一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片及其工作方法

1.本发明主要涉及硅微加速度传感器领域，具体涉及一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片及其工作方法。

背景技术：

2.工业振动监测是实现设备装置状态监测与智能运维的关键基础，是工业4.0智能制造中不可或缺的一环。一方面，设备早期的故障特征振动频率往往较高(》10khz)且信号较微弱，这对于传感器的频响带宽以及灵敏度提出了较高的要求；另外一方面，由于设备使用过程中由于早期故障等因素导致振动特性变化大，这就要求传感器有较大量程。
3.压阻式加速度传感器由于其量程和频响带宽大，且结构及后处理电路简单，在高频响高量程的加速度测量方面具有独特优势。然而，在传统的压阻式微加速度传感芯片中，敏感元件在支撑梁上导致高灵敏度和固有频率(决定频响上限的参数)相互制约。
4.目前，通过将敏感元件与支撑元件分离，可以实现在较高固有频率的情况下仍能获得较大的灵敏度。同时，由于灵敏度敏感梁横向应力σ
t
越小则整体输出灵敏度越高，且惯性能量利用率也越高。因此，专利cn110526200a和cn201910684531.x等提出了基于纯轴向变形敏感梁的加速度敏感芯片。
5.上述纯轴向变形的敏感梁是依靠两个质量块镜像对称运动造成的敏感梁两端纵向相对位移为零，而横向形成挤压或者拉伸效应实现。这种巧妙的设计可以同时兼顾了高灵敏度和高频响动态特性。然而，由于之前公开的加速度敏感结构为直线型结构，芯体尺寸较大，且难以缩小，不利于成本的降低以及后续微型化集成安装。

技术实现要素：

6.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供方一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片及其工作方法，本发明设计的单轴加速度传感芯片尺寸相对较小，而且还具有高频响特性及高灵敏度的特点。
7.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
8.一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片，包括敏感芯体，敏感芯体包括固定框架、第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元、第四振动单元、第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁，第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁上均具有力敏电阻；固定框架的内框形状为矩形，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元结构相同并依次设置于固定框架内框的四角位置；
9.第一振动单元包括质量块和支撑梁，质量块上设有供支撑梁活动的凹槽，支撑梁的一端与固定框架内框的一拐角固定连接，支撑梁的另一端与质量块上的凹槽的底部连接；
10.第一振动单元的质量块上与第二振动单元的质量块相邻的侧面两端分别与第一敏感梁的一端以及第二敏感梁的一端连接，第一敏感梁的另一端与第二敏感梁的另一端分
别与第二振动单元的质量块上与第一振动单元的质量块相邻的侧面两端分别连接；
11.第三振动单元的质量块上与第四振动单元的质量块相邻的侧面两端分别与第三敏感梁的一端以及第四敏感梁的一端连接，第三敏感梁的另一端与第四敏感梁的另一端分别与第四振动单元的质量块上与第三振动单元的质量块相邻的侧面两端分别连接；
12.第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁相互平行。
13.优选的，所述凹槽为贯穿质量块厚度方向的凹槽。
14.优选的，支撑梁沿固定框架内框的对角线设置，质量块采用矩形质量块，质量块的各边与固定框架内框各边对应平行，凹槽从质量块的一顶角位置沿质量块的对角线开设。
15.优选的，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块之间、各质量块与固定框架内框之间以及质量块的凹槽与支撑梁之间均设有活动间隙。
16.优选的，固定框架内框边线的两条对称轴分别记为第一对称轴和第二对称轴；
17.第一振动单元和第二振动单元关于第一对称轴镜像对称，第二振动单元和第三振动单元关于第二对称轴镜像对称，第三振动单元和第四振动单元关于第一对称轴镜像对称，第四振动单元和第一振动单元关于第二对称轴镜像对称。
18.优选的，所述基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片的工作方向垂直于第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁。
19.优选的，第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁上的力敏电阻通过电路连接为惠斯通全桥，其中第一敏感梁上的力敏电阻和第二敏感梁上的力敏电阻彼此为邻臂，第一敏感梁上的力敏电阻和第四敏感梁上的力敏电阻彼此为邻臂，第一敏感梁上的力敏电阻和第三敏感梁上的力敏电阻彼此为对臂。
20.优选的，本发明基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片还包括基底，敏感芯体键合于基底上，敏感芯体的第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元与基底之间留有运动间隙。
