一種壓阻式加速度傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種壓阻式加速度傳感器及其制造方法，屬于傳感器領(lǐng)域的加速度傳感器裝置。包括支撐邊框1、彈性懸梁臂2、壓敏電阻3、質(zhì)量塊4、玻璃基底6和玻璃蓋板7，其特征在于，所述彈性懸梁臂2為蛇形的彈性懸梁臂，所述質(zhì)量塊上設(shè)有陣列排布的阻尼孔5。本發(fā)明壓阻式加速度傳感器中的彈性懸梁臂采用蛇形結(jié)構(gòu)，可以使彈性懸梁臂的梁的長度更長，對加速度的響應(yīng)更靈敏，可以有效增加傳感器的靈敏度；質(zhì)量塊上設(shè)有阻尼孔，能有效降低空氣阻力的影響，保證精確度，同時使傳感器對于封裝的真空度要求降低，降低生產(chǎn)成本。
【專利說明】一種壓阻式加速度傳感器及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域的加速度傳感器裝置，具體涉及一種壓阻式加速度傳感器及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]微機械加速度傳感器是一種重要的加速度測量器件，具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、易于加工等優(yōu)點，大量應(yīng)用于汽車安全氣囊、新型玩具、機器人、工業(yè)自動化、探礦、地震監(jiān)控、軍事導(dǎo)航、生物醫(yī)療、智能手機、智能穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。加速度傳感器的類型主要有壓阻式、壓電式、諧振式、隧道電流式和電容式，其中壓阻式加速度傳感器因動態(tài)響應(yīng)特性及輸出線性較好，體積小，功耗低等優(yōu)點，廣泛運用于各個領(lǐng)域。
[0003]壓阻式加速度傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器，其工作原理是，質(zhì)量塊響應(yīng)被檢測的加速度運動，引起位于梁上的壓敏電阻發(fā)生形變，使壓敏電阻阻值發(fā)生變化，通過電路測量電阻變化即可得到被檢測加速度的大小。傳統(tǒng)的加速度傳感器由于采用直梁結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致靈敏度較低，且質(zhì)量塊在工作中易受到空氣阻力的影響，使傳感器的精確度降低，而要克服空氣阻力，則需要加強封裝的真空度，這會提高成本、使工藝復(fù)雜。
[0004]加速度傳感器通常采用微機械加工技術(shù)制造。微機械加工技術(shù)是在集成電路工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要包括體微加工技術(shù)和表面微加工技術(shù)。體微加工技術(shù)主要是利用刻蝕技術(shù)形成三維結(jié)構(gòu)，分為濕法腐蝕和干法腐蝕。濕法腐蝕是將腐蝕的硅片置入具有確定化學(xué)成分和固定溫度的腐蝕液體里進行的腐蝕。硅的各向同性腐蝕是在硅的各個腐蝕方向上的腐蝕速度相等，比如化學(xué)拋光等，常用的腐蝕液是HF-HNO3腐蝕系統(tǒng)，一般在HF和HNO3中加H2O或者CH3C00H。而硅的各向異性腐蝕，是指對硅的不同晶面具有不同的腐蝕速率，比如，〈100〉與〈111〉面的腐蝕速率比為100:1，基于這種腐蝕特性，可在硅襯底上加工出各種各樣的微結(jié)構(gòu)。
[0005]干法刻蝕是氣體利用反應(yīng)性氣體或離子流進行的腐蝕。干法腐蝕可以腐蝕多種金屬，也可以刻蝕許多非金屬材料；既可以各向同性刻蝕，又可以各向異性刻蝕，是集成電路工藝或MEMS工藝常用方法。按刻蝕原理分，可分為等離子體刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕和電感耦合等離子體刻蝕。在等離子氣體中，可實現(xiàn)各向同性的等離子腐蝕。
