《單晶片三軸加速度感測器》是美新半導體（無錫）有限公司於2007年12月12日申請的發明專利，該專利的申請號為2007101912476，公布號為CN101187673，公布日為2008年5月28日，發明人是蔣樂躍、華亞平、蔡永耀，該專利屬於感測器技術領域。
《單晶片三軸加速度感測器》其基本原理為通過熱敏器件感應密封空腔體內的氣體熱對流，再通過計算輸出加速度信號。包括加熱絲溫度感測器平面上方的封裝腔和下方的刻蝕腔，對稱置於中心四周的四組感測器。在汽車、遊戲產業、航空、船舶導航系統、民用產品及軍事等領域中有廣泛的套用。該發明採用熱對流原理來檢測加速度信息，無質量塊，可工作在高量程下，耐衝擊，無粘連、顆粒等問題，成本低，故障率低，良品率高，靈敏度高，抗干擾強；相對於MEMSIC公司原來的單晶片雙軸熱對流加速度感測器，可以對加速度進行三維空間內的測量。
2014年11月6日，《單晶片三軸加速度感測器》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《單晶片三軸加速度感測器》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：單晶片三軸加速度感測器
- 公布號：CN101187673
- 公布日：2008年5月28日
- 申請號：2007101912476
- 申請日：2007年12月12日
- 申請人：美新半導體（無錫）有限公司
- 地址：江蘇省無錫市新區新華路5號無錫創新創意產業園D－C304
- 發明人：蔣樂躍、華亞平、蔡永耀
- 分類號：G01P15/00（2006.01）；G01P15/18（2006.01）；G01F1/684（2006.01）
- 代理機構：無錫市大為專利商標事務所
- 類別：發明專利
- 代理人：曹祖良
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
加速度感測器在交通運輸、民用產品、工業控制、機器人及軍事等領域都有著廣闊的套用前景。2007年12月前套用的加速度感測器，其普遍特點是需要檢驗質量塊，質量塊的存在會使得感測器耐衝擊能力弱、測量範圍窄、可靠性低、尺寸不易減小、成本不易降低。另外，對質量塊運動的檢測也存在這樣或那樣的問題，比如壓電或者壓阻式加速度計受溫度影響比較明顯，而電容式加速度計則受初始寄生電容影響較大。
上述問題促使人們尋求不用質量塊的加速度感測器。1996年，美國專利5581034提出了一種以流體作為工作介質的加速度感測器，並採用常規的機械加工方法給予了實現，其示意圖如圖1所示，圖中1，5為地線接頭，9，12為溫度感測器，2，4，6，8為溫度感測器接頭，11為加熱絲，3，7為加熱絲的接頭，10為密封容器，13為加速度方向。它的工作原理為：當加熱絲11通電流加熱的時候，它的溫度升高，靠近它周圍的流體溫度也相應升高，從而在密封腔體內形成自然對流。當沒有加速度作用於此器件的時候，氣體的流動和傳熱以加熱絲為軸對稱分布於兩邊，兩個對稱布置的溫度感測器9，12檢測到相同的溫度，而當有加速度13作用於此器件的時候，腔體中的流動和換熱將不再對稱分布，兩個溫度感測器9，12將檢測到不同的溫度，它們之間的溫度差比例於加速度的大小，加速度越大，腔體內的自由對流的不對稱性越強，溫差也就越大。通過檢測溫度差就可以獲得加速度的大小。上述加速度計由於採用氣體作為工作介質，克服了一般的加速度計中採用質量塊帶來的問題，具有較多優點。該加速度感測器的不足之處在於：1）結構尺寸大，回響頻率低；2）靈敏度差；3）輸出信號非線性。
