2024年6月14日发(作者：智虹雨)
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书
(21)申请号 CN2.0
(22)申请日 2012.07.21
(71)申请人 中北大学
地址 030051 山西省太原市学院路3号
(72)发明人 张文栋 何常德 张国军 薛晨阳 熊继军 刘俊 张永平 杜春晖
(74)专利代理机构 太原科卫专利事务所(普通合伙)
代理人 朱源
(51)
(10)申请公布号 CN 102768291 A
(43)申请公布日 2012.11.07
权利要求说明书 说明书 幅图
(54)发明名称
压阻式单片集成四梁三轴加速度计
(57)摘要
本发明涉及MEMS传感器领域中
的加速度传感器，具体是一种压阻式单片
集成四梁三轴加速度计，解决了现有压阻
式三轴加速度计存在结构复杂，灵敏度
低，轴间耦合大的问题。该加速度计包括
四根弹性悬臂梁、质量块和支撑边框，质
量块四个边分别通过一根弹性悬臂梁支悬
于支撑边框的中心位置，支撑边框下表面
通过静电键合技术与玻璃基板键合，十六
个阻值相等的压敏电阻对称均布在四根弹
性悬臂梁的两端，十六个压敏电阻连接分
别构成三个惠斯通电桥分别检测三个轴向
的加速度信号。本发明加速度计结构简
单、灵敏度高、轴间耦合低、可靠性高、
成本低廉、易于一体化加工，以其生产加
工的加速度计应用范围广阔。
法律状态
法律状态公告日
法律状态信息
2021-07-06
未缴年费专利权终止
2014-06-25
授权
2012-12-26
实质审查的生效
2012-11-07
公开
法律状态
未缴年费专利权终止
授权
实质审查的生效
公开
权 利 要 求 说 明 书
1.一种压阻式单片集成四梁三轴加速度计，包括支撑边框（1）、弹性悬臂梁（2）
以及通过弹性悬臂梁（2）支悬于支撑边框（1）中心位置的质量块（3），质量块
（3）的四个边分别通过一根弹性悬臂梁（2）与支撑边框（1）固定，支撑边框（1）
的下表面超出质量块（3）的下表面，且支撑边框（1）下表面通过静电键合技术键
合有玻璃基座（4），其特征在于：固定于支撑边框（1）与质量块（3）之间的四
根弹性悬臂梁（2）上对称均布有十六个阻值相等的应变压敏电阻（R1、R2、R3、
R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16），每根弹
性悬臂梁（2）上的四个应变压敏电阻两两对称分布于弹性悬臂梁（2）的两端，并
且同一端的两个应变压敏电阻以弹性悬臂梁（2）的中心轴线对称分布；第一应变
压敏电阻（R1）和第二应变压敏电阻（R2）分布于X轴负方向的弹性悬臂梁（2-1）
上，第一应变压敏电阻（R1）位于该弹性悬臂梁（2-1）上四个应变压敏电阻组合
位置的左上方，第二应变压敏电阻（R2）位于该弹性悬臂梁（2-1）上四个应变压
敏电阻组合位置的右下方，第三应变压敏电阻（R3）和第四应变压敏电阻（R4）
分布于X轴正方向的弹性悬臂梁（2-2）上，第三应变压敏电阻（R3）位于该弹性
悬臂梁（2-2）上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第四应变压敏电阻（R4）
位于该弹性悬臂梁（2-2）上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，并且上述四个
应变压敏电阻（R1、R2、R3、R4）之间连接成一个检测X轴方向信号的惠斯通电
桥，其中，第一应变压敏电阻（R1）和第二应变压敏电阻（R2）连接在该惠斯通
电桥的一个输入端上，第三应变压敏电阻（R3）和第四应变压敏电阻（R4）连接
在该惠斯通电桥的另一个输入端上，第一应变压敏电阻（R1）和第三应变压敏电
阻（R3）连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二应变压敏电阻（R2）和第四
应变压敏电阻（R4）连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第五应变压敏电阻
（R5）和第六应变压敏电阻（R6）分布于Y轴负方向的弹性悬臂梁（2-3）上，第
五应变压敏电阻（R5）位于该弹性悬臂梁（2-3）上四个应变压敏电阻组合位置的
左下方，第六应变压敏电阻（R6）位于该弹性悬臂梁（2-3）上四个应变压敏电阻
组合位置的右上方，第七应变压敏电阻（R7）和第八应变压敏电阻（R8）分布于
Y轴正方向的弹性悬臂梁（2-4）上，第七应变压敏电阻（R7）位于该弹性悬臂梁
（2-4）上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第八应变压敏电阻（R8）位于该
弹性悬臂梁（2-4）上四个压敏电阻组合位置的右下方，并且上述四个应变压敏电
阻（R5、R6、R7、R8）之间连接成一个检测Y轴方向信号的惠斯通电桥，其中，
第五应变压敏电阻（R5）和第六应变压敏电阻（R6）连接在该惠斯通电桥的一个
输入端上，第七应变压敏电阻（R7）和第八应变压敏电阻（R8）连接在该惠斯通
电桥的另一个输入端上，第五应变压敏电阻（R5）和第七应变压敏电阻（R7）连
接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第六应变压敏电阻（R6）和第八应变压敏电
阻（R8）连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第九应变压敏电阻（R9）和第
十应变压敏电阻（R10）分布于X轴负方向的弹性悬臂梁（2-1）上，第九应变压
敏电阻（R9）位于该弹性悬臂梁（2-1）上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，
第十应变压敏电阻（R10）位于该弹性悬臂梁（2-1）上四个应变压敏电阻组合位置
的右上方，第十一应变压敏电阻（R11）和第十二应变压敏电阻（R12）分布于X
轴正方向的弹性悬臂梁（2-2）上，第十一应变压敏电阻（R11）位于该弹性悬臂梁
（2-2）上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十二应变压敏电阻（R12）位于
该弹性悬臂梁（2-2）上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十三应变压敏电
阻（R13）和第十四应变压敏电阻（R14）布于Y轴负方向的弹性悬臂梁（2-3）上，
第十三应变压敏电阻（R13）位于该弹性悬臂梁（2-3）上四个应变压敏电阻组合位
置的左上方，第十四应变压敏电阻（R14）位于该弹性悬臂梁（2-3）上四个应变压
敏电阻组合位置的右下方，第十五应变压敏电阻（R15）和第十六应变压敏电阻
（R16）分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁（2-4）上，第十五应变压敏电阻（R15）
位于该弹性悬臂梁（2-4）上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十六应变压
敏电阻（R16）位于该弹性悬臂梁（2-4）上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，
并且上述八个应变压敏电阻（R9 、R10、 R11、R12、R13、 R14、R15、 R16）之
间连接成一个测Z轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第九应变压敏电阻（R9）和
第十二应变压敏电阻（R12）串联构成该惠斯通电桥的第一桥臂，第十应变压敏电
阻（R10）和第十一应变压敏电阻（R11）串联构成该惠斯通电桥的第二桥臂，第
十三应变压敏电阻（R13）和第十五应变压敏电阻（R15）串联构成该惠斯通电桥
的第三桥臂，第十四应变压敏电阻（R14）和第十六应变压敏电阻（R16）串联构
成该惠斯通电桥的第四桥臂，并且第一桥臂上的第九应变压敏电阻（R9）、第十
二应变压敏电阻（R12）和第二桥臂上的第十应变压敏电阻（R10）、第十一应变
压敏电阻（R11）连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第三桥臂上的第十三应变
压敏电阻（R13）、第十五应变压敏电阻（R15）和第四桥臂上的第十四应变压敏
电阻（R14）、第十六应变压敏电阻（R16）连接在该惠斯通电桥的另一个输入端
上，第一桥臂上的第九应变压敏电阻（R9）、第十二应变压敏电阻（R12）和第三
