一種雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)及制作方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)及制作方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域。組成諧振式加速度計(jì)的諧振梁(1)位于襯底上表面，蟹腿型支撐梁(2)的中性面與質(zhì)量塊(3)的重心在同一平面。諧振梁(1)和蟹腿型支撐梁(2)通過(guò)五次光刻和三次各向異性濕法腐蝕工藝制作在同一硅片上。首先，背面光刻，有掩膜腐蝕工藝從諧振梁(1)背面腐蝕硅到一定深度。然后正反面光刻，去除腐蝕槽(8)中除諧振梁(1)和蟹腿型支撐梁(2)以外部分的腐蝕掩蔽層(9)，有掩膜腐蝕硅到另一深度。最后，去除蟹腿型支撐梁(2)正反面的腐蝕掩蔽層(9)，掩膜和無(wú)掩膜腐蝕相結(jié)合實(shí)現(xiàn)諧振梁(1)和蟹腿型支撐梁(2)的同時(shí)成型。該雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)具有較小的交叉軸干擾和較高的靈敏度。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及，特別是一種利用掩膜-無(wú)掩膜腐蝕技術(shù)制作的諧振梁和蟹腿型支撐梁組成的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)及制作方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
微型加速度計(jì)是一類重要的力學(xué)量傳感器。早在上世紀(jì)60年代末人們就開(kāi)始研究一維微型硅加速度計(jì)。80年代末開(kāi)始一維微型加速度計(jì)的規(guī)模化生產(chǎn)。進(jìn)入到90年代， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和軍事、商業(yè)市場(chǎng)的需求，開(kāi)始研究三維微型加速度計(jì)，應(yīng)用于軍事、 汽車電子、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。由于微型加速度計(jì)具有體積小、重量輕、功耗和成本低、過(guò)載能力強(qiáng)、易集成、可大規(guī)模批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，不僅成為微慣性測(cè)量組合的核心元件，也迅速應(yīng)用到車輛控制、高速鐵路、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、探礦、玩具、醫(yī)療等民用領(lǐng)域。微型加速度計(jì)是利用傳感質(zhì)量的慣性力測(cè)量加速度的傳感器。按照信號(hào)檢測(cè)方式分可為壓阻式、電容式、隧道電流式、諧振式、熱對(duì)流式、壓電式加速度計(jì)。上世紀(jì)90年代以后，隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展以及軍事、商業(yè)市場(chǎng)的需求，單一方向的加速度測(cè)試已經(jīng)不能滿足各方面的需求，加速度計(jì)向三維方向發(fā)展，以用于檢測(cè)空間加速度，為衛(wèi)星導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、炮彈定向等軍工項(xiàng)目和汽車防震保護(hù)、自動(dòng)剎車、醫(yī)療等民用項(xiàng)目服務(wù)。三軸微型加速度計(jì)能夠同時(shí)測(cè)量相互正交的三個(gè)軸向加速度。其測(cè)量原理包括電容式、壓阻式、壓電式和熱對(duì)流式，按照質(zhì)量塊數(shù)目可分為多質(zhì)量塊和單質(zhì)量塊系統(tǒng)。諧振式加速度傳感器利用慣性力改變諧振器的軸向應(yīng)力和應(yīng)變，從而引起諧振頻率變化，檢測(cè)諧振頻率的變化量獲得加速度的大小。諧振式加速度傳感器可以將被測(cè)加速度直接轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定性和可靠性較高的頻率信號(hào)，而且在傳輸過(guò)程中不易產(chǎn)生失真誤差，無(wú)需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器即可與數(shù)字系統(tǒng)接口。