2002年，中國專利02116842.3提出的微型矽橋式熱對流加速度感測器，其示意圖如圖2所示。它主要由矽基17、用於提供自然對流空間的腔體16、加熱絲14、溫度感測器151、152、153、154和其對應的電接觸片181、182、183和184構成。測試電路採用橋式電路。其中，靠近加熱絲的第一對感測器可位於距離加熱絲0.2-0.3倍於腔體半長的位置處，第二對感測器可距離第一對感測器1-3倍的加熱絲寬度的位置處，所說的腔體高度可為10-15倍於加熱絲的厚度。該矽微對流加速度計採用矽材料作為基本材料，採用矽微加工工藝製造，工作介質在套用於高靈敏度的場合時採用密度大的氣體，而在需要高回響頻率時採用小密度氣體。該熱對流加速度計利用四個溫度感測器對稱布置來檢測加速度信號，使得器件的靈敏度和線性度有了很大的提高。
2001年，美國專利6182509B1提出了一種基於熱對流原理的高靈敏度MEMS集成加速度感測器。一個被放置在矽晶片中央的熱源在一個空腔中產生一個懸浮的熱氣團，同時熱電耦組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向，由於自由對流熱場的傳遞性和慣性原理，任何方向的加速度會使中間的熱氣團移動，從而導致熱場的不對稱性。此時四個熱電耦組的輸出電壓會出現差異，而熱電耦組輸出電壓的差異直接與所感應的加速度成比例。在加速度感測器內部有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑，一條是用於測量X軸上所感應的加速度，另一條則用於測量Y軸上所感應的加速度。這是MEMSIC公司所獨有的將感測器與信號處理電路集成在同一塊CMOS晶片上的MEMS加速度感測器產品，具有易製造，可靠性高，成本低的優點，但無法測量出Z軸方向的加速度，很多性能無法在三維空間得到充分地發揮。
發明內容
專利目的
《單晶片三軸加速度感測器》的目的在於提供一種單晶片三軸加速度感測器，以縮小感測器的體積、降低成本、提高可靠性、改善性能。
熱對流型加速度感測器正在占領越來越大的市場份額，但熱對流型加速度感測器至今未有3軸產品面試。該發明的目的是為克服已有技術的不足之處，套用熱對流原理，在MEMSIC公司原有的單晶片雙軸加速度感測器的基礎上，提出一種單晶片三軸加速度感測器，並對結構參數和工作介質進行了最佳化選取。
技術方案
按照《單晶片三軸加速度感測器》提供的技術方案，所述方法包括：
a）利用熱對流的原理來實現對加速度的測量；
b）該熱對流的流體介質是液體或氣體；
c）該方法需要在該晶片矽襯底上刻蝕形成一個開放的刻蝕腔；
d）在刻蝕腔的上表面有懸空的橋樑結構，在該橋樑結構上設定加熱絲，以及測溫用的溫度感測器；其中，晶片表面為X軸與Y軸構成的平面，Z軸垂直晶片表面；
e）封裝後該晶片上方有一個比刻蝕腔大的封裝腔，該刻蝕腔和該封裝腔形成整個對流空間；
f）在該對流空間充滿該流體介質；
g）該加熱用的加熱絲使用毫瓦級的功耗加熱，使得該對流空間形成溫度梯度。
所述刻蝕腔、封裝腔、橋樑結構、加熱絲和溫度感測器關於X軸與Z軸構成的平面及關於Y軸與Z軸構成的平面分別對稱。