桥臂上的第十三应变压敏电阻（R13）、第十五应变压敏电阻（R15）连接在该惠
斯通电桥的一个输出端上，第二桥臂上的第十应变压敏电阻（R10）、第十一应变
压敏电阻（R11）和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻（R14）、第十六应变压敏
电阻（R16）连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上。
2.根据权利要求1所述的压阻式单片集成四梁三轴加速度计，其特征在于：所述的
支撑边框（1）、质量块（3）及其之间的弹性悬臂梁（2）是以SOI片材料经现有
的标准压阻式硅微机械工艺加工制成；设置于弹性悬臂梁（2）上的十六个应变压
敏电阻（R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、
R15、R16）是经现有的扩散或离子注入工艺加工制成。
3.根据权利要求1和2所述的压阻式单片集成四梁三轴加速度计，其特征在于：所
述的弹性悬臂梁（2）的梁长为800μm、梁宽为400μm、梁厚为20μm；质量块（3）
的边长为3000μm、厚度为420.5μm；支撑边框（1）的边长为6400μm、边的宽度
为900μm、厚度为430.5μm；所述的的支撑边框（1）下表面超出质量块（3）的下
表面10μm。
说 明 书
技术领域
本发明涉及MEMS传感器领域中的加速度传感器，具体是一种压阻式单片集成四
梁三轴加速度传感器。
背景技术
加速度测量是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主
的惯性测量。加速度计在生物、化学和医学分析中，在航天、航空、航海的惯性导
航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、地基测量、
地矿勘测等测量领域有广泛的应用。常见的微加速度计产品都是单轴的，而微惯性
系统以及一些其他应用场合往往需要三轴加速度计来检测加速度矢量，这就对三轴
加速度传感器的出现提出了诉求。压阻式三轴微加速度传感器的实现方法有三种：
第一种是将三个单轴压阻式微加速度传感器组装在一起，实现三轴测量功能，但是
这种方式体积较大，组装比较困难，而且矢量测量精度低；第二种是将三个单轴压
阻式加速度传感器同时制作在同一个芯片上，单个压阻式加速度传感器的结构是由
硅框架、质量块、悬臂梁以及压敏电阻组成的，当将三个单轴加速度传感器制作在
同一个芯片上时，考虑到传感器的各个性能，三个单轴加速度传感器的压敏电阻的
布放位置会不同，这样会大大增加工艺的复杂度，增大加工成本；第三种是采用一
个敏感元件测量三个方向的加速度信号，当敏感元件感受不同方向的加速度时，不
同位置的电阻阻值产生变化，从而使由电阻构成的惠斯通电桥输出电压信号，从而
检测加速度的大小和方向。由这三种方法实现的压阻式三轴微加速度传感器各有其
优点和弊端。针对第三种实现方法，有现有的八梁臂结构，但其灵敏度较低而轴间
耦合度较高。为了提高灵敏度和降低轴间耦合度，本发明在八梁臂的基础上提出了
四梁臂的结构，其上对称分布有十六个压敏电阻，其中四个压敏电阻构成一个惠斯
通电桥检测X方向的加速度和方向，另有四个压敏电阻构成一个惠斯通电桥检测
Y方向的加速度和方向，剩下八个压敏电阻构成一个惠斯通电桥检测Z方向的加速
度和方向。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的压阻式三轴加速度计存在结构复杂，灵敏度低，轴
间耦合大的问题，而提供了一种压敏电阻完全对称分布，灵敏度高，轴间耦合度小
的压阻式单片集成四梁三轴加速度计。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种压阻式单片集成四梁三轴加速度计，包括支撑边框、弹性悬臂梁以及通过弹性
悬臂梁支悬于支撑边框中心位置的质量块，质量块的四个边分别通过一根弹性悬臂
梁与支撑边框固定，支撑边框的下表面超出质量块的下表面，且支撑边框下表面通
过静电键合技术键合有玻璃基座，固定于支撑边框与质量块之间的四根弹性悬臂梁
上对称均布有十六个阻值相等的应变压敏电阻，每根弹性悬臂梁上的四个应变压敏
电阻两两对称分布于弹性悬臂梁的两端，并且同一端的两个应变压敏电阻以弹性悬
臂梁的中心轴线对称分布；第一应变压敏电阻和第二应变压敏电阻分布于X轴负
方向的弹性悬臂梁上，第一应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组
合位置的左上方，第二应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位
置的右下方，第三应变压敏电阻和第四应变压敏电阻分布于X轴正方向的弹性悬
臂梁上，第三应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上
方，第四应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，
并且上述四个应变压敏电阻（即：第一应变压敏电阻、第二应变压敏电阻、第三应
变压敏电阻和第四应变压敏电阻）之间连接成一个检测X轴方向信号的惠斯通电
桥（检测X轴、Y轴、Z轴方向的惠斯通电桥都有两个输入端：Vcc和GND；有
两个输出端：Vout），其中，第一应变压敏电阻和第二应变压敏电阻连接在该惠斯
通电桥（即：检测X轴方向信号的惠斯通电桥）的一个输入端上，第三应变压敏
电阻和第四应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：检测X轴方向信号的惠斯通
电桥）的另一个输入端上，第一应变压敏电阻和第三应变压敏电阻连接在该惠斯通
电桥的一个输出端上，第二应变压敏电阻和第四应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥
的另一个输出端上；第五应变压敏电阻和第六应变压敏电阻分布于Y轴负方向的
弹性悬臂梁上，第五应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置
的左下方，第六应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右
上方，第七应变压敏电阻和第八应变压敏电阻分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁上，
第七应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第八
应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个压敏电阻组合位置的右下方，并且上述四个
应变压敏电阻（即：第五应变压敏电阻、第六应变压敏电阻、第七应变压敏电阻和
第八应变压敏电阻）之间连接成一个检测Y轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第
五应变压敏电阻和第六应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：检测Y轴方向信
号的惠斯通电桥）的一个输入端上，第七应变压敏电阻和第八应变压敏电阻连接在
该惠斯通电桥（即：检测Y轴方向信号的惠斯通电桥）的另一个输入端上，第五
应变压敏电阻和第七应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第六应变
压敏电阻和第八应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第九应变压
敏电阻和第十应变压敏电阻分布于X轴负方向的弹性悬臂梁上，第九应变压敏电
阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十应变压敏电阻位
于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第十一应变压敏电阻和第
十二应变压敏电阻分布于X轴正方向的弹性悬臂梁上，第十一应变压敏电阻位于
该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十二应变压敏电阻位于该
弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十三应变压敏电阻和第十四