[0006]表面微機械加工技術(shù)是娃基上形成薄膜并按一定要求對薄膜進行加工的技術(shù)。薄膜沉積一般采用常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD)、低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)和等離子體增強化學(xué)氣相淀積(PECVD)。薄膜的加工通常采用光刻技術(shù)，通過光刻將設(shè)計好的微機械結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，再用各種腐蝕工藝形成微結(jié)構(gòu)。在表面微機械加工中，有時要形成各種懸空結(jié)構(gòu)如微腔和微橋，通常采用犧牲層技術(shù)實現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的壓阻式傳感器靈敏度不高、易受空氣阻力影響、封裝真空度要求高等問題。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]一種壓阻式加速度傳感器，包括支撐邊框1、彈性懸梁臂2、壓敏電阻3、質(zhì)量塊4、玻璃基底6和玻璃蓋板7，其特征在于，所述彈性懸梁臂2為蛇形的彈性懸梁臂，所述質(zhì)量塊上設(shè)有陣列排布的阻尼孔5。
[0010]進一步地，質(zhì)量塊位于支撐邊框中并通過四個蛇形彈性懸梁臂與支撐邊框連接，在靠近質(zhì)量塊一端的蛇形懸梁臂上設(shè)置有壓敏電阻。
[0011]更進一步地，所述支撐邊框I為正方形，其每條邊的中點處分別固定一個蛇形彈性懸梁臂，蛇形彈性懸梁臂的一端固定在支撐邊框上，另一端固定在質(zhì)量塊上，四個壓敏電阻分別設(shè)置在蛇形彈性懸梁臂靠近質(zhì)量塊一端，支撐邊框通過靜電鍵合技術(shù)分別與玻璃基底和玻璃蓋板鍵合，所述質(zhì)量塊的下表面與玻璃基底之間有間隔。
[0012]一種壓阻式加速度傳感器的制造方法，包括以下步驟:
[0013]I)在硅片雙面沉積S12 ；
[0014]2)正面光刻S12，離子注入濃硼，做歐姆接觸；
[0015]3)正面光刻S12,尚子注入淡硼，做壓敏電阻；
[0016]4)去除 S12,雙面沉積 Si3N4 ；
[0017]5)背面光刻Si3N4,預(yù)腐蝕，減薄質(zhì)量塊的厚度；
[0018]6)背面沉積Si3N4，光刻Si3N4，濕法腐蝕出質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)；
[0019]7)去除 Si3N4,正面沉積 S12 ；
[0020]8)光刻S12,濺射Al，光刻形成Al導(dǎo)線；
[0021]9)光刻S12，光刻Si形成蛇形懸梁臂和阻尼孔；
[0022]10)靜電鍵合玻璃基底和玻璃蓋板。
[0023]其中，步驟3)中的壓敏電阻通過離子注入和擴散工藝加工制成，步驟6)中采用各向異性濕法刻蝕出質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，步驟9)中所述的蛇形梁和阻尼孔均采用DRIE工藝加工制成。
[0024]本發(fā)明的有益效果為:
[0025]1、本發(fā)明提供的壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，可靠性高，易于加工。
[0026]2、本發(fā)明提供的壓阻式加速度傳感器中的彈性懸梁臂采用蛇形結(jié)構(gòu)，可以使彈性懸梁臂的梁的長度更長，對加速度的響應(yīng)更靈敏，可以有效增加傳感器的靈敏度。
[0027]3、本發(fā)明提供的壓阻式加速度傳感器的質(zhì)量塊上設(shè)有阻尼孔，能有效降低空氣阻力的影響，保證精確度，同時使傳感器對于封裝的真空度要求降低，降低生產(chǎn)成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明壓阻式加速度傳感器的俯視圖。
[0029]圖2為本發(fā)明壓阻式加速度傳感器的剖面圖。
[0030]圖3為本發(fā)明壓阻式加速度傳感器的壓敏電阻組成的惠斯通電橋電路。
[0031]圖4為制作本發(fā)明壓阻式加速度傳感器的工藝步驟。
[0032]其中，I為支撐邊框，2為蛇形彈性懸梁臂，3為壓敏電阻，4為質(zhì)量塊，5為阻尼孔，6為玻璃基底，7為玻璃蓋板，8為Al導(dǎo)線，9為二氧化硅薄膜，10為氮化硅薄膜。

【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的介紹。
[0034]圖1為本發(fā)明壓阻式加速度傳感器的俯視圖，如圖1所示，本發(fā)明壓阻式加速度傳感器包括支撐邊框1、四個蛇形彈性懸梁臂2、壓敏電阻3、質(zhì)量塊4、阻尼孔5、玻璃基底6和玻璃蓋板7。支撐邊框I通過蛇形彈性懸梁臂將質(zhì)量塊4支撐，質(zhì)量塊4的下表面高于支撐邊框I的下表面，便于質(zhì)量塊在慣性作用下上下移動；彈性懸梁臂2采用蛇形結(jié)構(gòu)，可以使梁的長度更長，對加速度的響應(yīng)更敏感，能有效增加傳感器的靈敏度；壓敏電阻3分布于彈性懸梁臂靠近質(zhì)量塊4 一端，當質(zhì)量塊4響應(yīng)加速度發(fā)生位移時，壓敏電阻3發(fā)生形變，電阻變化；阻尼孔5陣列排布分布于質(zhì)量塊上，能降低空氣阻力對質(zhì)量塊4的影響，增加了傳感器的線性特性。