在設定加熱絲和溫度感測器時，在X軸的正向、X軸的負向、Y軸的正向及Y軸的負向4個方向各有一測量群，每一測量群包含一組電阻絲和兩組溫度感測器，一組加熱絲包含有一個或兩個加熱絲，一組溫度感測器包含若干個溫度感測器。
該測量群中兩組溫度感測器在該組加熱絲的兩側。或者，該測量群中兩組溫度感測器在該組加熱絲的同一側。
兩組溫度感測器和該組的加熱絲分別在平行的橋樑結構上，靠近中心的溫度感測器為內組溫度感測器，靠近刻蝕腔外邊沿的為外溫度感測器；四測量群的四組內組溫度感測器所在的橋樑結構圍成一個內四方環，外組溫度感測器所在的橋樑結構也組成一個外四方環，加熱絲所在橋樑結構也組成四方環。
所述溫度感測器包括熱電偶、熱敏電阻或pn結熱敏器件。所述溫度感測器組測量的溫度是單點的絕對溫度，或者是點與點之間的相對溫度。各組溫度感測器測量兩點間的相對溫度，其中一點在感測器所在橋樑結構的中心，另一點在端部。每個溫度感測器組用兩個熱電偶組，每個熱電偶組占據半個橋樑結構，兩個熱電偶組各有一端在該橋樑結構的中心，另一端分別在該橋樑結構的兩個端部。
在加熱絲與溫度感測器平面上方封裝腔和下方刻蝕腔的對流空間大小形狀不同，封裝的空腔大，刻蝕的空腔小，導致在加熱絲平面內的氣體流向與z方向的加速度有關。氣流同加速度方向的關係如圖6。當運動加速度向上時，可以等效為晶片正放，重力加速度向下。這時，在刻蝕空腔中心，加熱絲位置熱氣體上升，氣流由下向上，周圍氣流下降，刻蝕腔上表面，即加熱絲平面的氣流會由邊緣流向中心以補償在加熱絲處向上流出的氣體。反之當加速度反向時，氣流從中間到邊沿。溫度感測器處的溫度會隨著加速度的方向和大小變化而改變，從而測得加速度。
改善效果
《單晶片三軸加速度感測器》的特點和套用範圍：
1、將三軸加速度測量和信號積體電路同時集成在一個晶片上，可以在不同場合下套用，特別適合測量大加速度和存在強衝擊的情況下工作；
2、採用矽微加工技術製造，具有尺寸小、成本低、性能好的特點；
3、對結構參數和工作介質作了最佳化，使器件性能得到了提高；
4、採用四組溫度感測器對稱布置來檢測加速度信號，使得器件的靈敏度和線性度得到很大的提高。
附圖說明
圖1為美國專利5581034的結構示意圖；
圖2為中國專利02116842.3的結構示意圖；
圖3為實施例1的俯視示意圖；
圖4為實施例1的剖視示意圖；
圖5為實施例1的剖視結構圖；
圖6為實施例1晶片正面朝上的氣流圖；
圖7為實施例1晶片正面朝下的氣流圖；
圖8為實施例2的俯視示意圖；
圖9為實施例2的剖視示意圖；
圖10為實施例2的剖視結構圖；
圖11為實施例2晶片正面朝上的氣流圖；
圖12為實施例2晶片正面朝下的氣流圖。
權利要求
1.《單晶片三軸加速度感測器》其特徵是：
a、在晶片（1）的矽襯底上刻蝕形成一個開放的刻蝕腔（2）；
b、在刻蝕腔的上表面有懸空的橋樑結構（3），在該橋樑結構上設定加熱絲（4），以及測溫用的溫度感測器（5）；其中，晶片表面為X軸與Y軸構成的平面，Z軸垂直晶片表面；
c、用LCC8封裝後，該晶片上方有一個比刻蝕腔大的封裝腔（6），該刻蝕腔（2）和該封裝腔（6）形成整個對流空間；
d、在該對流空間充滿該流體介質；
e、該加熱用的加熱絲（4）使用毫瓦級的功耗加熱，使得該對流空間形成溫度梯度。