应变压敏电阻布于Y轴负方向的弹性悬臂梁上，第十三应变压敏电阻位于该弹性
悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十四应变压敏电阻位于该弹性悬
臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十五应变压敏电阻和第十六应变压
敏电阻分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁上，第十五应变压敏电阻位于该弹性悬臂
梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十六应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁
上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，并且上述八个应变压敏电阻（即：第九应
变压敏电阻、第十应变压敏电阻、第十一应变压敏电阻、第十二应变压敏电阻、第
十三应变压敏电阻、第十四应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻和第十六应变压敏
电阻）之间连接成一个测Z轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第九应变压敏电阻
和第十二应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第一个桥臂，第十应变压敏电阻和
第十一应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第二个桥臂，第十三应变压敏电阻和
第十五应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第三个桥臂，第十四应变压敏电阻和
第十六应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第四个桥臂，并且第一桥臂上的第九
应变压敏电阻、第十二应变压敏电阻和第二桥臂上的第十应变压敏电阻、第十一应
变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：测Z轴方向信号的惠斯通电桥）的一个输
入端上，第三桥臂上的第十三应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻和第四桥臂上的
第十四应变压敏电阻、第十六应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：测Z轴方
向信号的惠斯通电桥）的另一个输入端上，第一桥臂上的第九应变压敏电阻、第十
二应变压敏电阻和第三桥臂上的第十三应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻连接在
该惠斯通电桥的一个输出端上，第二桥臂上的第十应变压敏电阻、第十一应变压敏
电阻和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻、第十六应变压敏电阻连接在该惠斯通电
桥的另一个输出端上。
其中，支撑边框的下表面超出质量块的下表面，且支撑边框下表面通过静电键合技
术键合有玻璃基板，这是为了使支撑边框对整个结构起支撑作用，而质量块就可以
呈悬空状态，这样有利于质量块在惯性力的作用下上下运动，并使弹性悬臂梁上的
应变压敏电阻随应力的作用发生变化，从而引起惠斯通检测电桥输出电压发生变化，
以此实现对加速度的测量。
本发明加速度计检测加速度原理：当本发明加速度计只受到X方向的加速度时，
在X方向的两根梁上就会产生不对称的应力分布，若R1、R9、R11、R4单元受到
压力（或张力）， R2、R10、R3、R12单元则对应受到张力（或压力），而且无
论单元受到压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是相同的。从而，他们
的阻值无论是增加还是减小，变化的量是相同的。此时，在Y方向的两根梁上产
生的是剪切应力，在梁宽度远大于厚度的情况下，剪切应力产生的形变完全可以忽
略，这样就基本认为R5、R6、R7、R8、R13、R14、R15、R16的阻值变化为零。
所以，由R5、R6、R7、R8构成的惠斯通电桥因为阻值不变输出为零；由R9、
R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16构成的惠斯通电桥虽然部分阻值有变化但
有增有减相互抵消，输出仍为零；只有由R1、R2、R3、R4构成的惠斯通检测电
桥有输出，从而实现对X方向加速度大小的检测。当本发明加速度计只受到Y方
向的加速度时，在Y方向的四个梁上就会产生不对称的应力分布，若R7、R16、
R6、R13单元受到压力（或张力）， R8、R15、R5、R14单元则对应受到张力
（或压力），而且无论单元受到压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是
相同的。从而，他们的阻值无论是增加还是减小，变化的量是相同的。此时，在X
方向的两根梁上产生的是剪切应力，在梁宽度远大于厚度的情况下，剪切应力产生
的形变完全可以忽略，这样就基本认为R1、R2、R3、R4、R9、R10、R11、R12
的阻值变化为零。所以，由R1、R2、R3、R4构成的惠斯通电桥因为阻值不变输
出为零；由R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16构成的惠斯通电桥虽然
部分阻值有变化但有增有减相互抵消，输出仍为零；只有由R5、R6、R7、R8构
成的惠斯通电桥有输出，从而实现对Y方向加速度大小的检测。当本发明加速度
计只受到Z方向的加速度时，X方向的两根梁和Y方向的两根梁会产生对称的应
力分布。在X方向的两根梁上，若R1、R9、R3、R12单元受到压力（或张
力）， R2、R10、R4、R11单元则对应受到张力（或压力），而且无论单元受到
压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是相同的。从而，他们的阻值无论
是增加还是减小，变化的量是相同的。在Y方向的两根梁上，若R7、R16、R5、
R14单元受到压力（或张力）， R8、R15、R6、R13单元则对应受到张力（或压
力），而且无论单元受到压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是相同的。
从而，他们的阻值无论是增加还是减小，变化的量是相同的。由R1、R2、R3、R4
构成的惠斯通电桥虽然阻值发生变化但由于两个臂上电阻改变后的阻值对应成比例
输出仍为零；由R5、R6、R7、R8构成的惠斯通电桥虽然阻值发生变化但由于两
个臂上电阻改变后的阻值对应成比例输出仍为零；只有由R9、R10、R11、R12、
R13、R14、R15、R16构成的惠斯通检测电桥有电压输出，从而实现对Z方向的加
速度大小的检测。这样根据三个惠斯通电桥的输出变化实现对加速度的方向和大小
的测量。
下表1是本发明的四梁结构和现有的八梁结构在电阻位置偏差量相同（距离悬臂梁
端部150μm）、轴向受力相同（各轴施加1000g的加速度载荷）的情况下，各个
轴向的输出灵敏度和轴间耦合度的对比：
表1
分析表1可以得出：当电阻的位置出现相同偏差时，若两种结构在Y方向受到
1000g的加速度载荷时，四悬臂梁结构Y方向对X方向的轴间耦合度仅为5.63‰，
而八悬臂梁结构Y方向对X方向的轴间耦合度高达188.29‰，约为四梁结构的30
倍，所以四梁结构的抗横向耦合性远大于八梁结构，同时，通过对比八梁结构和四
梁结构的轴向灵敏度，我们可以看到，整体结构尺寸同样大小的情况下，四梁结构
能够获得更大的轴向灵敏度，比八梁结构提高了约50‰。所以，四梁结构具有更
高的轴向灵敏度和更小的轴间耦合度。
进一步地，所述的支撑边框、质量块及其之间的弹性悬臂梁是以SOI片材料经现
有的标准压阻式硅微机械工艺加工制成；设置于弹性梁臂上的十六个应变压敏电阻
是经现有的扩散或离子注入工艺加工制成。
所述的弹性悬臂梁的梁长为800μm、梁宽为400μm、梁厚为20μm；质量块的边长
为3000μm、厚度为420.5μm；支撑边框的边长为6400μm，边框的宽度为900μm、
厚度为430.5μm；所述的的支撑边框下表面超出质量块的下表面10μm。
与现有技术相比，首先，本发明加速度计轴间耦合度有了很大的改善，单片集成的
