專利名稱：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)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)及制作方法，特別是一種利用掩膜-無掩膜腐蝕技術(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。
背景技術(shù)：
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年代末人們就開始研究一維微型硅加速度計(jì)。80年代末開始一維微型加速度計(jì)的規(guī)?；a(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)，而且在傳輸過程中不易產(chǎn)生失真誤差，無需經(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，雙端音叉通過力放大結(jié)構(gòu)兩端的支承音叉連接。音叉通過橫向運(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)，通過杠桿原理來放大軸向應(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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于發(fā)明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。本發(fā)明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軸正向加速度作用下，質(zhì)量塊(3)在X軸方向運(yùn)動(dòng)。X軸方向的諧振梁(I)之一所受的軸向拉應(yīng)力增加或軸向壓應(yīng)力減小，諧振頻率增加；X軸方向的另一諧振梁(I)軸向拉應(yīng)力減小或軸向壓應(yīng)力增加，諧振頻率減小。X軸方向的兩個(gè)諧振梁(I)諧振頻率的差值反映X軸加速度的大小和方向。同樣地，在Y軸加速度作用下使質(zhì)量塊(3)在Y軸方向運(yùn)動(dòng)，Y軸方向的諧振梁(I)之一軸向拉應(yīng)力增加或軸向壓應(yīng)力減小，諧振頻率增加；Y軸方向的另一諧振梁(I)軸向拉應(yīng)力減小或軸向壓應(yīng)力增加，諧振頻率減小，Y軸方向的兩個(gè)諧振梁(I)諧振頻率的差值反映 Y軸加速度的大小和方向。本發(fā)明所涉及的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)的X軸加速度信號(hào)也可以只用一個(gè)諧振梁(I)檢測(cè)，根據(jù)其諧振頻率增加或減小反映X軸加速度的大小和方向，但檢測(cè)靈敏度較小。同樣地，Y軸加速度信號(hào)也可以只用一個(gè)諧振梁(I)檢測(cè)，根據(jù)其諧振頻率增加或減小反映Y軸加速度的大小和方向。本發(fā)明所涉及的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)的諧振梁(I)既可以是兩端固支單梁諧振器，也可采用兩端固支雙梁諧振器或兩端固支三梁諧振器。梁上可以開槽或開孔以提高品質(zhì)因數(shù)或?qū)崿F(xiàn)電學(xué)隔離。兩端固支雙梁諧振器由兩根平行的梁組成，梁的末端合并，并與襯底固支。當(dāng)通過適當(dāng)?shù)募?lì)方式使兩個(gè)音叉臂反相振動(dòng)時(shí)，在它們的合并區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力和力矩方向相反，互相抵消，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)通過固支端與外界的能量耦合最小，振動(dòng)系統(tǒng)的能量損失小，具有較高的Q值。三梁結(jié)構(gòu)諧振梁的中間梁的寬度等于左右相鄰兩梁的寬度之和，且三者在端部經(jīng)由能量隔離區(qū)相互連成一個(gè)整體。