在設定加熱絲（4）和溫度感測器（5）時，在X軸的正向、X軸的負向、Y軸的正向及Y軸的負向4個方向各有一測量群，每一測量群包含一組加熱絲（4）和兩組溫度感測器（5），一組加熱絲（4）包含有一個或兩個加熱絲，一組溫度感測器（5）包含若干個溫度感測器；該測量群中兩組溫度感測器（5a）在該組加熱絲（4a）的兩側或同一側；兩組溫度感測器（5a）和該組的加熱絲（4a）分別在平行橋樑結構（3）上，靠近中心的溫度感測器（5a）為內組溫度感測器，靠近刻蝕腔（2）外邊沿的溫度感測器（5a）為外溫度感測器；四測量群的四組內組溫度感測器（7）所在的橋樑結構圍成一個內四方環，外組溫度感測器（8）所在的橋樑結構也組成一個外四方環，加熱絲（4a）所在橋樑結構也組成四方環。
2.如權利要求1所述單晶片三軸加速度感測器，其特徵是，所述刻蝕腔（2）、封裝腔（6）、橋樑結構（3）、加熱絲（4）和溫度感測器（5）關於X軸與Z軸構成的平面及關於Y軸與Z軸構成的平面分別對稱；所述熱對流的流體介質是液體或氣體；並利用熱對流的原理來實現對加速度的測量。
3.如權利要求1或2所述單晶片三軸加速度感測器，其特徵是，溫度感測器（5）包括熱電偶、熱敏電阻或pn結熱敏器件。
4.如權利要求1所述單晶片三軸加速度感測器，其特徵是，溫度感測器組測量的溫度是單點的絕對溫度，或者是點與點之間的相對溫度。
5.如權利要求1所述單晶片三軸加速度感測器，其特徵是，各組溫度感測器測量兩點間的相對溫度，其中一點感測器所在橋樑結構在（3）的中心，另一點在橋樑結構的端部。
實施方式
在實際測量中，從邊緣到中心的線上不同位置溫度變化幅度各不相同，可以在這條線上不同位置放置多組溫度感測器，再把這些感測器信號通過加減乘除進行合成，從而獲得最好的x軸方向，y軸方向和z軸方向的加速度信號。
該實施例1的示意圖如圖3所示，以4組介於中心和四邊的加熱絲和溫度感測器組代替原來雙軸加速度感測器的位於中心的加熱絲和4個方向的溫度感測器。不同加速度下的氣流如圖6，圖7所示。
共4個熱源，8個溫度感測器。可以通過該結構測量X軸，Y軸和Z軸三個方向的加速度。
X軸方向信號：（感測器2-感測器1）+（感測器3-感測器4）；Y軸方向信號：（感測器6-感測器5）+（感測器7-感測器8）；Z軸方向信號：（感測器1-感測器2）+（感測器3-感測器4）+（感測器5-感測器6）+（感測器7-感測器8）。
這種設計可以很大程度上消除信號的零點漂移和溫漂。
中心的4個感測器（1、3、5、7）也可以合併成一個放置於最中心位置。另外，還可以在中心位置再增加一個熱源加強Z軸方向對流，以提高Z軸的信號，不過這樣會使信號本底噪音加大，溫度特性也會有一定程度變化。
該實施例2的示意圖如圖8所示，氣體對流圖則如圖9，圖10所示。
在熱源平面，即矽片上表面，Z軸的溫度感測器比X軸和Y軸的溫度感測器更靠近熱源。X軸、Y軸、Z軸溫度感測器信號都會隨著Z軸方向的加速度變化而變化，只是變化幅度不同。可以通過Z軸的溫度感測器得到Z軸方向的加速度。還可以把Z軸的溫度感測器信號與XY感測器信號通過一定的手段對比處理，即（Z軸感測器/X軸感測器+Y軸感測器）或（Z軸感測器-（X軸感測器+Y軸感測器）），在一定程度上消除本底和溫度漂移，使信號有更好的溫度特性。
X軸方向信號：感測器X1-感測器X2；Y軸方向信號：感測器Y1-感測器Y2；Z軸方向信號：感測器Z，或感測器Z/（感測器X1+感測器X2+感測器Y1+感測器Y2）。
在上述方法中Z軸感測器在XY方向對稱放置了4組是為了抵消XY方向加速度對Z軸加速度測量的影響。
榮譽表彰
2014年11月6日，《單晶片三軸加速度感測器》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