加速度计即可获得加速度的三维矢量信息，完成对加速度的大小及方向的检测；其
次，本发明加速度计的结构在改善轴间耦合度的同时也大大提高了加速度计的灵敏
度。
本发明结构简单新颖、重量轻、体积小、功耗低、灵敏度高、轴间耦合度小、加工
成本低、适合于批量化生产、单片集成便于安装测试。以其生产加工的加速度计应
用范围广阔，可应用于生物、化学和医学分析、航天航空、自控和振动测试等领域。
附图说明
图1为本发明加速度计的结构示意图。
图2为本发明加速度计上的应变压敏电阻的分布连接示意图。
图3为本发明加速度计上的应变压敏电阻连接构成的检测X轴方向信号的惠斯通
电桥图。
图4为本发明加速度计上的应变压敏电阻连接构成的检测Y轴方向信号的惠斯通
电桥图。
图5为本发明加速度计上的应变压敏电阻连接构成的检测Z轴方向信号的惠斯通
电桥图。
图6为本发明加速度计粘于玻璃基板上的示意图。
图7为陶瓷管壳结构示意图。
图8为本发明加速度计通过玻璃基板粘于陶瓷管壳内，引线键合技术示意图。
图中：1-支撑边框、2-弹性悬臂梁、2-1-X轴负方向的弹性悬臂梁、2-2-X轴正方向
的弹性悬臂梁、2-3-Y轴负方向的弹性悬臂梁、2-4- Y轴正方向的弹性悬臂梁、3-
质量块、4-玻璃基板、5-陶瓷管壳。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述：
如图1至图6所示，一种压阻式单片集成四梁三轴加速度计，包括支撑边框1、弹
性悬臂梁2以及通过弹性悬臂梁2支悬于支撑边框1中心位置的质量块3，质量块
3的四个边分别通过一根弹性悬臂梁2与支撑边框1固定，支撑边框1的下表面超
出质量块3的下表面，且支撑边框1下表面通过静电键合技术键合有玻璃基座4，
固定于支撑边框1与质量块3之间的四根弹性悬臂梁2上对称均布有十六个阻值相
等的应变压敏电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、
R13、R14、R15、R16，每根弹性悬臂梁2上的四个应变压敏电阻两两对称分布于
弹性悬臂梁2的两端，并且同一端的两个应变压敏电阻以弹性悬臂梁2的中心轴线
对称分布；第一应变压敏电阻R1和第二应变压敏电阻R2分布于X轴负方向的弹
性悬臂梁2-1上，第一应变压敏电阻R1位于该弹性悬臂梁2-1上四个应变压敏电
阻组合位置的左上方，第二应变压敏电阻R2位于该弹性悬臂梁2-1上四个应变压
敏电阻组合位置的右下方，第三应变压敏电阻R3和第四应变压敏电阻R4分布于
X轴正方向的弹性悬臂梁2-2上，第三应变压敏电阻R3位于该弹性悬臂梁2-2上
四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第四应变压敏电阻R4位于该弹性悬臂梁2-
2上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，并且上述四个应变压敏电阻R1、R2、
R3、R4之间连接成一个检测X轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第一应变压敏电
阻R1和第二应变压敏电阻R2连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第三应变压
敏电阻R3和第四应变压敏电阻R4连接在该惠斯通电桥的另一个输入端上，第一
应变压敏电阻R1和第三应变压敏电阻R3连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，
第二应变压敏电阻R2和第四应变压敏电阻R4连接在该惠斯通电桥的另一个输出
端上；第五应变压敏电阻R5和第六应变压敏电阻R6分布于Y轴负方向的弹性悬
臂梁2-3上，第五应变压敏电阻R5位于该弹性悬臂梁2-3上四个应变压敏电阻组
合位置的左下方，第六应变压敏电阻R6位于该弹性悬臂梁2-3上四个应变压敏电
阻组合位置的右上方，第七应变压敏电阻R7和第八应变压敏电阻R8分布于Y轴
正方向的弹性悬臂梁2-4上，第七应变压敏电阻R7位于该弹性悬臂梁2-4上四个
应变压敏电阻组合位置的左上方，第八应变压敏电阻R8位于该弹性悬臂梁2-4上
四个压敏电阻组合位置的右下方，并且上述四个应变压敏电阻R5、R6、R7、R8
之间连接成一个检测Y轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第五应变压敏电阻R5和
第六应变压敏电阻R6连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第七应变压敏电阻
R7和第八应变压敏电阻R8连接在该惠斯通电桥的另一个输入端上，第五应变压敏
电阻R5和第七应变压敏电阻R7连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第六应变
压敏电阻R6和第八应变压敏电阻R8连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第
九应变压敏电阻R9和第十应变压敏电阻R10分布于X轴负方向的弹性悬臂梁2-1
上，第九应变压敏电阻R9位于该弹性悬臂梁2-1上四个应变压敏电阻组合位置的
左下方，第十应变压敏电阻R10位于该弹性悬臂梁2-1上四个应变压敏电阻组合位
置的右上方，第十一应变压敏电阻R11和第十二应变压敏电阻R12分布于X轴正
方向的弹性悬臂梁2-2上，第十一应变压敏电阻R11位于该弹性悬臂梁2-2上四个
应变压敏电阻组合位置的左上方，第十二应变压敏电阻R12位于该弹性悬臂梁2-2
上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十三应变压敏电阻R13和第十四应变
压敏电阻R14布于Y轴负方向的弹性悬臂梁2-3上，第十三应变压敏电阻R13位
于该弹性悬臂梁2-3上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十四应变压敏电阻
R14位于该弹性悬臂梁2-3上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十五应变压
敏电阻R15和第十六应变压敏电阻R16分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁2-4上，
第十五应变压敏电阻R15位于该弹性悬臂梁2-4上四个应变压敏电阻组合位置的左
下方，第十六应变压敏电阻R16位于该弹性悬臂梁2-4上四个应变压敏电阻组合位
置的右上方，并且上述八个应变压敏电阻R9 、R10、 R11、R12、R13、 R14、
R15、 R16之间连接成一个测Z轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第九应变压敏电
阻R9和第十二应变压敏电阻R12串联构成该惠斯通电桥的第一个桥臂，第十应变
压敏电阻R10和第十一应变压敏电阻R11串联构成该惠斯通电桥的第二个桥臂，
第十三应变压敏电阻R13和第十五应变压敏电阻R15串联构成该惠斯通电桥的第
三个桥臂，第十四应变压敏电阻R14和第十六应变压敏电阻R16串联构成该惠斯
通电桥的第四个桥臂，并且第一桥臂上的第九应变压敏电阻R9、第十二应变压敏
电阻R12和第二桥臂上的第十应变压敏电阻R10、第十一应变压敏电阻R11连接
在该惠斯通电桥的一个输入端上，第三桥臂上的第十三应变压敏电阻R13、第十五
应变压敏电阻R15和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻R14、第十六应变压敏电
阻R16连接在该惠斯通电桥的另一个输入端上，第一桥臂上的第九应变压敏电阻
R9、第十二应变压敏电阻R12和第三桥臂上的第十三应变压敏电阻R13、第十五
应变压敏电阻R15连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二桥臂上的第十应变
压敏电阻R10、第十一应变压敏电阻R11和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻R14、
第十六应变压敏电阻R16连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上。
具体实施时，所述的支撑边框1、质量块3及其之间的弹性悬臂梁2是以SOI片材
料经现有的标准压阻式硅微机械工艺加工制成；布于弹性悬臂梁2上的十六个应变