21.优选的，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元的厚度小于固定外框的厚度，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元与基底表面之间留有间隙；
22.或者，基底上在固定外框内框对应的区域设有凹腔，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元位于所述凹腔的上方。
23.本发明如上所述的基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片的工作方法，包括以下过程：
24.将第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁上的力敏电阻通过电路连接为惠斯通全桥，其中第一敏感梁上的力敏电阻和第二敏感梁上的力敏电阻彼此为邻臂，第一敏感梁上的力敏电阻和第四敏感梁上的力敏电阻彼此为邻臂，第一敏感梁上的力敏电阻和第三敏感梁上的力敏电阻彼此为对臂；
25.当所测量的外界的加速度沿垂直于第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁方向运动时，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块由于惯性作用保持不动，固定框架与外界运动一致，此时第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块均以各自对应的支撑梁的根部为中心沿与外界的加速度方向相反的反方向变形，此时第一敏感梁受压、第二敏感梁受拉、第三敏感梁受压、第
四敏感梁受拉；
26.当所测量的外界的加速度沿平行于第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁方向运动时，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块由于惯性作用保持不动，固定框架与外界运动一致，此时第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块均以各自对应的支撑梁的根部为中心沿与外界的加速度方向相反的反方向变形，此时第一敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0，第二敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0，第三敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0，第四敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0；
27.当所测量的外界的加速度沿垂直于敏感芯体所在平面方向运动时，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块由于惯性作用保持不动，固定框架与外界运动一致，此时第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块均向与外界的加速度方向相反的反方向变形，且质量块上远离支撑梁处的部分变形约束相对更小、位移相对更大，此时第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁都受压。
28.与现有技术相比，本发明的优点在于：
29.本发明基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片中，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元结构相同并依次设置于固定框架内框的四角位置，振动单元中，支撑梁的一端与固定框架内框的一拐角固定连接、另一端与质量块上的凹槽的底部连接；该单轴加速度传感芯片在工作时，当所测量的外界的加速度沿垂直于第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁方向运动时，第一敏感梁受压、第二敏感梁受拉、第三敏感梁受压、第四敏感梁受拉；当所测量的外界的加速度沿平行于第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁方向运动时，第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁整体呈现平均应力为0；当所测量的外界的加速度沿垂直于敏感芯体所在平面方向运动时，第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁都受压。可以看出，本发明可以产生敏感梁纯轴向拉伸或者压缩的效果；另外一方面，这样可以显著地降低了小尺寸下芯片可动结构的整体刚度，使得小尺寸下，敏感芯体仍具有较好的灵敏度及高带宽特性。
附图说明
30.图1是本发明基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片的整体结构示意图；
31.图2是本发明基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片力敏电阻布片图；
32.图3(a)是本发明基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片轴间加速度解耦示意图(沿图2所示的y向)；图3(b)是本发明基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片轴间加速度解耦示意图(沿图2所示的x向)；图3(c)是本发明基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片轴间加速度解耦示意图(沿图2所示的z向(垂直于图2的纸面方向))；
