膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计

第13卷 第2期太赫兹科学与电子信息学报Vo1.13，No.2 2015年4月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Apr.，2015 文章编号：2095-4980(2015)02-0337-05薄膜体声波谐振器微加速度计惯性力敏特性何婉婧1,2，高杨2,3*，李君儒1，黄振华1，蔡洵1(1.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳 621010；2.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳 621999；3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆 400044)摘 要：研究了由硅微质量块-悬臂梁惯性力敏结构和氮化铝(AlN)薄膜体声波谐振器(FBAR)检测元件集成的FBAR微加速度计表头的惯性力敏特性。

采用有限元(FEA)静力学仿真，得到惯性力载荷作用下硅微悬臂梁上的应力分布；选取最大应力值作为载荷，基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式，预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量；采用谐响应分析，预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。

分析得到：惯性力载荷作用下，FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移，灵敏度约为数kHz/g；其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。

关键词：微电子机械系统；薄膜体声波谐振器；微加速度计；力敏特性中图分类号：TN102；TB934文献标识码：A doi：10.11805/TKYDA201502.0337Inertial force sensing characteristics of Film Bulk Acoustic wave Resonatorsmicro-accelerometerHE Wanjing1,2，GAO Yang2,3*，LI Junru1，HUANG Zhenhua1，CAI Xun1(1.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China；2.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621999，China；3.National KeyLaboratory of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China)Abstract：The inertia force sensing characteristics of FBAR(Film Bulk Acoustic wave Resonators) micro- accelerometer sensor are studied, which integrates inertial force sensing structure of silicon micro mass-proof and cantilever beams with AlN(Aluminum Nitride) FBAR detecting elements. The stress distributionof silicon micro supporting beam under the inertia force loads are obtained by applying Finite-ElementAnalysis(FEA) static simulation. Then the maximum stress value is selected as load, the relationshipsbetween elastic coefficient and stress of wurtzite AlN are calculated according to the first principles.Therefore, the maximum variation of AlN elastic coefficient under the inertia force load can be predicted.Next, the micro-accelerometer frequency characteristics and the tendency of FBAR micro-accelerometerare predicated through the analysis of harmonic response. It is concluded that the resonance frequency ofFBAR micro-accelerometer shifts to a higher one under an inertial load, with a sensitivity about kHz/g;and there exists a good linearity in the acceleration increment-frequency shift characteristic curve.Key words：MEMS(Micro-E lectro Mechanical Systems)；Film Bulk Acoustic wave Resonators；micro-accelerometer；force sensing characteristics薄膜体声波谐振器(FBAR)传感器是近十几年发展起来的一种新型的传感技术，具有灵敏度高、准数字量输出、便于集成、工作频率高等特点。

MEMS加速度计MEMS加速度计(电容式)——即加速度传感器天津⼤学电科MEMS PPT演⽰⽂稿以上⼤家看到的各种神奇功能的实现必不可少的便是我们今天的主题——微机械加速度计，（mems加速度计，电容式mems 加速度计！）历史实际上，加速度计早就已经出现在我们的⽣活中，1657年，某⼈就发明了这个依靠加速度计计量时间的摆钟。

到了⼆⼗世纪，各种原理的加速度计如⾬后春笋⼀般涌现，1928振弦式，1938电阻式，1943压电式，1960压阻式，1973压电式，1979电容式。

在前⾯同学的精辟分析后/后⾯将还有⼀组同学向⼤家集中讲解压阻式加速度计，我们主要给⼤家介绍的是电容式加速度计。

原理常见的微加速度计按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热对流式等；按照加⼯⼯艺⽅法⼜可以分为体硅⼯艺微加速度计和表⾯⼯艺微加速度计；按⼯作⽅法⼜可分为开环加速度计和闭环(静电⼒平衡式)加速度计两种关于电容我们都很熟悉，图（a）就是在电容的上下极板上下运动的时候电容会发⽣变化，图b就是极板左右移动的时候电容发⽣变化，图c就是当极板中间插有介质，介质运动时电容也会发⽣变化电容式微加速度计的基本原理，就是利⽤电容来检测加速度场中检测质量在惯性⼒作⽤下的微位移。