压敏电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、
R14、R15、R16是经现有的扩散或离子注入工艺加工制成。
所述的弹性悬臂梁2的梁长为800μm、梁宽为400μm、梁厚为20μm；质量块3的
边长为3000μm、厚度为420.5μm，支撑边框1的边长为6400μm，边的宽度为
900μm、厚度为430.5μm。所述的支撑边框1的下底面超出质量块3的下底面
10μm。
如图7和图8所示，在具体实施时，本发明的加速度计封装在陶瓷管壳5上。
2024年6月14日发(作者：智虹雨)
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书
(21)申请号 CN2.0
(22)申请日 2012.07.21
(71)申请人 中北大学
地址 030051 山西省太原市学院路3号
(72)发明人 张文栋 何常德 张国军 薛晨阳 熊继军 刘俊 张永平 杜春晖
(74)专利代理机构 太原科卫专利事务所(普通合伙)
代理人 朱源
(51)
(10)申请公布号 CN 102768291 A
(43)申请公布日 2012.11.07
权利要求说明书 说明书 幅图
(54)发明名称
压阻式单片集成四梁三轴加速度计
(57)摘要
本发明涉及MEMS传感器领域中
的加速度传感器，具体是一种压阻式单片
集成四梁三轴加速度计，解决了现有压阻
式三轴加速度计存在结构复杂，灵敏度
低，轴间耦合大的问题。该加速度计包括
四根弹性悬臂梁、质量块和支撑边框，质
量块四个边分别通过一根弹性悬臂梁支悬
于支撑边框的中心位置，支撑边框下表面
通过静电键合技术与玻璃基板键合，十六
个阻值相等的压敏电阻对称均布在四根弹
性悬臂梁的两端，十六个压敏电阻连接分
别构成三个惠斯通电桥分别检测三个轴向
的加速度信号。本发明加速度计结构简
单、灵敏度高、轴间耦合低、可靠性高、
成本低廉、易于一体化加工，以其生产加
工的加速度计应用范围广阔。
法律状态
法律状态公告日
法律状态信息
2021-07-06
未缴年费专利权终止
2014-06-25
授权
2012-12-26
实质审查的生效
2012-11-07
公开
法律状态
未缴年费专利权终止
授权
实质审查的生效
公开
权 利 要 求 说 明 书
1.一种压阻式单片集成四梁三轴加速度计，包括支撑边框（1）、弹性悬臂梁（2）
以及通过弹性悬臂梁（2）支悬于支撑边框（1）中心位置的质量块（3），质量块
（3）的四个边分别通过一根弹性悬臂梁（2）与支撑边框（1）固定，支撑边框（1）
的下表面超出质量块（3）的下表面，且支撑边框（1）下表面通过静电键合技术键
合有玻璃基座（4），其特征在于：固定于支撑边框（1）与质量块（3）之间的四
根弹性悬臂梁（2）上对称均布有十六个阻值相等的应变压敏电阻（R1、R2、R3、
R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16），每根弹
性悬臂梁（2）上的四个应变压敏电阻两两对称分布于弹性悬臂梁（2）的两端，并
且同一端的两个应变压敏电阻以弹性悬臂梁（2）的中心轴线对称分布；第一应变
压敏电阻（R1）和第二应变压敏电阻（R2）分布于X轴负方向的弹性悬臂梁（2-1）
上，第一应变压敏电阻（R1）位于该弹性悬臂梁（2-1）上四个应变压敏电阻组合
位置的左上方，第二应变压敏电阻（R2）位于该弹性悬臂梁（2-1）上四个应变压
敏电阻组合位置的右下方，第三应变压敏电阻（R3）和第四应变压敏电阻（R4）
分布于X轴正方向的弹性悬臂梁（2-2）上，第三应变压敏电阻（R3）位于该弹性
悬臂梁（2-2）上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第四应变压敏电阻（R4）
位于该弹性悬臂梁（2-2）上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，并且上述四个
应变压敏电阻（R1、R2、R3、R4）之间连接成一个检测X轴方向信号的惠斯通电
桥，其中，第一应变压敏电阻（R1）和第二应变压敏电阻（R2）连接在该惠斯通
电桥的一个输入端上，第三应变压敏电阻（R3）和第四应变压敏电阻（R4）连接
在该惠斯通电桥的另一个输入端上，第一应变压敏电阻（R1）和第三应变压敏电
阻（R3）连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二应变压敏电阻（R2）和第四
应变压敏电阻（R4）连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第五应变压敏电阻
（R5）和第六应变压敏电阻（R6）分布于Y轴负方向的弹性悬臂梁（2-3）上，第
五应变压敏电阻（R5）位于该弹性悬臂梁（2-3）上四个应变压敏电阻组合位置的
左下方，第六应变压敏电阻（R6）位于该弹性悬臂梁（2-3）上四个应变压敏电阻
组合位置的右上方，第七应变压敏电阻（R7）和第八应变压敏电阻（R8）分布于
Y轴正方向的弹性悬臂梁（2-4）上，第七应变压敏电阻（R7）位于该弹性悬臂梁
（2-4）上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第八应变压敏电阻（R8）位于该
弹性悬臂梁（2-4）上四个压敏电阻组合位置的右下方，并且上述四个应变压敏电
阻（R5、R6、R7、R8）之间连接成一个检测Y轴方向信号的惠斯通电桥，其中，
第五应变压敏电阻（R5）和第六应变压敏电阻（R6）连接在该惠斯通电桥的一个
输入端上，第七应变压敏电阻（R7）和第八应变压敏电阻（R8）连接在该惠斯通
电桥的另一个输入端上，第五应变压敏电阻（R5）和第七应变压敏电阻（R7）连
接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第六应变压敏电阻（R6）和第八应变压敏电
阻（R8）连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第九应变压敏电阻（R9）和第
十应变压敏电阻（R10）分布于X轴负方向的弹性悬臂梁（2-1）上，第九应变压
敏电阻（R9）位于该弹性悬臂梁（2-1）上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，
第十应变压敏电阻（R10）位于该弹性悬臂梁（2-1）上四个应变压敏电阻组合位置
的右上方，第十一应变压敏电阻（R11）和第十二应变压敏电阻（R12）分布于X
轴正方向的弹性悬臂梁（2-2）上，第十一应变压敏电阻（R11）位于该弹性悬臂梁
（2-2）上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十二应变压敏电阻（R12）位于
该弹性悬臂梁（2-2）上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十三应变压敏电
阻（R13）和第十四应变压敏电阻（R14）布于Y轴负方向的弹性悬臂梁（2-3）上，
第十三应变压敏电阻（R13）位于该弹性悬臂梁（2-3）上四个应变压敏电阻组合位
置的左上方，第十四应变压敏电阻（R14）位于该弹性悬臂梁（2-3）上四个应变压
敏电阻组合位置的右下方，第十五应变压敏电阻（R15）和第十六应变压敏电阻
（R16）分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁（2-4）上，第十五应变压敏电阻（R15）
位于该弹性悬臂梁（2-4）上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十六应变压
敏电阻（R16）位于该弹性悬臂梁（2-4）上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，
并且上述八个应变压敏电阻（R9 、R10、 R11、R12、R13、 R14、R15、 R16）之
间连接成一个测Z轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第九应变压敏电阻（R9）和
第十二应变压敏电阻（R12）串联构成该惠斯通电桥的第一桥臂，第十应变压敏电
阻（R10）和第十一应变压敏电阻（R11）串联构成该惠斯通电桥的第二桥臂，第
十三应变压敏电阻（R13）和第十五应变压敏电阻（R15）串联构成该惠斯通电桥
的第三桥臂，第十四应变压敏电阻（R14）和第十六应变压敏电阻（R16）串联构
成该惠斯通电桥的第四桥臂，并且第一桥臂上的第九应变压敏电阻（R9）、第十