33.图4是本发明基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片的解耦输出电路图。
34.图中，1-敏感芯体，2-基底，3-固定外框，3-1-平台，4-支撑梁，5-质量块，5-1-凹槽，6-敏感梁。
具体实施方式
35.以下将结合具体实例和说明书附图对本发明作进一步详细说明。
36.如图1、图2、图3(a)-图3(c)，本发明基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片包括敏感芯体1，敏感芯体1包括固定框架3、第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元、第四振动单元和敏感梁6，敏感梁6共设置四个，分别记为第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁，以图2所示方位为例，从上至下依次为第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁；固定框架3的内框形状为矩形，固定框架3也可以整体设置为环状矩形，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元结构相同并依次设置于固定框架3内框的四角位置，以图2所示方位为例，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元分别为左上角、右上角、右下角和左下角的振动单元；敏感梁6的结构尺寸远小于(在可以做到的条件下尽可能小)支撑梁，以便于集中利用惯性能量以提高灵敏度；敏感梁6的长度设定为在工艺可能实现的基础上尽可能地减小以提高器件固有频率及灵敏度。
37.具体的，第一振动单元包括质量块5和支撑梁4，质量块5上设有供支撑梁4活动的凹槽5-1，凹槽5-1为贯穿质量块5厚度方向的凹槽，支撑梁4沿固定框架3内框的对角线设置，质量块5采用矩形质量块，质量块5的各边与固定框架3内框各边对应平行，凹槽5-1从质量块5的一顶角位置沿质量块5的对角线开设，支撑梁4的一端与固定框架3内框的一拐角固定连接，支撑梁4的另一端与质量块5上的凹槽5-1的底部中部连接；各质量块5之间、各质量块5与固定框架3内框之间以及质量块5的凹槽5-1与支撑梁4之间均设有活动间隙，保证整个芯片的正常振动。固定框架3内框的边两条对称轴分别记为第一对称轴(如图2所示竖直方向的对称轴)和第二对称轴(如图2所示水平方向的对称轴)，第一振动单元和第二振动单元关于第一对称轴左右镜像对称，第二振动单元和第三振动单元关于第二对称轴上下镜像对称，第三振动单元和第四振动单元关于第一对称轴左右镜像对称，第四振动单元和第一振动单元关于第二对称轴上下镜像对称。上述结构中，通过矩形对角线形式布置各支撑梁，可以显著降低在小尺寸下支撑梁-质量块体系刚度，为小芯片尺寸下实现高频响和高灵敏度提供可能；
38.以图2所示方位为例，第一振动单元的质量块5右侧面上下两端分别与第一敏感梁的左端以及第二敏感梁的左端连接，第一敏感梁的右端与第二敏感梁的右端分别与第二振动单元的质量块5左侧面上下两端分别连接；
39.第三振动单元的质量块5的左侧面上下两端分别与第三敏感梁的右端以及第四敏感梁的右端连接，第三敏感梁的左端与第四敏感梁的左端分别与第四振动单元的质量块5的右侧面上下两端分别连接；如图2所示，第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁均水平设置、相互平行。
40.本发明单轴加速度传感芯片，的工作方向为垂直于敏感梁的方向。优选的，布置敏感梁长度方向x方向，传感器工作方向为y方向。
41.从本发明基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片的结构可以看出，本发明采用折线型的敏感结构构型，即将支撑梁置于矩形固定外框的对角线方向，并沿着矩形质量块的对角线方向连接质量块。一方面，可以实现双质量块镜像变形进而产生其之间敏感梁纯轴向拉伸或者压缩的效果；另外一方面，这样可以显著地降低了小尺寸下芯片可动结构的
整体刚度，使得小尺寸下，敏感芯体仍具有较好的灵敏度及高带宽特性。
42.本发明如上所述的基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片的工作原理如下：
43.参见图4，第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁上对应的力敏电阻分别为r1、r2、r3和r4，将第一敏感梁对应的r1、第二敏感梁对应的r2、第三敏感梁对应的r3和第四敏感梁对应的r4通过电路连接为惠斯通全桥，其中第一敏感梁对应的r1和第二敏感梁对应的r2彼此为邻臂，第一敏感梁对应的r1和第四敏感梁对应的r4彼此为邻臂，第一敏感梁对应的r1和第三敏感梁对应的r3彼此为对臂；通过在r1-r4以及r3-r3之间加载输入电压，在r1-r2以及r3-r4之间输出差分电压实现传感器的轴间解耦并降低环境因素(温度和湿度等)对传感器输出的影响。本发明所提出的敏感结构，两个敏感单元以及单元内部结构均采用镜像对称布置，能形成惠斯通全桥，进而有效消除因环境变化引起的漂移问题，提高传感器的输出精度以及灵敏度。此外，通过较大厚度的支撑梁以及三角形的梁-质量块结构布置，分别对z方向及面内非工作方向的加速度响应进行抑制，再通过惠斯通电桥进一步进行解耦，显著降低了加速度传感器的交叉轴灵敏度。