當(dāng)選用三梁諧振器的反對(duì)稱相位的三階振動(dòng)模態(tài)作為梁的諧振模態(tài)時(shí)，中間的梁和兩邊的兩個(gè)梁在固支端產(chǎn)生的反力和力矩因振動(dòng)方向相反而相互抵消，振動(dòng)能量?jī)?chǔ)存在諧振器內(nèi)部，從而減少能量損耗， 起到提高Q值的作用。本發(fā)明所涉及的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)的諧振梁(I)采用電熱激勵(lì)、光熱激勵(lì)、逆壓電激勵(lì)、電磁激勵(lì)、靜電激勵(lì)之一激勵(lì)，使其處于諧振狀態(tài)，它輸出的諧振頻率信號(hào)采用壓阻檢測(cè)、電磁檢測(cè)、壓電檢測(cè)、光學(xué)干涉、電容檢測(cè)之一實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是諧振梁(I)和蟹腿型支撐梁(2)通過五次光刻和三次各向異性濕法腐蝕工藝制作在同一娃片上。首先，背面光刻，有掩膜腐蝕工藝從諧振梁(I)背面腐蝕硅到一定深度。然后正反面光刻，濕法腐蝕或干法刻蝕腐蝕槽 (8)中除諧振梁(I)和蟹腿型支撐梁(2)以外部分的腐蝕掩蔽層(9)，有掩膜腐蝕工藝腐蝕硅到另一深度。最后去除蟹腿型支撐梁(2)正反面的腐蝕掩蔽層(9)，掩膜-無掩膜腐蝕相結(jié)合實(shí)現(xiàn)諧振梁(I)和蟹腿型支撐梁(2)的同時(shí)成型。本發(fā)明所涉及的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)通過以下基本工藝步驟實(shí)現(xiàn)
I)原始硅片是(100)面雙面拋光硅片，厚度為H，熱氧化、化學(xué)氣相淀積法在硅片上制作腐蝕掩蔽層(9)，該薄膜同時(shí)也是摻雜時(shí)的掩蔽層和絕緣薄膜。2)光刻、腐蝕、擴(kuò)散、薄膜沉積工藝相結(jié)合制作諧振梁⑴的激振器(5)、振動(dòng)檢測(cè)元件(6)及金屬內(nèi)引線(7)。3)背面光刻，形成諧振梁背腐蝕窗口(10)，緩釋氫氟酸溶液腐蝕諧振梁背腐蝕窗口(10)中的腐蝕掩蔽層，諧振梁背腐蝕窗口(10)的長(zhǎng)度和寬度分別為L(zhǎng)和b+2(H-h) ctg54.7，其中L是腐蝕槽(8)寬度，b是第5)步工藝中諧振梁(I)的掩膜寬度，h是諧振梁
(I)的設(shè)計(jì)厚度。4)氫氧化鉀溶液中腐蝕硅，腐蝕深度為H-h-H2-0. 263 (H-d+0. 471w)，其中H2是第
7)步各向異性腐蝕時(shí)的深度，w是第5)步光刻后蟹腿型支撐梁(2)的掩蔽層寬度，d是蟹腿型支撐梁(2)的設(shè)計(jì)厚度。5)正面光刻諧振梁⑴和蟹腿型支撐梁⑵的圖形，緩釋氫氟酸溶液腐蝕腐蝕槽 (8)正面中除諧振梁(I)和蟹腿型支撐梁(2)以外部分的腐蝕掩蔽層，腐蝕掩膜圖形如圖2 所示。6)背面光刻蟹腿型支撐梁(2)的圖形，緩釋氫氟酸溶液腐蝕腐蝕槽(8)背面中除蟹腿型支撐梁(2)以外部分的腐蝕掩蔽層，腐蝕掩膜圖形如圖2所示。7)氫氧化鉀溶液中腐蝕硅，腐蝕深度H2 > d/2。8)正面光刻，緩釋氫氟酸溶液腐蝕正面腐蝕槽(8)中除諧振梁(I)以外的腐蝕掩蔽層；反面光刻，緩釋氫氟酸溶液腐蝕背面腐蝕槽(8)中的腐蝕掩蔽層。9)氫氧化鉀溶液中腐蝕硅，垂直腐蝕深度為O. 263 (H-d+0. 47Iw)時(shí)諧振梁⑴和蟹腿型支撐梁(2)同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。利用上述方法制作的蟹腿型支撐梁(2)的截面是棱形，側(cè)面夾角為50.48°和 129.52 °，有效長(zhǎng)度是是L-(H-d)ctg54. 7° ;諧振梁(I)的長(zhǎng)度有效長(zhǎng)度是L_2 (H_h) ctg54. V，諧振梁(I)側(cè)面和底面的夾角為25. 24。，其下底的寬度為b+0. 56H+1. 416h+0. 622d-2. 364Η2-0· 293w-1. 192 ,上底的寬度 b+0. 