二应变压敏电阻（R12）和第二桥臂上的第十应变压敏电阻（R10）、第十一应变
压敏电阻（R11）连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第三桥臂上的第十三应变
压敏电阻（R13）、第十五应变压敏电阻（R15）和第四桥臂上的第十四应变压敏
电阻（R14）、第十六应变压敏电阻（R16）连接在该惠斯通电桥的另一个输入端
上，第一桥臂上的第九应变压敏电阻（R9）、第十二应变压敏电阻（R12）和第三
桥臂上的第十三应变压敏电阻（R13）、第十五应变压敏电阻（R15）连接在该惠
斯通电桥的一个输出端上，第二桥臂上的第十应变压敏电阻（R10）、第十一应变
压敏电阻（R11）和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻（R14）、第十六应变压敏
电阻（R16）连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上。
2.根据权利要求1所述的压阻式单片集成四梁三轴加速度计，其特征在于：所述的
支撑边框（1）、质量块（3）及其之间的弹性悬臂梁（2）是以SOI片材料经现有
的标准压阻式硅微机械工艺加工制成；设置于弹性悬臂梁（2）上的十六个应变压
敏电阻（R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、
R15、R16）是经现有的扩散或离子注入工艺加工制成。
3.根据权利要求1和2所述的压阻式单片集成四梁三轴加速度计，其特征在于：所
述的弹性悬臂梁（2）的梁长为800μm、梁宽为400μm、梁厚为20μm；质量块（3）
的边长为3000μm、厚度为420.5μm；支撑边框（1）的边长为6400μm、边的宽度
为900μm、厚度为430.5μm；所述的的支撑边框（1）下表面超出质量块（3）的下
表面10μm。
说 明 书
技术领域
本发明涉及MEMS传感器领域中的加速度传感器，具体是一种压阻式单片集成四
梁三轴加速度传感器。
背景技术
加速度测量是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主
的惯性测量。加速度计在生物、化学和医学分析中，在航天、航空、航海的惯性导
航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、地基测量、
地矿勘测等测量领域有广泛的应用。常见的微加速度计产品都是单轴的，而微惯性
系统以及一些其他应用场合往往需要三轴加速度计来检测加速度矢量，这就对三轴
加速度传感器的出现提出了诉求。压阻式三轴微加速度传感器的实现方法有三种：
第一种是将三个单轴压阻式微加速度传感器组装在一起，实现三轴测量功能，但是
这种方式体积较大，组装比较困难，而且矢量测量精度低；第二种是将三个单轴压
阻式加速度传感器同时制作在同一个芯片上，单个压阻式加速度传感器的结构是由
硅框架、质量块、悬臂梁以及压敏电阻组成的，当将三个单轴加速度传感器制作在
同一个芯片上时，考虑到传感器的各个性能，三个单轴加速度传感器的压敏电阻的
布放位置会不同，这样会大大增加工艺的复杂度，增大加工成本；第三种是采用一
个敏感元件测量三个方向的加速度信号，当敏感元件感受不同方向的加速度时，不
同位置的电阻阻值产生变化，从而使由电阻构成的惠斯通电桥输出电压信号，从而
检测加速度的大小和方向。由这三种方法实现的压阻式三轴微加速度传感器各有其
优点和弊端。针对第三种实现方法，有现有的八梁臂结构，但其灵敏度较低而轴间
耦合度较高。为了提高灵敏度和降低轴间耦合度，本发明在八梁臂的基础上提出了
四梁臂的结构，其上对称分布有十六个压敏电阻，其中四个压敏电阻构成一个惠斯
通电桥检测X方向的加速度和方向，另有四个压敏电阻构成一个惠斯通电桥检测
Y方向的加速度和方向，剩下八个压敏电阻构成一个惠斯通电桥检测Z方向的加速
度和方向。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的压阻式三轴加速度计存在结构复杂，灵敏度低，轴
间耦合大的问题，而提供了一种压敏电阻完全对称分布，灵敏度高，轴间耦合度小
的压阻式单片集成四梁三轴加速度计。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种压阻式单片集成四梁三轴加速度计，包括支撑边框、弹性悬臂梁以及通过弹性
悬臂梁支悬于支撑边框中心位置的质量块，质量块的四个边分别通过一根弹性悬臂
梁与支撑边框固定，支撑边框的下表面超出质量块的下表面，且支撑边框下表面通
过静电键合技术键合有玻璃基座，固定于支撑边框与质量块之间的四根弹性悬臂梁
上对称均布有十六个阻值相等的应变压敏电阻，每根弹性悬臂梁上的四个应变压敏
电阻两两对称分布于弹性悬臂梁的两端，并且同一端的两个应变压敏电阻以弹性悬
臂梁的中心轴线对称分布；第一应变压敏电阻和第二应变压敏电阻分布于X轴负
方向的弹性悬臂梁上，第一应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组
合位置的左上方，第二应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位
置的右下方，第三应变压敏电阻和第四应变压敏电阻分布于X轴正方向的弹性悬
臂梁上，第三应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上
方，第四应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，
并且上述四个应变压敏电阻（即：第一应变压敏电阻、第二应变压敏电阻、第三应
变压敏电阻和第四应变压敏电阻）之间连接成一个检测X轴方向信号的惠斯通电
桥（检测X轴、Y轴、Z轴方向的惠斯通电桥都有两个输入端：Vcc和GND；有
两个输出端：Vout），其中，第一应变压敏电阻和第二应变压敏电阻连接在该惠斯
通电桥（即：检测X轴方向信号的惠斯通电桥）的一个输入端上，第三应变压敏
电阻和第四应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：检测X轴方向信号的惠斯通
电桥）的另一个输入端上，第一应变压敏电阻和第三应变压敏电阻连接在该惠斯通
电桥的一个输出端上，第二应变压敏电阻和第四应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥
的另一个输出端上；第五应变压敏电阻和第六应变压敏电阻分布于Y轴负方向的
弹性悬臂梁上，第五应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置
的左下方，第六应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右
上方，第七应变压敏电阻和第八应变压敏电阻分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁上，
第七应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第八
应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁上四个压敏电阻组合位置的右下方，并且上述四个
应变压敏电阻（即：第五应变压敏电阻、第六应变压敏电阻、第七应变压敏电阻和
第八应变压敏电阻）之间连接成一个检测Y轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第
五应变压敏电阻和第六应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：检测Y轴方向信
号的惠斯通电桥）的一个输入端上，第七应变压敏电阻和第八应变压敏电阻连接在
该惠斯通电桥（即：检测Y轴方向信号的惠斯通电桥）的另一个输入端上，第五
应变压敏电阻和第七应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第六应变
压敏电阻和第八应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第九应变压
敏电阻和第十应变压敏电阻分布于X轴负方向的弹性悬臂梁上，第九应变压敏电
阻位于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十应变压敏电阻位
