一种单片集成三维矢量振动传感器

摘要

本发明公开了单片集成三维矢量振动传感器，包括二维矢量传感器和双T形敏感体，所述二维矢量传感器包括四梁臂、固定于四梁臂四梁中心的微型柱状体。可用于地层、空气、机械和水声等多种领域的振动测试；且单片集成体积小，重量轻，工艺简单，便于安装测试，提高了检测的灵敏度；本发明结构简单，但极具新颖性，且以当前的MEMS加工工艺可以单片集成加工制造，加工成本低，易于制作，功效高，适合批量化生产；整个三维结构上设置的应变压敏电阻与基准电阻采用基于硅微压阻效应的压敏电阻，不但性能稳定，而且功耗低。

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其是一种单片集成三维矢量振动传感器。

背景技术

振动传感器广泛用于煤炭、电力、石油、化工、冶金、交通、建筑、军事工业等行业中对仪器、设备的长期振动监测和保护。随着微机电MEMS产业的兴起，振动传感器逐渐向微型化、集成化方向发展，具有广泛的军事和民用前景。现有的振动传感器，大多只能获取二维振动信息，不能确定振源的具体方位，使信息处理方法减少；且体积较大，灵敏度不高，安装固定方式又限制了其应用范围，如申请号为200910142088.X的中国专利公开了一种“内球式矢量振动传感器”，该振动传感器需要三个点触式传感器，体积较大，灵敏度不高，不利于安装，球形结构制作工艺较为复杂，成本高，难于批量化生产制造。

现有的振动传感器技术存在下列缺陷：

(1)采用现有的单片振动传感器，只能确定振源的二维方向，缺少三维矢量信息，不能完成振源的具体定向。

(2)现有的振动传感器采用组装工艺不是单片集成，体积较大，工艺比较复杂，成本高，安装精度不高，分片安装也会降低检测的灵敏度，使振动传感器的应用范围受到很大限制。

发明内容

本发明为了克服现有振动传感器的不足之处，提供了一种单片集成、体积小、结构简单、易于制作和批量化生产、灵敏度高且安装方便的三维矢量振动传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：单片集成三维矢量振动传感器，包括以SOI片为加工材料，采用标准压阻式硅微机械工艺加工成的四梁臂结构及固定于四梁中心的微型柱状体组成的二维矢量传感器和以硅片为加工材料、经硅基MEMS加工工艺加工出的双T形敏感体两部分。二维矢量传感器由四梁臂结构、微型柱状体构成，四梁臂上通过扩散工艺加工有八个阻值相等的应变压敏电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，其中R1、R2、R3、R4连接成一个惠斯通电桥，R5、R6、R7、R8连接成另一个惠斯通电桥。对本发明所述单片集成三维矢量振动传感器进行初步工艺设计：

与现有技术相比，本发明采用单片集成的振动传感器即可获得振源的三维矢量信息，完成振源的精确定向，可用于地层、空气、机械和水声等多种领域的振动测试；且单片集成体积小，重量轻，工艺简单，便于安装测试，提高了检测的灵敏度；本发明结构简单，但极具新颖性，且以当前的MEMS加工工艺可以单片集成加工制造，加工成本低，易于制作，功效高，适合批量化生产；整个三维结构上设置的应变压敏电阻与基准电阻采用基于硅微压阻效应的压敏电阻，不但性能稳定，而且功耗低。