另外，諧振式加速度傳感器動(dòng)態(tài)范圍寬、靈敏度和分辨率高、穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高，已達(dá)到lKHz/g的靈敏度和2 μ g的噪聲水平，能夠滿足對(duì)加速度傳感器的高性能要求。1996年Christian Burrer報(bào)道的電熱激勵(lì)/壓阻檢測(cè)諧振式加速度傳感器由質(zhì)量塊、支撐懸臂梁和諧振梁組成。敏感質(zhì)量塊懸掛在與其中心軸線平行且對(duì)稱的兩根支撐梁的一端，支撐梁另一端固定在襯底上。諧振梁一端與敏感質(zhì)量塊相連， 另一端固定在襯底上。當(dāng)有垂直襯底表面的加速度作用于敏感質(zhì)量塊上時(shí)，質(zhì)量塊將在垂直方向移動(dòng)，導(dǎo)致諧振梁產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變，改變諧振梁的固有頻率，靈敏度為250Hz/g。同年D. ff. Burns結(jié)合體微機(jī)械和表面微機(jī)械工藝制作了一種靜電激勵(lì)/壓阻檢測(cè)的多晶硅微梁諧振式加速度傳感器，傳感器包括質(zhì)量塊、上下密封蓋、支撐彈性梁、兩個(gè)同軸的諧振梁和檢測(cè)諧振梁應(yīng)變的壓敏電阻組成。質(zhì)量塊和彈性梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu)以降低交叉軸的干擾，上、下密封蓋板為質(zhì)量塊提供擠壓模阻尼和過(guò)載保護(hù)。密封外殼上施加直流偏壓。 諧振梁的驅(qū)動(dòng)電極上施加小幅交流電壓，產(chǎn)生的靜電力驅(qū)動(dòng)諧振梁振動(dòng)。諧振梁固支端的壓敏電阻測(cè)量梁振動(dòng)引起的應(yīng)變，放大后反饋到驅(qū)動(dòng)電極，使諧振梁振動(dòng)在諧振頻率。兩個(gè)諧振梁工作在差動(dòng)模式，加速度使一個(gè)諧振梁的諧振頻率增加，另外一個(gè)減小，以提高靈敏度并對(duì)共模信號(hào)(如溫度交叉靈敏度)進(jìn)行抑制。傳感器的量程可以通過(guò)支撐梁的尺寸調(diào)節(jié)。對(duì)20g的量程，諧振梁的長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為200 μ m，40 μ m和2 μ m，諧振頻率為 500KHz，Z軸加速度檢測(cè)靈敏度高達(dá)1750Hz/g。2000年韓國(guó)Seoul國(guó)立大學(xué)Byeung-Ieul Lee等米用表面微機(jī)械工藝研制了一種慣性導(dǎo)航級(jí)的差動(dòng)諧振式單軸加速度傳感器(DRXL)，其敏感元件是靜電激勵(lì)的扭轉(zhuǎn)梁諧振器。垂直方向的加速度測(cè)量利用靜電剛度調(diào)節(jié)效應(yīng)，通過(guò)加速度產(chǎn)生的慣性力改變彈性梁承受的靜電力，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛度系數(shù)的改變，從而引起諧振頻率的變化，并采用兩個(gè)形狀互補(bǔ)的質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)差動(dòng)測(cè)量。面內(nèi)加速度傳感器采用末端帶有質(zhì)量塊的雙端音叉，利用慣性力改變音叉的軸向力，從而改變諧振頻率。面內(nèi)加速度的諧振頻率為23. 4KHz，靈敏度最高達(dá)到128Hz/g，帶寬為110Hz，精度為5. 2 μ g ;垂直方向的諧振頻率為12KHz，靈敏度最高達(dá)到 70Hz/g,帶寬為 100Hz，精度為 2. 5 μ g。1997年Trey A. Roessig采用表面微機(jī)械工藝制作了一種新型結(jié)構(gòu)的諧振式加速度傳感器。傳感器包括質(zhì)量塊、兩個(gè)雙端音叉和支撐梁，雙端音叉通過(guò)力放大結(jié)構(gòu)兩端的支承音叉連接。音叉通過(guò)橫向運(yùn)動(dòng)的梳狀電容驅(qū)動(dòng)在諧振頻率上振動(dòng)，并作為諧振電路反饋回路的一部分，以維持振動(dòng)。