于该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第十一应变压敏电阻和第
十二应变压敏电阻分布于X轴正方向的弹性悬臂梁上，第十一应变压敏电阻位于
该弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十二应变压敏电阻位于该
弹性悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十三应变压敏电阻和第十四
应变压敏电阻布于Y轴负方向的弹性悬臂梁上，第十三应变压敏电阻位于该弹性
悬臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十四应变压敏电阻位于该弹性悬
臂梁上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十五应变压敏电阻和第十六应变压
敏电阻分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁上，第十五应变压敏电阻位于该弹性悬臂
梁上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，第十六应变压敏电阻位于该弹性悬臂梁
上四个应变压敏电阻组合位置的右上方，并且上述八个应变压敏电阻（即：第九应
变压敏电阻、第十应变压敏电阻、第十一应变压敏电阻、第十二应变压敏电阻、第
十三应变压敏电阻、第十四应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻和第十六应变压敏
电阻）之间连接成一个测Z轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第九应变压敏电阻
和第十二应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第一个桥臂，第十应变压敏电阻和
第十一应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第二个桥臂，第十三应变压敏电阻和
第十五应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第三个桥臂，第十四应变压敏电阻和
第十六应变压敏电阻串联构成该惠斯通电桥的第四个桥臂，并且第一桥臂上的第九
应变压敏电阻、第十二应变压敏电阻和第二桥臂上的第十应变压敏电阻、第十一应
变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：测Z轴方向信号的惠斯通电桥）的一个输
入端上，第三桥臂上的第十三应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻和第四桥臂上的
第十四应变压敏电阻、第十六应变压敏电阻连接在该惠斯通电桥（即：测Z轴方
向信号的惠斯通电桥）的另一个输入端上，第一桥臂上的第九应变压敏电阻、第十
二应变压敏电阻和第三桥臂上的第十三应变压敏电阻、第十五应变压敏电阻连接在
该惠斯通电桥的一个输出端上，第二桥臂上的第十应变压敏电阻、第十一应变压敏
电阻和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻、第十六应变压敏电阻连接在该惠斯通电
桥的另一个输出端上。
其中，支撑边框的下表面超出质量块的下表面，且支撑边框下表面通过静电键合技
术键合有玻璃基板，这是为了使支撑边框对整个结构起支撑作用，而质量块就可以
呈悬空状态，这样有利于质量块在惯性力的作用下上下运动，并使弹性悬臂梁上的
应变压敏电阻随应力的作用发生变化，从而引起惠斯通检测电桥输出电压发生变化，
以此实现对加速度的测量。
本发明加速度计检测加速度原理：当本发明加速度计只受到X方向的加速度时，
在X方向的两根梁上就会产生不对称的应力分布，若R1、R9、R11、R4单元受到
压力（或张力）， R2、R10、R3、R12单元则对应受到张力（或压力），而且无
论单元受到压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是相同的。从而，他们
的阻值无论是增加还是减小，变化的量是相同的。此时，在Y方向的两根梁上产
生的是剪切应力，在梁宽度远大于厚度的情况下，剪切应力产生的形变完全可以忽
略，这样就基本认为R5、R6、R7、R8、R13、R14、R15、R16的阻值变化为零。
所以，由R5、R6、R7、R8构成的惠斯通电桥因为阻值不变输出为零；由R9、
R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16构成的惠斯通电桥虽然部分阻值有变化但
有增有减相互抵消，输出仍为零；只有由R1、R2、R3、R4构成的惠斯通检测电
桥有输出，从而实现对X方向加速度大小的检测。当本发明加速度计只受到Y方
向的加速度时，在Y方向的四个梁上就会产生不对称的应力分布，若R7、R16、
R6、R13单元受到压力（或张力）， R8、R15、R5、R14单元则对应受到张力
（或压力），而且无论单元受到压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是
相同的。从而，他们的阻值无论是增加还是减小，变化的量是相同的。此时，在X
方向的两根梁上产生的是剪切应力，在梁宽度远大于厚度的情况下，剪切应力产生
的形变完全可以忽略，这样就基本认为R1、R2、R3、R4、R9、R10、R11、R12
的阻值变化为零。所以，由R1、R2、R3、R4构成的惠斯通电桥因为阻值不变输
出为零；由R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16构成的惠斯通电桥虽然
部分阻值有变化但有增有减相互抵消，输出仍为零；只有由R5、R6、R7、R8构
成的惠斯通电桥有输出，从而实现对Y方向加速度大小的检测。当本发明加速度
计只受到Z方向的加速度时，X方向的两根梁和Y方向的两根梁会产生对称的应
力分布。在X方向的两根梁上，若R1、R9、R3、R12单元受到压力（或张
力）， R2、R10、R4、R11单元则对应受到张力（或压力），而且无论单元受到
压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是相同的。从而，他们的阻值无论
是增加还是减小，变化的量是相同的。在Y方向的两根梁上，若R7、R16、R5、
R14单元受到压力（或张力）， R8、R15、R6、R13单元则对应受到张力（或压
力），而且无论单元受到压力还是张力，这八个电阻受到的力的数值大小是相同的。
从而，他们的阻值无论是增加还是减小，变化的量是相同的。由R1、R2、R3、R4
构成的惠斯通电桥虽然阻值发生变化但由于两个臂上电阻改变后的阻值对应成比例
输出仍为零；由R5、R6、R7、R8构成的惠斯通电桥虽然阻值发生变化但由于两
个臂上电阻改变后的阻值对应成比例输出仍为零；只有由R9、R10、R11、R12、
R13、R14、R15、R16构成的惠斯通检测电桥有电压输出，从而实现对Z方向的加
速度大小的检测。这样根据三个惠斯通电桥的输出变化实现对加速度的方向和大小
的测量。
下表1是本发明的四梁结构和现有的八梁结构在电阻位置偏差量相同（距离悬臂梁
端部150μm）、轴向受力相同（各轴施加1000g的加速度载荷）的情况下，各个
轴向的输出灵敏度和轴间耦合度的对比：
表1
分析表1可以得出：当电阻的位置出现相同偏差时，若两种结构在Y方向受到
1000g的加速度载荷时，四悬臂梁结构Y方向对X方向的轴间耦合度仅为5.63‰，
而八悬臂梁结构Y方向对X方向的轴间耦合度高达188.29‰，约为四梁结构的30
倍，所以四梁结构的抗横向耦合性远大于八梁结构，同时，通过对比八梁结构和四
梁结构的轴向灵敏度，我们可以看到，整体结构尺寸同样大小的情况下，四梁结构
能够获得更大的轴向灵敏度，比八梁结构提高了约50‰。所以，四梁结构具有更
高的轴向灵敏度和更小的轴间耦合度。
进一步地，所述的支撑边框、质量块及其之间的弹性悬臂梁是以SOI片材料经现
有的标准压阻式硅微机械工艺加工制成；设置于弹性梁臂上的十六个应变压敏电阻
是经现有的扩散或离子注入工艺加工制成。
所述的弹性悬臂梁的梁长为800μm、梁宽为400μm、梁厚为20μm；质量块的边长
为3000μm、厚度为420.5μm；支撑边框的边长为6400μm，边框的宽度为900μm、
厚度为430.5μm；所述的的支撑边框下表面超出质量块的下表面10μm。