56H+5. 659h_2. 364H2_0. 293w-l. 192 ,下底的寬度等于零時(shí)截面為等腰三角形，上底的寬度是4. 24h。本發(fā)明所涉及的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)及其制作方法的優(yōu)點(diǎn)在于在同一硅片上制作出不在同一平面的諧振梁(I)和蟹腿型支撐梁(2)，諧振梁(I)位于襯底上表面，而蟹腿型支撐梁(2)的中性面與質(zhì)量塊(3)的重心在同一平面，使制作的諧振式加速度計(jì)具有較小的交叉軸干擾。另外，利用剛度較小的蟹腿型支撐梁(2)支撐質(zhì)量塊，對(duì)面內(nèi)加速度具有較高的測(cè)量靈敏度。


圖I為本發(fā)明所涉及的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所涉及的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)基本工藝步驟5)和步驟6) 的光刻掩模圖形，其中陰影區(qū)域?yàn)檠诒螌颖桓g的區(qū)域。圖3是作為本發(fā)明實(shí)施例的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)沿圖I中AA視角的制作工藝流程圖。其中諧振梁(I)采用電熱激勵(lì)、壓敏電阻檢測(cè)。圖中
I-諧振梁4-框架7-金屬內(nèi)引線
2-蟹腿型支撐梁 3-質(zhì)量塊 5-激振器6-檢測(cè)元件
8-腐蝕槽9-腐蝕掩蔽層10-諧振梁背腐蝕窗口 11-諧振梁掩模 12-蟹腿型支撐梁掩模13-蟹腿型支撐梁轉(zhuǎn)折處凸角補(bǔ)償掩膜
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖3和實(shí)施例I對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不局限于該實(shí)施例。實(shí)施例I :原始硅片(3)厚度為380微米，諧振梁(I)厚度為10微米，蟹腿型支撐梁(2)厚度為50微米，腐蝕槽(8)寬度661微米。其中諧振梁采用電熱激勵(lì)、壓敏電阻檢測(cè)。依據(jù)上述數(shù)據(jù)來確定的制作工藝流程如下I)熱氧化，在(100)晶向的硅片正反兩面制作厚度I. 5微米的二氧化硅薄膜。(見附圖3[1])2)光刻、腐蝕、擴(kuò)散、薄膜沉積工藝相結(jié)合在硅片上制作諧振梁⑴的激振器和振動(dòng)檢測(cè)元件。(見附圖3[2])3)背面光刻，形成諧振梁背腐蝕窗口(10)。諧振梁背腐蝕窗口(11)的長(zhǎng)度(沿諧振梁⑴長(zhǎng)度方向)和寬度(沿諧振梁⑴寬度方向)較諧振梁⑴的長(zhǎng)度和寬度分別為 660微米和724微米。緩釋氫氟酸溶液腐蝕諧振梁背腐蝕窗口(10)中的腐蝕掩蔽層。(見附圖3[3])4) 40%氫氧化鉀溶液中腐蝕硅，垂直腐蝕深度130微米。(見附圖3 [4])5)正面光刻諧振梁⑴和蟹腿型支撐梁⑵的圖形，緩釋氫氟酸溶液腐蝕腐蝕槽
(8)正面中除諧振梁(I)和蟹腿型支撐梁(2)以外部分的腐蝕掩蔽層。諧振梁(I)的掩蔽層寬度為120微米。(見附圖3[5])6)背面光刻蟹腿型支撐梁(2)的圖形，緩釋氫氟酸溶液腐蝕腐蝕槽(8)背面中除蟹腿型支撐梁(2)以外部分的腐蝕掩蔽層。(見附圖3[6])7)40%氫氧化鉀溶液中腐蝕硅，腐蝕深度等于120微米。(見附圖3[7])8)正面光刻，緩釋氫氟酸溶液腐蝕正面腐蝕槽(8)中除諧振梁(I)以外的腐蝕掩蔽層。反面光刻，緩釋氫氟酸溶液腐蝕背面腐蝕槽(8)中的腐蝕掩蔽層。(見附圖3[8])9)40%氫氧化鉀溶液中腐蝕硅，腐蝕深度等于120微米時(shí)諧振梁(I)和蟹腿型支撐梁(2)同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。(見附圖3[9])利用上述工藝步驟腐蝕的諧振梁(I)的上底的寬度為137微米，下底的寬度為 94. 5微米，諧振梁(I)的有效長(zhǎng)度(亦即厚度為10微米部分)是137微米。蟹腿型支撐梁