當(dāng)加速度作用在質(zhì)量塊上時(shí)，產(chǎn)生雙端音叉軸向方向的作用力，改變系統(tǒng)的勢(shì)能，從而改變音叉的振動(dòng)頻率。兩個(gè)雙端音叉的差動(dòng)輸出可以消除共模誤差的一階分量對(duì)頻率的影響(如溫度和交叉軸干擾)。雙端固支音叉諧振器的諧振頻率為 68KHz，靈敏度為45Hz/g。2002年該研究小組又報(bào)道了一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的器件，真空封裝后的器件在300Hz時(shí)的本底噪聲為。2005年，V. Ferrari等人報(bào)道了一種利用體硅工藝制作的電熱激勵(lì)/壓阻檢測(cè)諧振式加速度計(jì)。芯片平面的加速度誘發(fā)微諧振梁軸向應(yīng)力，按比例改變微梁的諧振頻率。微梁諧振頻率為700KHz。在O 3KHz頻段內(nèi)，測(cè)量靈敏度為35Hz/g。測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)引入了電路補(bǔ)償環(huán)節(jié)補(bǔ)償輸入輸出的Cross-talk效應(yīng)，有效的減小了輸入輸出的串?dāng)_效應(yīng)。諧振式加速度傳感器制作的難點(diǎn)之一在于如何在框架和質(zhì)量塊之間制作不在同一平面的支撐梁和諧振梁，要求諧振梁位于襯底上表面，而支撐梁的中性面要與質(zhì)量塊的重心在同一平面。否則會(huì)引入較大的交叉軸干擾和測(cè)量誤差。為解決這一問(wèn)題Christian Burrer等人在一個(gè)晶圓上制作諧振梁和質(zhì)量塊的上半部分，而在另一襯底上制作支撐梁和質(zhì)量塊的下半部分，然后將二者鍵合在一起。其不利之處在于鍵合面易于開(kāi)裂。D.W. Burns 利用重?fù)诫s自停止腐蝕的方法在芯片正反兩面制作支撐梁，實(shí)現(xiàn)支撐梁中性面與質(zhì)量塊重心在同一平面。利用該方法實(shí)現(xiàn)的諧振式加速度計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)需要濃硼摻雜和自停止腐蝕， 支撐梁厚度較小。常用的微諧振梁加速度計(jì)有懸臂梁式、兩端固支梁式、雙音叉式。懸臂梁式制作簡(jiǎn)單，慣性力一軸向應(yīng)力轉(zhuǎn)化效率高，但對(duì)稱性差，存在較大的交叉軸干擾，不易實(shí)現(xiàn)差動(dòng)輸出結(jié)構(gòu)以抑制共模信號(hào)及溫度等外界因素造成的誤差。雙音叉式采用差動(dòng)輸出結(jié)構(gòu)，通過(guò)杠桿原理來(lái)放大軸向應(yīng)力，慣性力一軸向應(yīng)力轉(zhuǎn)化效率低，靈敏度低。兩端固支梁式靈敏度一般也比較小。提高諧振式加速度傳感器的靈敏度是諧振式加速度傳感器研制的關(guān)鍵。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于專利技術(shù)一種新型的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)及制作方法。所述的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)由諧振梁(I)、蟹腿型支撐梁(2)、質(zhì)量塊(3)、框架(4)、激振器(5)、檢測(cè)元件(6)和金屬內(nèi)引線(7)組成。諧振梁(I)和蟹腿型支撐梁(2) 位于質(zhì)量塊⑶和框架⑷之間的“口”字型腐蝕槽⑶內(nèi)，一端固支在質(zhì)量塊⑶的側(cè)面， 另一端固支在框架(4)內(nèi)壁。諧振梁(I)位于傳感器芯片上表面，蟹腿型支撐梁(2)的中性面與質(zhì)量塊(3)的重心在同一水平面。本專利技術(shù)所涉及的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)的工作原理在X軸本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：韓建強(qiáng)，馮日盛，李琰，李森林，李青，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)計(jì)量學(xué)院，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：