与现有技术相比，首先，本发明加速度计轴间耦合度有了很大的改善，单片集成的
加速度计即可获得加速度的三维矢量信息，完成对加速度的大小及方向的检测；其
次，本发明加速度计的结构在改善轴间耦合度的同时也大大提高了加速度计的灵敏
度。
本发明结构简单新颖、重量轻、体积小、功耗低、灵敏度高、轴间耦合度小、加工
成本低、适合于批量化生产、单片集成便于安装测试。以其生产加工的加速度计应
用范围广阔，可应用于生物、化学和医学分析、航天航空、自控和振动测试等领域。
附图说明
图1为本发明加速度计的结构示意图。
图2为本发明加速度计上的应变压敏电阻的分布连接示意图。
图3为本发明加速度计上的应变压敏电阻连接构成的检测X轴方向信号的惠斯通
电桥图。
图4为本发明加速度计上的应变压敏电阻连接构成的检测Y轴方向信号的惠斯通
电桥图。
图5为本发明加速度计上的应变压敏电阻连接构成的检测Z轴方向信号的惠斯通
电桥图。
图6为本发明加速度计粘于玻璃基板上的示意图。
图7为陶瓷管壳结构示意图。
图8为本发明加速度计通过玻璃基板粘于陶瓷管壳内，引线键合技术示意图。
图中：1-支撑边框、2-弹性悬臂梁、2-1-X轴负方向的弹性悬臂梁、2-2-X轴正方向
的弹性悬臂梁、2-3-Y轴负方向的弹性悬臂梁、2-4- Y轴正方向的弹性悬臂梁、3-
质量块、4-玻璃基板、5-陶瓷管壳。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述：
如图1至图6所示，一种压阻式单片集成四梁三轴加速度计，包括支撑边框1、弹
性悬臂梁2以及通过弹性悬臂梁2支悬于支撑边框1中心位置的质量块3，质量块
3的四个边分别通过一根弹性悬臂梁2与支撑边框1固定，支撑边框1的下表面超
出质量块3的下表面，且支撑边框1下表面通过静电键合技术键合有玻璃基座4，
固定于支撑边框1与质量块3之间的四根弹性悬臂梁2上对称均布有十六个阻值相
等的应变压敏电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、
R13、R14、R15、R16，每根弹性悬臂梁2上的四个应变压敏电阻两两对称分布于
弹性悬臂梁2的两端，并且同一端的两个应变压敏电阻以弹性悬臂梁2的中心轴线
对称分布；第一应变压敏电阻R1和第二应变压敏电阻R2分布于X轴负方向的弹
性悬臂梁2-1上，第一应变压敏电阻R1位于该弹性悬臂梁2-1上四个应变压敏电
阻组合位置的左上方，第二应变压敏电阻R2位于该弹性悬臂梁2-1上四个应变压
敏电阻组合位置的右下方，第三应变压敏电阻R3和第四应变压敏电阻R4分布于
X轴正方向的弹性悬臂梁2-2上，第三应变压敏电阻R3位于该弹性悬臂梁2-2上
四个应变压敏电阻组合位置的右上方，第四应变压敏电阻R4位于该弹性悬臂梁2-
2上四个应变压敏电阻组合位置的左下方，并且上述四个应变压敏电阻R1、R2、
R3、R4之间连接成一个检测X轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第一应变压敏电
阻R1和第二应变压敏电阻R2连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第三应变压
敏电阻R3和第四应变压敏电阻R4连接在该惠斯通电桥的另一个输入端上，第一
应变压敏电阻R1和第三应变压敏电阻R3连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，
第二应变压敏电阻R2和第四应变压敏电阻R4连接在该惠斯通电桥的另一个输出
端上；第五应变压敏电阻R5和第六应变压敏电阻R6分布于Y轴负方向的弹性悬
臂梁2-3上，第五应变压敏电阻R5位于该弹性悬臂梁2-3上四个应变压敏电阻组
合位置的左下方，第六应变压敏电阻R6位于该弹性悬臂梁2-3上四个应变压敏电
阻组合位置的右上方，第七应变压敏电阻R7和第八应变压敏电阻R8分布于Y轴
正方向的弹性悬臂梁2-4上，第七应变压敏电阻R7位于该弹性悬臂梁2-4上四个
应变压敏电阻组合位置的左上方，第八应变压敏电阻R8位于该弹性悬臂梁2-4上
四个压敏电阻组合位置的右下方，并且上述四个应变压敏电阻R5、R6、R7、R8
之间连接成一个检测Y轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第五应变压敏电阻R5和
第六应变压敏电阻R6连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第七应变压敏电阻
R7和第八应变压敏电阻R8连接在该惠斯通电桥的另一个输入端上，第五应变压敏
电阻R5和第七应变压敏电阻R7连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第六应变
压敏电阻R6和第八应变压敏电阻R8连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上；第
九应变压敏电阻R9和第十应变压敏电阻R10分布于X轴负方向的弹性悬臂梁2-1
上，第九应变压敏电阻R9位于该弹性悬臂梁2-1上四个应变压敏电阻组合位置的
左下方，第十应变压敏电阻R10位于该弹性悬臂梁2-1上四个应变压敏电阻组合位
置的右上方，第十一应变压敏电阻R11和第十二应变压敏电阻R12分布于X轴正
方向的弹性悬臂梁2-2上，第十一应变压敏电阻R11位于该弹性悬臂梁2-2上四个
应变压敏电阻组合位置的左上方，第十二应变压敏电阻R12位于该弹性悬臂梁2-2
上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十三应变压敏电阻R13和第十四应变
压敏电阻R14布于Y轴负方向的弹性悬臂梁2-3上，第十三应变压敏电阻R13位
于该弹性悬臂梁2-3上四个应变压敏电阻组合位置的左上方，第十四应变压敏电阻
R14位于该弹性悬臂梁2-3上四个应变压敏电阻组合位置的右下方，第十五应变压
敏电阻R15和第十六应变压敏电阻R16分布于Y轴正方向的弹性悬臂梁2-4上，
第十五应变压敏电阻R15位于该弹性悬臂梁2-4上四个应变压敏电阻组合位置的左
下方，第十六应变压敏电阻R16位于该弹性悬臂梁2-4上四个应变压敏电阻组合位
置的右上方，并且上述八个应变压敏电阻R9 、R10、 R11、R12、R13、 R14、
R15、 R16之间连接成一个测Z轴方向信号的惠斯通电桥，其中，第九应变压敏电
阻R9和第十二应变压敏电阻R12串联构成该惠斯通电桥的第一个桥臂，第十应变
压敏电阻R10和第十一应变压敏电阻R11串联构成该惠斯通电桥的第二个桥臂，
第十三应变压敏电阻R13和第十五应变压敏电阻R15串联构成该惠斯通电桥的第
三个桥臂，第十四应变压敏电阻R14和第十六应变压敏电阻R16串联构成该惠斯
通电桥的第四个桥臂，并且第一桥臂上的第九应变压敏电阻R9、第十二应变压敏
电阻R12和第二桥臂上的第十应变压敏电阻R10、第十一应变压敏电阻R11连接
在该惠斯通电桥的一个输入端上，第三桥臂上的第十三应变压敏电阻R13、第十五
应变压敏电阻R15和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻R14、第十六应变压敏电
阻R16连接在该惠斯通电桥的另一个输入端上，第一桥臂上的第九应变压敏电阻
R9、第十二应变压敏电阻R12和第三桥臂上的第十三应变压敏电阻R13、第十五
应变压敏电阻R15连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二桥臂上的第十应变
压敏电阻R10、第十一应变压敏电阻R11和第四桥臂上的第十四应变压敏电阻R14、
第十六应变压敏电阻R16连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上。
具体实施时，所述的支撑边框1、质量块3及其之间的弹性悬臂梁2是以SOI片材
料经现有的标准压阻式硅微机械工艺加工制成；布于弹性悬臂梁2上的十六个应变
压敏电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、
R14、R15、R16是经现有的扩散或离子注入工艺加工制成。
所述的弹性悬臂梁2的梁长为800μm、梁宽为400μm、梁厚为20μm；质量块3的
边长为3000μm、厚度为420.5μm，支撑边框1的边长为6400μm，边的宽度为
900μm、厚度为430.5μm。所述的支撑边框1的下底面超出质量块3的下底面
10μm。
如图7和图8所示，在具体实施时，本发明的加速度计封装在陶瓷管壳5上。