44.参见图2和图3(a)，当所测量的外界的加速度沿垂直于第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁方向(即图2、图3(a)中所示y向，y方向为该芯片的运动方向)运动时，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块5由于惯性作用保持不动，固定框架3与外界运动一致，此时第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块5均以各自对应的支撑梁4的根部为中心沿与外界的加速度方向相反的反方向变形，此时第一敏感梁上的r1受压、第二敏感梁上的r2受拉、第三敏感梁上的r3受压、第四敏感梁上的r4受拉；
45.参见图2和图3(b)，当所测量的外界的加速度沿平行于第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁方向(即图2、图3(b)中所示x向)运动时，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块5由于惯性作用保持不动，固定框架3与外界运动一致，此时第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块5均以各自对应的支撑梁4的根部为中心沿与外界的加速度方向相反的反方向变形，此时第一敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0，第二敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0，第三敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0，第四敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0；
46.参见图2和图3(c)，当所测量的外界的加速度沿垂直于敏感芯体1所在平面方向(即图2、图3(b)中所示，垂直于xy平面的方向)运动时，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块5由于惯性作用保持不动，固定框架3与外界运动一致，此时第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块5均向与外界的加速度方向相反的反方向变形，且质量块5上远离支撑梁4处的部分(即质量块5上靠近整个芯片中心的部分)变形约束相对更小、位移相对更大，此时第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁都受压。从图3(a)-图3(c)可以看出，当加速度沿工作方向(y向)时，r1、r2、r3和r4阻值变化存在明显的正负性，因此可以通过合理的电路设计可以实现加速度测量交叉轴解耦。
47.作为本发明优选的方案，固定外框3的各拐角部位设置平台3-1(相当于内倒角，倒角为平面)，这样可以降低加工难度、减小支撑梁沿宽度方向摆动阻力。此外，支撑梁4与质
量块5之间、支撑梁4与固定外框3的平台3-1之间、敏感梁6与质量块5之间的连接处均设置一定的圆角以降低应力集中，提高应力均匀性，进而提高器件抗过载能力及可靠性。优选的，圆角尺寸为圆角两端连接结构最小宽度的一半。例如，支撑梁与固定框架以及支撑梁与质量块连接处的圆角为支撑梁梁宽的一半。基底2与敏感芯体1在xy面内尺寸一致，基底2材料为玻璃或陶瓷。优选的，基底2材质为bf33玻璃。
48.作为本发明优选的方案，本发明敏感芯体1可设置于一基底2，敏感芯体1键合于基底2上，敏感芯体1的第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元与基底2之间留有运动间隙，以保证质量块的正常振动。该运动间隙的设置形式可以是如下两种：
49.第一种形式：第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元的厚度小于固定外框3的厚度，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元与基底2表面之间留有间隙；
50.第二种形式：基底2上在固定外框3内框对应的区域设有凹腔，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元悬空于所述凹腔的上方。
51.作为本发明优选的方案，敏感梁厚度和宽度在数μm量级，长度在几十μm，而支撑梁厚度、宽度和长度分别为几百μm、几十μm，以及几百μm。优选的，所述敏感梁厚度、宽度和长度分别为5μm、3μm和50μm；所述支撑梁厚度、宽度和长度分别为500μm、30μm和300μm。
52.实施例
53.本实施例以具有基底2的单轴加速度传感芯片为例，本实施例中，敏感芯体1敏感芯体采用n型(100)晶面soi晶圆制作，其尺寸为1mm(长)*1mm(宽)*0.5mm(厚)；基底2的尺寸为1mm(长)*1mm(宽)*0.3mm(厚)；所述敏感梁6的尺寸为50μm(长)*3μm(宽)*5μm(厚)；所述支撑梁4的尺寸为300μm(长)*30μm(宽)*500μm(厚)；所述质量块5的尺寸为0.38mm(长)*0.38mm(宽)*0.5mm(厚)，切边长度0.12mm；所述质量块-质量块、质量块-固定框架，以及质量块-支撑梁之间的运动间隙为0.05mm。
54.本实施例基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片的制造工艺包括如下步骤：
