺寸不變時，即在外界載荷相同的條件下，質量塊產生的慣性力大小相同，設將橫截面積為^的單根梁分為#根同等厚度的小懸臂梁，小梁的面積之和為兒厚度為A/Nb，其中小梁的根數需要根據結構特點及加工工藝進行選擇，則對于如圖3所示結構X方向有載荷時，#根梁結構與單梁結構的應力大小和微位移是相同的，即對非敏感方向上載荷的抑制能力相同，對于Y方向的載荷，即為敏感方向，當為單塊梁時， 梁的彎矩剛度為當單塊梁分為多齒小梁后其單根梁剛度為先=fi^/4/W，由于單塊梁分為#根小梁，在理想情況下設多根小梁的彎曲一致，則多根梁的總體剛度為“ =EA3Afb2U30由公式可以得出，采用多個平面振動懸臂梁可以極大的降低梁在敏感方向上的剛度，而在非敏感方向上剛度不變，從而在保證非敏感方向載荷的抑制作用下，有效的提高了結構的靈敏度，相反即在保證結構靈敏度不變的情況下，提高了結構對非敏感方向載荷影響的抑制能力。此種梁的設計在雙端固支梁也有同樣的功能。本發明的多個子懸臂梁結構，即該種結構的懸臂梁由兩個及兩個以上剛度較小的子懸臂梁組成，其可以在不改變結構對非敏感方向載荷抑制的條件下，極大的提高結構的靈敏度；在結構靈敏度不變的情況下，極大的提高結構的抑制交叉耦合能力。同時懸臂梁采用與質量塊等高結構，易于實現加工。


圖1是幾種傳統的加速度傳感器結構a.單端不等高懸臂梁的加速度傳感器結構b.現有的單端懸臂梁與質量塊等高的加速度傳感器結構c.現有的雙端懸臂梁的加速度傳感器結構圖； 圖2是本發明實施例一、實施例二的結構a.實施例一的單端五個子懸臂梁加速度傳感器結構b.實施例一的單端五個子懸臂梁加速度傳感器三位結構c.實施例二的雙端五個子懸臂梁加速度傳感器結構圖3單端單塊懸臂梁加速度傳感器與單端五個子懸臂梁加速度傳感器在IOOOg載荷作用下敏感方向與非敏感方向微位移圖仿真圖，其中
(a)Y敏感方向，左邊為單塊懸臂梁結構，右邊為五個子懸臂梁結構；
(b)X方向，左邊為單塊懸臂梁結構，右邊為五個子懸臂梁結構；
(c)Z方向，左邊為單塊懸臂梁結構，右邊為五個子懸臂梁結構；
圖4雙端單塊懸臂梁加速度傳感器與雙端五個子懸臂梁加速度傳感器在IOOOg載荷作用下敏感方向與非敏感方向微位移圖仿真圖，其中
(a)Y敏感方向，左邊為雙端單塊懸臂梁結構，右邊為雙端五個子懸臂梁結構；
(b)X方向，左邊為雙端單塊懸臂梁結構，右邊為雙端五個子懸臂梁結構；
(c)Z方向，左邊為雙端單塊懸臂梁結構，右邊為雙端五個子懸臂梁結構；實例一，單端五個子懸臂梁加速度傳感器
本發明提供的單端五個子懸臂梁加速度傳感器，如圖2中的a、b所示，質量塊尺寸為 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，質量塊左端(一側)設有五根子懸臂梁，每個子懸臂梁的尺寸為 100 ( μ m) X 4 ( μ m) X 100 ( μ m)。采用本實施例提供的單端五個子懸臂梁加速度傳感器，與現有的單端單塊懸臂梁加速度傳感器對比仿真實驗，單端單塊懸臂梁加速度傳感器如圖Ib所示質量塊尺寸為 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，單塊懸臂梁尺寸為 100 ( μ m) X 20 ( μ m) X 100 ( μ m)。外界載荷為1000g，利用結構設計有限元分析軟件ANSYS進行分析仿真，結果如圖 3a、圖北、圖3c所示。通過圖中可以看出使用單塊懸臂梁結構其梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分別為0. 112E-8 (m)、0· 685E-11 (m)、0· 918E-10 (m)， 使用五個子懸臂梁結構器梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分別為0. 479E-8 (m)、0. 666E_ll(m)、0. 911E-10 (m)。通過仿真數據可以看出，采用五個子懸臂梁結構在敏感方向上的微位移大于單塊懸臂梁結構，同時兩者在非敏感方向的微位移幾乎相同，這也證明了采用多懸臂梁在保證對非敏感方向抑制能力不變的前提下，提高了敏感方向上的靈敏度。實例二 雙端五個子懸臂梁加速度傳感器
本發明的雙端五個子懸臂梁加速度傳感器，如圖2c所示，質量塊尺寸為 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，質量塊兩端分別設有五個子懸臂梁，每個子懸臂梁的尺寸為 100 ( μ m) X 4 ( μ m) X 100 ( μ m)。實驗對比的雙端單懸臂梁加速度傳感器如圖Ic所示，質量塊尺寸為 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，兩端單塊懸臂梁尺寸為 100 ( μ m) X 20 ( μ m) X 100 ( μ m)。外界載荷為1000g，利用ANSYS進行分析仿真，結果如圖4a、圖4b、圖如所示。通過圖中可以看出使用單塊懸臂梁結構其梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分別為0. 125E-9(m)、0.472E-ll(m)、0. 184E-10 (m)；使用五個子懸臂梁結構器梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分別為0. 236E-8(m)、 0. 409E-11 (m)、0. 200E-10(m)。通過仿真數據可以看出，采用五個子懸臂梁結構在敏感方向上的微位移大于單塊懸臂梁結構，同時兩者在非敏感方向的微位移幾乎相同，這也證明了采用多懸臂梁在保證對非敏感方向抑制能力不變的前提下，提高了敏感方向上的靈敏度。
權利要求
1.一種多懸臂梁加速度傳感器，包括質量塊，質量塊的側面設有懸臂梁，懸臂梁上設有壓敏電阻，其特征在于所述懸臂梁由兩個及兩個以上的與質量塊等高的子懸臂梁組成。
2.根據權利要求1所述的一種多懸臂梁加速度傳感器，其特征在于質量塊的一個側面設有兩個及兩個以上的與質量塊等高的子懸臂梁。
3.根據權利要求1所述的一種多懸臂梁加速度傳感器，其特征在于質量塊的兩個側面分別設有兩個及兩個以上的與質量塊等高的子懸臂梁。
全文摘要
一種多懸臂梁加速度傳感器，包括質量塊，質量塊的側面設有懸臂梁，懸臂梁上設有壓敏電阻，其特征在于所述懸臂梁由兩個及兩個以上的與質量塊等高的子懸臂梁組成。本發明的多個子懸臂梁結構，其可以在不改變結構對非敏感方向載荷抑制的條件下，極大的提高結構的靈敏度；在結構靈敏度不變的情況下，極大的提高結構的抑制交叉耦合能力。同時懸臂梁采用與質量塊等高結構，易于實現加工。
文檔編號B81B3/00GK102401841SQ20111025358
公開日2012年4月4日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者徐棟, 方澍, 汪祖民, 郭群英, 黃斌 申請人:華東光電集成器件研究所