[0035]圖2為本發(fā)明壓阻式加速度傳感器的剖面圖，玻璃基底6和玻璃蓋板7通過靜電鍵合工藝與加速度傳感器的支撐邊框貼合，起保護和封裝作用。
[0036]圖3為四個壓敏電阻3通過Al導(dǎo)線8組成的惠斯通電橋電路，用于檢測加速度。因為四個壓敏電阻對稱分布于質(zhì)量塊4四邊的蛇形彈性懸梁臂上2，能降低對X，Y方向加速度的耦合和溫度漂移影響。
[0037]圖4為本發(fā)明壓阻式加速度傳感器的具體工藝步驟:
[0038]I)圖4-a為在η型〈100〉雙面拋光硅片上通過PECVD工藝雙面沉積S12薄膜9 ；
[0039]2)圖4-b為正面刻蝕S12薄膜開出離子注入窗口，然后通過離子注入在硅基表面注入濃硼，用于歐姆接觸；
[0040]3)圖4-c為正面刻蝕S12薄膜開出離子注入窗口，然后通過離子注入在硅基表面注入淡硼，形成壓敏電阻；
[0041]4)圖4-d為去除S12薄膜，然后通過PECVD雙面積淀Si3N4薄膜10 ；
[0042]5)圖4-e為背面刻蝕Si3N4薄膜，通過濕法腐蝕減薄質(zhì)量塊厚度；
[0043]6)圖4-f為背面PECVD沉積Si3N4薄膜，刻蝕Si3N4,再通過濕法腐蝕得到質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)；
[0044]7)圖4-g為去除Si3N4薄膜，正面通過PECVD沉積S12薄膜；
[0045]8)圖4-h為刻蝕S12薄膜，濺射Al，光刻Al生成導(dǎo)線；
[0046]9)圖4-1為刻蝕S12薄膜，通過深反應(yīng)離子刻蝕硅生成阻尼孔和蛇形梁結(jié)構(gòu)；
[0047]10)圖4-j為通過靜電鍵合技術(shù)將玻璃基板和玻璃蓋板與硅基鍵合。
【權(quán)利要求】
1.一種壓阻式加速度傳感器，包括支撐邊框(I)、彈性懸梁臂(2)、壓敏電阻(3)、質(zhì)量塊(4)、玻璃基底(6)和玻璃蓋板(7)，其特征在于，所述彈性懸梁臂(2)為蛇形的彈性懸梁臂，所述質(zhì)量塊上設(shè)有陣列排布的阻尼孔(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式加速度傳感器，其特征在于，所述質(zhì)量塊位于支撐邊框中并通過四個蛇形彈性懸梁臂與支撐邊框連接，在靠近質(zhì)量塊一端的蛇形懸梁臂上設(shè)置有壓敏電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式加速度傳感器，其特征在于，所述支撐邊框為正方形，其每條邊的中點處分別固定一個蛇形彈性懸梁臂，蛇形彈性懸梁臂的一端固定在支撐邊框上，另一端固定在質(zhì)量塊上，四個壓敏電阻分別設(shè)置在蛇形彈性懸梁臂靠近質(zhì)量塊一端，支撐邊框通過靜電鍵合技術(shù)分別與玻璃基底和玻璃蓋板鍵合，所述質(zhì)量塊的下表面與玻璃基底之間有間隔。
4.一種壓阻式加速度傳感器的制造方法，包括以下步驟: 1)在硅片雙面沉積S12； 2)正面光刻S12，離子注入濃硼，做歐姆接觸； 3)正面光刻S12，離子注入淡硼，做壓敏電阻； 4)去除S12,雙面沉積Si3N4； 5)背面光刻Si3N4，預(yù)腐蝕，減薄質(zhì)量塊的厚度； 6)背面沉積Si3N4，光刻Si3N4，濕法腐蝕出質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)； 7)去除Si3N4,正面沉積S12； 8)光刻S12，濺射Al，光刻形成Al導(dǎo)線； 9)光刻S12，光刻Si形成蛇形梁和阻尼孔； 10)靜電鍵合玻璃基底和玻璃蓋板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓阻式加速度傳感器的制造方法，其特征在于，所述步驟3)中的壓敏電阻通過離子注入和擴散工藝加工制成，步驟6)中采用各向異性濕法刻蝕出質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，步驟9)中所述的蛇形梁和阻尼孔均采用DRIE工藝加工制成。
【文檔編號】G01P15/12GK104181331SQ201410427402
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】陳超, 趙源, 王濤, 張龍, 胡曉, 馬家鋒 申請人:電子科技大學(xué)