55.步骤1)n型soi硅片双面热氧化：在晶圆rca清洗后，采用干-湿复合热氧氧化制备soi晶圆器件层和底层表面氧化层；
56.步骤2)轻掺杂力敏电阻制备：利用光刻和等离子体刻蚀去除器件层力敏电阻对应区域热氧制备的二氧化硅层，通过较低剂量等离子注入硼离子，形成轻掺杂力敏电阻区；所述较低剂量为8
×
10
14
cm-2
；
57.步骤3)重掺杂欧姆接触区制备：利用光刻和等离子体刻蚀去除器件层力敏电阻两端重掺杂区域表面热氧制备的氧化硅层，通过较高剂量等离子注入硼离子，形成重掺杂欧姆接触区的，所述较高剂量为1
×
10
16
cm-2
；
58.步骤4)金属引线焊盘制备：利用光刻和溅射在器件层表面重掺杂欧姆接触及焊盘区域沉积金属，形成引线和焊盘；金属引线及焊盘材料为au/pt/ti或au/cr；
59.步骤5)力敏电阻钝化层制备：通过pecvd在器件层上方制备钝化层；所述钝化层为siox；
60.步骤6)器件层应力释放：通过快速退火，修复等离子体注入掺杂过程对硅晶格的损伤，以提高欧姆电气接触，同时降低pecvd制备的钝化层膜内应力。快速退火时，升温速率为100～150℃/s，保温温度为1000～1150℃，保温时间为10s。
61.步骤7)背腔活动区域刻蚀：利用光刻及rie进行底层刻蚀出支撑梁和质量块的活动区域。
62.步骤8)敏感芯体-基底键合：采用溅射在基底上沉积金属层，再通过阳极键合将基底与敏感芯体晶圆底层键合。
63.步骤9)器件层刻蚀释放可动结构：利用光刻及rie对可动结构中间运动间隙区域soi器件层及埋层氧化硅进行刻蚀，释放可动结构，所述背腔刻蚀的深度为300nm。
64.步骤10)器件结构应力释放：采用低温退火工艺处理刻蚀及键合加工后的晶圆以释放结构应力。其中，低温退火时，保温温度为300℃，保温时间为4h。
65.步骤11)划片：采用机械或者激光划片，将敏感芯片切出，压阻式加速度传感器芯片制作完成。
66.上述制备工艺中，4个力敏电阻r1、r2、r3、r4均为同一步工艺制作，能够保证电阻均一性，便于后续惠斯通电桥对环境及交叉轴向加速度进行解耦。本发明所提出的制造工艺，在基底与敏感芯体键合前对敏感芯体底层质量块z轴方向运动间隙进行刻蚀，使后续键合无需精确对准，大大降低了后续键合的难度，便于优化低应力键合工艺，提高了芯片加工成品率。

技术特征：

1.一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片，其特征在于，包括敏感芯体(1)，敏感芯体(1)包括固定框架(3)、第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元、第四振动单元、第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁，第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁上均具有力敏电阻；固定框架(3)的内框形状为矩形，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元结构相同并依次设置于固定框架(3)内框的四角位置；第一振动单元包括质量块(5)和支撑梁(4)，质量块(5)上设有供支撑梁(4)活动的凹槽(5-1)，支撑梁(4)的一端与固定框架(3)内框的一拐角固定连接，支撑梁(4)的另一端与质量块(5)上的凹槽(5-1)的底部连接；第一振动单元的质量块(5)上与第二振动单元的质量块(5)相邻的侧面两端分别与第一敏感梁的一端以及第二敏感梁的一端连接，第一敏感梁的另一端与第二敏感梁的另一端分别与第二振动单元的质量块(5)上与第一振动单元的质量块(5)相邻的侧面两端分别连接；第三振动单元的质量块(5)上与第四振动单元的质量块(5)相邻的侧面两端分别与第三敏感梁的一端以及第四敏感梁的一端连接，第三敏感梁的另一端与第四敏感梁的另一端分别与第四振动单元的质量块(5)上与第三振动单元的质量块(5)相邻的侧面两端分别连接；第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁相互平行。2.根据权利要求1所述的一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片，其特征在于，所述凹槽(5-1)为贯穿质量块(5)厚度方向的凹槽。3.根据权利要求1所述的一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片，其特征在于，支撑梁(4)沿固定框架(3)内框的对角线设置，质量块(5)采用矩形质量块，质量块(5)的各边与固定框架(3)内框各边对应平行，凹槽(5-1)从质量块(5)的一顶角位置沿质量块(5)的对角线开设。4.根据权利要求1所述的一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片，其特征在于，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块(5)之间、各质量块(5)与固定框架(3)内框之间以及质量块(5)的凹槽(5-1)与支撑梁(4)之间均设有活动间隙。5.根据权利要求1所述的一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片，其特征在于，固定框架(3)内框边线的两条对称轴分别记为第一对称轴和第二对称轴；第一振动单元和第二振动单元关于第一对称轴镜像对称，第二振动单元和第三振动单元关于第二对称轴镜像对称，第三振动单元和第四振动单元关于第一对称轴镜像对称，第四振动单元和第一振动单元关于第二对称轴镜像对称。6.根据权利要求1所述的一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片，其特征在于，所述基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片的工作方向垂直于第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁。7.根据权利要求1所述的一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片，其特征在于，第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁上的力敏电阻通过电路连接为惠斯通全桥，其中第一敏感梁上的力敏电阻和第二敏感梁上的力敏电阻彼此为邻臂，第一敏感梁