附图说明

图1为本发明三维振动传感器的结构示意图；

图2为三维振动传感器上的基准电阻和应变压敏电阻的分布连接示意图；

图3为三维振动传感器上基准电阻和应变压敏电阻连接构成的惠斯通电桥电路图；

图4为本发明的简要工艺流程示意图；

图5为陶瓷管壳+盖板示意图；

图6为微结构粘于玻璃基座上的示意图；

图7为玻璃基座粘于管壳内，引线键合技术示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1-3所示，单片集成三维矢量振动传感器，包括二维矢量传感器、双T形敏感体4，二维矢量传感器包括以硅片为加工材料、采用标准压阻式硅微机械工艺加工成的四梁臂1、固定于四梁臂1四梁中心的微型柱状体2组成的二维矢量传感器、以SOI片为加工材料、经硅基MEMS加工工艺加工出的双T形敏感体4。四梁臂1上通过扩散工艺加工有八个阻值相等的应变压敏电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，其中R1、R2、R3、R4连接成一个惠斯通电桥，R5、R6、R7、R8连接成另一个惠斯通电桥。双T形敏感体4由基座3、两个T形体构成，基座3上通过扩散工艺加工有两个阻值相等的基准电阻R9、R11，两个T形体上通过扩散工艺加工有两个阻值相等的应变压敏电阻R10、R12，且该应变压敏电阻R10、R12分别位于两个T形体的根部(即双T形敏感体4靠近基座的端部)，应变压敏电阻R10、R12的阻值与基准电阻R9、R11的阻值相等，应变压敏电阻R10、R12与基准电阻R9、R11连接构成惠斯通电桥，形成检测电路。

如图2所示，以水平方向为X方向，当有沿X方向的振动信号作用于四梁臂1时，在其四个梁上就会产生不对称的应力分布，若R1和R3单元对应的是张力，则R2和R4单元对应的是压力，R5、R6、R7和R8对应的是剪切力，在梁宽度远大于梁厚度的条件下，R5、R6、R7和R8上的剪切应力产生的形变完全可以忽略，这样可以基本认为R5、R6、R7和R8的电阻值变化为零，而R1、R3与R2、R4的电阻值朝相反的方向变化。

当有沿Y方向的振动信号作用于微结构时，在梁上就会产生不对称的应力分布，若R5和R7单元对应的是张力，则R6和R8单元对应的是压力，R1、R2、R3和R4对应的是剪切力，在梁宽度远大于梁厚度的条件下，剪切应力产生的形变完全可以忽略，这样可以基本认为R1、R2、R3和R4的电阻值变化为零，而R5、R7与R6、R8的电阻值朝相反的方向变化。

当有沿Z方向的振动信号作用于两个T形体时，双T形敏感体4的两个T形体会产生应力、应变变化，从而导致两个T形体根部设置的应变压敏电阻R10、R12阻值发生相同变化，使惠斯通电桥的输出发生变化，根据惠斯通电桥的输出变化，实现对振动信号的具体方向的确定。该振动传感器二维结构的几何尺寸为梁长600um，梁宽150un，梁厚20un，质量块边长20um，刚性柱体长4000um；一维双T形结构的几何尺寸为梁长3000um，梁宽150um，梁厚20um。

如图4所示，工艺流程如下，主要采用体微加工技术与二氧化硅键合绑定技术进行仿生微结构的四梁一中心连接体加工，其工艺主要包括：光刻、氧化、键合、刻蚀、离子注入、薄膜生长，蒸镀等工序。主要工艺流程如下：

(1)备片：n型4寸SOI硅片，晶向<100>

(2)氧化：T＝950℃；tax＝1000

(3)RIE刻蚀：刻蚀电阻条窗口

(4)正面扩硼：能量为100Kev，表面浓度为4×10¹⁸cm^-3

(5)氧化：T＝950℃；tax＝1000

(6)RIE刻蚀：刻蚀浓硼区

(7)正面扩浓硼：1040℃，40分钟

(8)PECVD淀积氮化硅：双面淀积1100

(9)RIE刻蚀：背面刻蚀氮化硅、二氧化硅

(10)背面腐蚀：KOH腐蚀背面硅，自停止在SiO2层

(11)RIE刻蚀：正面刻蚀电极接触孔

(12)蒸金：先蒸Cr，500，再蒸Au，1000

(13)腐蚀金：碘水腐蚀去金

(14)RIE刻蚀：正面刻蚀氮化硅、二氧化硅

(15)正面腐蚀：KOH或EPW腐蚀背面硅

(16)RIE刻蚀：背面刻SiO2

(17)正面粘接微立柱体

如图5-7所示，微结构封装步骤：

(1)设计陶瓷管壳+盖板(图5)；

(2)将微结构粘于玻璃基座上(图6)；

(3)将玻璃基座粘于管壳内，引线键合(图7)；

(4)管壳注满硅油；

(5)盖板与管壳键合密封。

本发明结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、加工成本低、易于制作和批量化生产、单片集成便于安装和测试，最终以单个传感器实现了对振源信号的测量和定向，以其生产加工的振动传感器应用范围广阔，可以适用于煤炭、电力、石油、化工、冶金、交通、建筑、军事工业等行业中对仪器、设备的长期振动监测和保护，以及地层测量、空气测量、机械测量和水声测量等领域。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。