(2)的有效長(zhǎng)度是(亦即厚度為50微米部分)是427微米。
權(quán)利要求
1.一種雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)及制作方法，其特征在于所述的雙軸體微機(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(3)和框架(4)之間的“口”字型腐蝕槽(8)內(nèi)，一端固支在質(zhì)量塊(3)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。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)及制作方法，其特征在于可通過以下基本工藝步驟實(shí)現(xiàn)1)原始硅片是(100)面雙面拋光硅片，厚度為H，熱氧化、化學(xué)氣相淀積法在硅片上制作腐蝕掩蔽層(9)，該薄膜同時(shí)也是摻雜時(shí)的掩蔽層和絕緣薄膜；2)光刻、腐蝕、擴(kuò)散、薄膜沉積工藝相結(jié)合制作諧振梁(I)的激振器(5)、振動(dòng)檢測(cè)元件(6)及金屬內(nèi)引線(7)；3)背面光刻，形成諧振梁背腐蝕窗口(10)，緩釋氫氟酸溶液腐蝕諧振梁背腐蝕窗口(10)中的腐蝕掩蔽層，諧振梁背腐蝕窗口(10)的長(zhǎng)度和寬度分別為L(zhǎng)和b+2(H-h) ctg54. 7°，其中L是腐蝕槽(8)寬度，b是第5)步工藝中諧振梁(I)的掩膜寬度，h是諧振梁(I)的設(shè)計(jì)厚度；4)氫氧化鉀溶液中腐蝕硅，腐蝕深度為H-h-H2-0.263 (H-d+0. 47Iw)，其中H2是第7)步各向異性腐蝕時(shí)的深度，w是第5)步光刻后蟹腿型支撐梁(2)的掩蔽層寬度，d是蟹腿型支撐梁(2)的設(shè)計(jì)厚度；5)正面光刻諧振梁(I)和蟹腿型支撐梁(2)的圖形，緩釋氫氟酸溶液腐蝕腐蝕槽(8) 正面中除諧振梁(I)和蟹腿型支撐梁(2)以外部分的腐蝕掩蔽層；6)背面光刻蟹腿型支撐梁(2)的圖形，緩釋氫氟酸溶液腐蝕腐蝕槽(8)背面中除蟹腿型支撐梁(2)以外部分的腐蝕掩蔽層；7)氫氧化鉀溶液中腐蝕硅，腐蝕深度H2> d/2 ；8)正面光刻，緩釋氫氟酸溶液腐蝕正面腐蝕槽(8)中除諧振梁(I)以外的腐蝕掩蔽層； 反面光刻，緩釋氫氟酸溶液腐蝕背面腐蝕槽(8)中的腐蝕掩蔽層；9)氫氧化鉀溶液中腐蝕硅，垂直腐蝕深度為O.263 (H-d+0. 47Iw)時(shí)諧振梁(I)和蟹腿型支撐梁(2)同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙軸體微機(jī)械諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)及制作方法，其特征在于所制作的蟹腿型支撐梁(2)的截面是等腰棱形，側(cè)面夾角為50. 48°和129. 52°，有效長(zhǎng)度是是L-(H-d)ctg54.7° ;諧振梁(I)的長(zhǎng)度有效長(zhǎng)度是L-2(H-h)ctg54.7°，諧振梁(I)側(cè)面和底面的夾角為25. 24。，其下底的寬度為b+0. 56H+1. 416h+0. 622d_2. 364Η2_0· 2 93w-l. 192 ,上底的寬度 b+0. 56H+5. 659h_2. 364H2_0. 293w_l. 192 ,下底的寬度等于零時(shí)截面為等腰三角形，上底的寬度是4. 24h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙軸體微機(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。
文檔編號(hào)G01P15/18GK102608356SQ20121005938
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者馮日盛, 李森林, 李琰, 李青, 韓建強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院