上的力敏电阻和第四敏感梁上的力敏电阻彼此为邻臂，第一敏感梁上的力敏电阻和第三敏感梁上的力敏电阻彼此为对臂。8.根据权利要求1所述的一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片，其特征在于，还包括基底(2)，敏感芯体(1)键合于基底(2)上，敏感芯体(1)的第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元与基底(2)之间留有运动间隙。9.根据权利要求8所述的一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片，其特征在于，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元的厚度小于固定外框(3)的厚度，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元与基底(2)表面之间留有间隙；或者，基底(2)上在固定外框(3)内框对应的区域设有凹腔，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元以及第四振动单元位于所述凹腔的上方。10.权利要求1所述的一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片的工作方法，其特征在于，包括以下过程：将第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁上的力敏电阻通过电路连接为惠斯通全桥，其中第一敏感梁上的力敏电阻和第二敏感梁上的力敏电阻彼此为邻臂，第一敏感梁上的力敏电阻和第四敏感梁上的力敏电阻彼此为邻臂，第一敏感梁上的力敏电阻和第三敏感梁上的力敏电阻彼此为对臂；当所测量的外界的加速度沿垂直于第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁方向运动时，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块(5)由于惯性作用保持不动，固定框架(3)与外界运动一致，此时第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块(5)均以各自对应的支撑梁(4)的根部为中心沿与外界的加速度方向相反的反方向变形，此时第一敏感梁受压、第二敏感梁受拉、第三敏感梁受压、第四敏感梁受拉；当所测量的外界的加速度沿平行于第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁方向运动时，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块(5)由于惯性作用保持不动，固定框架(3)与外界运动一致，此时第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块(5)均以各自对应的支撑梁(4)的根部为中心沿与外界的加速度方向相反的反方向变形，此时第一敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0，第二敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0，第三敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0，第四敏感梁的两侧既有拉应力又有压应力、整体呈现平均应力为0；当所测量的外界的加速度沿垂直于敏感芯体(1)所在平面方向运动时，第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块(5)由于惯性作用保持不动，固定框架(3)与外界运动一致，此时第一振动单元、第二振动单元、第三振动单元和第四振动单元的质量块(5)均向与外界的加速度方向相反的反方向变形，且质量块(5)上远离支撑梁(4)处的部分变形约束相对更小、位移相对更大，此时第一敏感梁、第二敏感梁、第三敏感梁和第四敏感梁都受压。

技术总结

本发明公开了一种基于纯轴向应变梁的单轴加速度传感芯片及其工作方法，敏感梁上均具有力敏电阻；固定框架的内框形状为矩形，所有振动单元相同并依次设置于固定框架内框的四角位置；质量块上设有供支撑梁活动的凹槽，支撑梁的一端与固定框架内框的一拐角固定连接，支撑梁的另一端与质量块上的凹槽的底部连接；第一、二振动单元的质量块相邻侧面两端之间设置敏感梁；第三、四振动单元的质量块相邻的侧面两端之间设置敏感梁；所有敏感梁相互平行。本发明可以产生敏感梁纯轴向拉伸或者压缩的效果；另外一方面，这样可以显著地降低了小尺寸下芯片可动结构的整体刚度，使得小尺寸下，敏感芯体仍具有较好的灵敏度及高带宽特性。敏感芯体仍具有较好的灵敏度及高带宽特性。敏感芯体仍具有较好的灵敏度及高带宽特性。