由于微位移将引起检测电容的变化，检测电容信号经过前置放⼤、信号调理后，以直流电压⽅式输出，从⽽间接实现对加速度的检测。

根据平⾏板电容的计算公式：。

，可以通过改变极板叠合⾯积A、极板间隙d或极板间介质的相对介电常数等参数来调节电容值的⼤⼩。

反过来，也可以根据检测电容的变化，确定引起电容变化原因，进⽽实现对某些物理量的检测。

电容检测⽅式有三种：变介电常数型、变⾯积型和变极板间隙型。

在微加速度计的设计时，考虑到易于实现集成，常采⽤变极板问隙型检测⽅式来检测加速度。

电容值和极板间隙不是线性关系，常常采⽤差动电容检测⽅式以解决线性问题差动检测电容由公共活动电极(常为检测质量)和两个固定电极形成：在满⾜Ad<⽬前主要有三种结构形式的变间隙电容式微加速度计，分别是“三明治"式、“扭摆式"式和梳齿式结构。

专利名称：谐振式微加速度计
专利类型：发明专利
发明人：熊继军,张文栋,石云波,李丽华,王楷群申请号：CN200810055267.5
申请日：20080623
公开号：CN101303365A
公开日：
20081112
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及微机械电子技术领域，具体是一种高灵敏度的谐振式微加速度计。

解决了传统基于应力改变的谐振式加速度计的测量灵敏度易受内部残余应力等因素影响的问题，该加速度计包括玻璃基底、质量块、两双端固定音叉谐振器，两谐振器并列/排设置，且敏感电容侧相对，敏感电容包含若干个一侧极板经连接梁与音叉梁固定的平板电容，平板电容的另一侧极板经支撑连接梁整体固定；质量块设置于两谐振器之间，质量块与其两侧谐振器之间分别设置有一组对称的微杠杆，质量块两侧的微杠杆相对于质量块对称，微杠杆一端与质量块固定，另一端与平板电容的支撑连接梁固定。

本发明结构合理，体积小，灵敏度高，检测效果好，具有良好的发展前景。

申请人：中北大学
地址：030051 山西省太原市尖草坪区学院路3号
国籍：CN
代理机构：山西太原科卫专利事务所
代理人：朱源
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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910316453.8(22)申请日 2019.04.19(71)申请人 清华大学地址 100084 北京市海淀区清华园1号(72)发明人 方政翔　韩丰田　尹永刚　吴秋平　董景新　刘云峰　(74)专利代理机构 北京华进京联知识产权代理有限公司 11606代理人 熊曲　李旭亮(51)Int.Cl.G01P 15/097(2006.01)G01P 15/08(2006.01)G05D 23/19(2006.01)G05D 23/20(2006.01)(54)发明名称带有片上温控的微谐振式加速度计及微谐振装置(57)摘要本发明涉及微谐振系统技术领域，特别是涉及一种带有片上温控的微谐振式加速度计及微谐振装置。

该带有片上温控的微谐振式加速度计包括微谐振检测结构和加热结构，以及用于承载微谐振检测结构和加热结构的基底，加热结构沿微谐振检测结构的周向设置在微谐振检测结构周围的基底上。

本发明的带有片上温控的微谐振式加速度计，加热结构集成在基底上，通过控制加热结构加热，能够在谐振式加速度计结构内部实现温度的恒定控制，有效抑制环境温度变化对加速度计精度的影响，同时可避免使用体积大、功耗高的温度控制装置。

且采用包裹式的加热结构，加热结构分布在微谐振检测结构的四周，使得温度分布更均匀。

权利要求书2页 说明书7页 附图3页CN 110095633 A 2019.08.06C N 110095633A权　利　要　求　书1/2页CN 110095633 A1.一种带有片上温控的微谐振式加速度计，其特征在于，包括：微谐振检测结构和加热结构，以及用于承载所述微谐振检测结构和所述加热结构的基底，所述加热结构沿所述微谐振检测结构的周向设置在所述微谐振检测结构周围的所述基底上。

2.根据权利要求1所述的带有片上温控的微谐振式加速度计，其特征在于，所述加热结构包括第一加热梁、第二加热梁和第三加热梁，所述第一加热梁和所述第二加热梁关于所述第三加热梁对称，所述第一加热梁与所述第三加热梁围成第一框体，所述第二加热梁与所述第三加热梁围成第二框体，所述微谐振检测结构包括结构相同的第一检测体和第二检测体，所述第一检测体和所述第二检测体关于所述第三加热梁对称，所述第一检测体位于所述第一框体内侧，所述第二检测体位于所述第二框体内侧。