一种高固有频率的量程可达200万m/s

摘要

本发明涉及一种高固有频率的量程可达200万m/s

说明书

技术领域

本发明涉及一种量程可达200万m/s²的特高量程的高固有频率的横向效应很小的微机械压阻式加速度传感器，属于微电子机械系统领域。

背景技术

随着汽车防抱死系统、制导系统、机械振动监测、军用引信等市场的日益发展，加速度传感器需求越来越增加。各种微机械加速度传感器正在不断发展研制中，其中硅微机械压阻式和电容式的加速度传感器的研究占了相当大的部分。

压阻式加速度传感器是以半导体压阻效应为基础，即当外界施加某一加速度时，引起质量块和梁对基底的相对位移，造成梁上的应力变化。由于压阻效应，梁上敏感电阻值相应发生变化，利用适当的外围电路将这种变化转化为可测量信号，如电压、电流，经过定标就可建立输出信号与被测加速度之间的关系，从而测量加速度。压阻式加速度传感器的研究正从目前中量程(数百m/s²-1万m/s²)向小量程(如10m/s²左右)和特高量程(大于万m/s²)发展。设计特高量程加速度传感器必须考虑硅的弯曲强度，因为加速度大到一定程度后梁上的应力可能使梁断裂，所以应避免发生这种情况。因而，应根据硅的断裂强度来确定传感器的测量量程，即满量程时芯片上的最大应力应该小于硅的断裂强度。

发明内容

对于任何压阻式加速速计，频率和灵敏度是两个最重要的参数指标。常规的高量程加速度计存在频率和灵敏度的相互矛盾，即频率高则灵敏度低，频率低则灵敏度高。本发明的目的在于提供了一种量程可达200万m/s²以上的微机械压阻式特高量程加速度传感器，通过新的巧妙的结构设计，使该传感器的固有频率可达到700kHz以上。

本发明的目的是通过下述方式实现的。提供的微机械压阻式特高量程加速度传感器主要由压敏电阻、敏感梁、锚区、主梁、质量块、锚区与敏感梁之间的过渡结构及下盖板等七部分组成。当有加速度时，质量块相对基体运动导致敏感梁发生变形，从而引起敏感梁上的压敏电阻发生变化，通过外围检测电路就可知道加速度的大小。中间主梁一方面使本设计的频率大大提高，又巧妙地减小了横向效应。而且，因为敏感梁尺寸的减小，结构的变形能集中在这个敏感部分上，所以频率的大大提高并没有使灵敏度相应的下降，这样就避开了常规设计的两者不可协调的矛盾。

本发明提供的量程可达200万m/s²以上的微机械压阻式加速度传感器结构特征在于：

1.采用中间主梁和敏感梁串联结构，这样，当承受外界加速度时，敏感梁和中间主梁一起来限制质量块的运动，从而使该加速度计的固有频率大大的提高。主梁的宽度与基底宽度相同，敏感梁的宽度小于中间主梁的宽度，主梁的长度是敏感梁的3倍以上，并且，主梁位于传感器结构的中部，这样保证了主梁基本不承受应力，从而，固有频率提高的同时不会引起灵敏度的下降。

2.主梁的长度是敏感梁的3倍以上，是通过锚区与敏感梁之间的过渡结构实现的，该过渡结构的厚度仅比基底硅片的厚度小1微米，其长度为中间主梁的长度与敏感梁的长度差。该过渡结构在物理意义上近似为锚区，当有加速度作用时其上面没有应力。

3.4个敏感梁对称地分布在质量块的两端，在敏感梁刚度系数不变地同时可以减小器件的横向效应。敏感梁厚度为10μm-50μm，其厚度与传感器的量程有关

4.与常规压阻式加速度传感器敏感电阻由多条矩形直线条状薄层电阻串联不同的是本实用新型提出的敏感电阻设计成单一直线条状，宽10μm，其中4条安置于敏感梁与锚区的交界处，另外4条安置于敏感梁与质量块的交界处。

5.采用下盖板的结构，下盖板与质量块之间有2微米的间隙，该间隙可以使空气阻尼比接近于0.7左右，这样可以保证该传感器具有最佳的带宽。

本发明提供的量程可达200万m/s²以上的微机械压阻式加速度传感器是采用硅微机械加工工艺制备的，系一般微机械加工工艺。

其工艺步骤如下：

1.硅片1背面预腐蚀1微米。

2.硅片1背面腐蚀，腐蚀出敏感梁2下面的活动空间。

3.硅片2预腐蚀2微米，作为与下盖板键合时的空气阻尼间隙。

4.硅片2腐蚀，形成主梁。

5.硅片1、2键合。

6.氧化，做扩散掩膜。

7.光刻电阻，扩淡硼，再分布。

8.光刻，刻浓硼窗口。

9.扩浓硼，再分布

10.光刻引线孔

11.蒸铝

12.反刻铝

13.反刻铝后的结构与下盖板进行静电键合。

从而，完成了本发明量程可达200万m/s²以上的微机械压阻式加速度传感器芯片的制作。

附图说明

图1是本发明微机械压阻式加速度传感器硅片1腐蚀后的结构。

图2是本发明微机械压阻式加速度传感器硅片2腐蚀后的结构。

图3是本发明微机械压阻式加速度传感器硅片1、2键合后的结构。

图4是本发明微机械压阻式加速度传感器与下盖板进行玻璃键合封装后的结构。

图中：

1.压敏电阻    2.敏感梁    3.锚区    4.主梁

5.质量块      6.锚区与敏感梁之间的过渡结构

7.下盖板      A.敏感芯片

具体实施方式

本发明结构特征通过下述较佳实施例予以详细说明，但本发明绝非仅局限于实施例。

实施例1

制作本发明特高量程加速度传感器芯片A采用的是微机械加工工艺。首先在硅衬底材料硅片上腐蚀出敏感梁2，敏感梁的尺寸，长度为60微米，厚度15微米，宽度300微米(图1)；然后，在另一片硅片上腐蚀出主梁4，主梁4的尺寸为长度400微米，厚度100微米，宽度2000微米(图2)。两片硅片高温键合，氧化，扩散形成敏感电阻1，敏感电阻条宽度10微米，长度500微米(图3)。传感器芯片与下盖板7采用硅玻璃键合，下盖板与传感器芯片之间有2微米的间距，用来控制阻尼(图4)。此尺寸下，该传感器固有频率为502kHz，当承受100000g加速度时芯片上最大应力为220Mpa，低于硅的断裂长度。

实施例2

敏感芯片A，敏感梁尺寸同实例1，主梁长度为300微米，厚度，宽度同实例1，在此尺寸下，固有频率为750kHz，当承受200000g加速度时芯片上最大应力为210Mpa，低于硅的断裂长度。