一种基于非晶态碳膜的加速度传感器芯片制造技术

一种基于非晶态碳膜的加速度传感器芯片，包括硅质敏感结构，硅质敏感结构的背面与硼玻璃键合，硅质敏感结构包括质量块以及与质量块相连的悬臂梁，在硅质敏感结构上采用物理气相沉积或化学气相沉积方法镀有四个非晶碳膜电阻，其中第一非晶态碳膜电阻位于硅质敏感结构的悬臂梁上，并靠近边框一端；第二、第三、第四非晶态碳膜电阻位于硅质敏感结构的边框处，四个非晶碳膜电阻连接成惠斯通半桥检测电路，并通过金属导线和焊盘连接，由于本发明专利技术采用的非晶态碳膜电阻具有低摩擦系数、耐腐蚀，耐磨等优良特性，彻底解决传统MEMS硅微传感器测量灵敏度和固有频率之间的制约关系，使传感器兼具高固有频率以及高测量灵敏度等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及MEMS加速度传感器芯片
，特别涉及一种基于非晶态碳膜的加速度传感器芯片。
技术介绍
随着微机械电子系统(MEMS)技术的发展以及工业、军事等实际应用领域的需求的变革，具有不同性能与敏感原理加速度传感器逐渐进入人们的视野。根据感知加速度的敏感机理不同，加速度传感器可以分为电容式、压阻式、压电式、谐振式和热传导式等。由于采用了MEMS技术与IC集成工艺，具有体积小、重量轻特点的加速度传感器可以安置在狭小的空间中，从而出现在一些常规传感器无法使用的应用场合，比如机床主轴振动监测、智能笔、虚拟现实、三维鼠标和体育器材等。目前，对于MEMS加速度传感器的研究，多只在其敏感结构上进行创新设计，相继出现了基于悬臂梁-质量块、十字梁、双桥以及复合多梁等敏感结构的MEMS加速度传感器。虽然上述的敏感结构在一定程度上提升了传感器性能，但是存在以下问题：1.由于加速度传感器敏感结构的灵敏度和固有频率是相互约束的一对参数，而且这种矛盾关系无法被彻底消除；2.传统的MEMS传感器均采用离子注入的方式在硅基底上形成压敏电阻，一般都需要2-3步才能完成电阻的制作，制作工艺较为复杂；3.压敏电阻不具备耐磨，耐腐蚀等特性，限制了其在一些恶劣环境下的应用，缩减了传感器的寿命。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于非晶态碳膜的加速度传感器芯片，彻底解决传统MEMS硅微传感器测量灵敏度和固有频率之间的制约关系，使传感器兼具高固有频率以及高测量灵敏度等特点，采用的非晶态碳膜电阻具有低摩擦系数、耐腐蚀，耐磨等优良特性，适合恶劣环境下的应用，具有很大的市场效益和经济价值。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于非晶态碳膜的加速度传感器芯片，包括硅质敏感结构1，硅质敏感结构1的背面与硼玻璃2的正面键合，硅质敏感结构1的背面和硼玻璃2的正面之间设有空腔3，硅质敏感结构1包括质量块5以及与质量块5相连的悬臂梁6，在硅质敏感结构1上采用物理气相沉积或化学气相沉积方法镀有四个非晶碳膜电阻4-1、4-2、4-3、4-4，其中第一非晶态碳膜电阻4-1位于硅质敏感结构1的悬臂梁6上，并靠近边框一端；第二非晶态碳膜电阻4-2、第三非晶态碳膜电阻4-3以及第四非晶态碳膜电阻4-4位于硅质敏感结构1的边框处，四个非晶碳膜电阻4-1、4-2、4-3、4-4连接成惠斯通半桥检测电路，并通过金属导线7和焊盘8连接，硅质敏感结构1、硼玻璃2、非晶态碳膜电阻、金属导线7以及焊盘8构成了基于非晶态碳膜的加速度传感器芯片。所述的非晶态碳膜电阻是采用磁控溅射以及化学气相沉积方法制备的，其偏压分别为-300V～300V和-150V～-750V。所述的硅质敏感结构1的质量块5与硼玻璃2之间预留有20-40μm的工作间隙。由于本专利技术采用了高压阻系数的非晶态碳膜电阻代替传统压敏电阻作为惠斯通电桥的桥路电阻。使得传感器具有以下特点：1.高测量灵敏度，由于非晶态碳膜电阻具有极高的压阻系数(120-1200)，使得压敏电阻在受到相同应力应变的情况下，能够获得更大的电阻变化量。2响应频率高，对悬臂梁结构进行尺寸优化和选择，可以在不影响传感器灵敏度的情况下提升传感器的固有频率。3.耐磨，耐腐蚀。由于非晶态碳膜具有低摩擦系数，耐磨等特点，常被用作航天飞机的涂层材料，引入这种电阻会使得传感器具有较长的寿命。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图。图2为图1的A-A截面图。图3为本专利技术的工作原理图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术进行更为详细的说明。参照图1和图2，一种基于非晶态碳膜的加速度传感器芯片，包括硅质敏感结构1，硅质敏感结构1的背面与硼玻璃2的正面键合，且留有键合余量，硅质敏感结构1的背面和硼玻璃2的正面之间设有空腔3，硅质敏感结构1包括质量块5以及与质量块5相连的悬臂梁6，在硅质敏感结构1上采用物理气相沉积或化学气相沉积方法镀有四个非晶碳膜电阻4-1、4-2、4-3、4-4，其中第一非晶态碳膜电阻4-1位于硅质敏感结构1的悬臂梁6上，并靠近边框一端；第二非晶态碳膜电阻4-2、第三非晶态碳膜电阻4-3以及第四非晶态碳膜电阻4-4位于硅质敏感结构1的边框处，这样设置的非晶态碳膜电阻受到的应力应变大，电阻变化明显，适合于研制基于非晶态碳膜的MEMS加速度传感器芯片，四个非晶碳膜电阻4-1、4-2、4-3、4-4连接成惠斯通半桥检测电路，并通金属导线7和焊盘8连接，硅质敏感结构1、硼玻璃2、非晶态碳膜电阻、金属导线7以及焊盘8构成了基于非晶态碳膜的加速度传感器芯片。所述的非晶态碳膜电阻是采用磁控溅射以及化学气相沉积方法制备的，其偏压分别为-300V～300V和-150V～-750V。所述的硅质敏感结构1的质量块5与硼玻璃2之间预留有20-40μm的工作间隙，以保证质量块5在传感器正常工作时能够始终悬空，提供合适的阻尼空隙以及抗过载能力。本专利技术的工作原理为：参照图3，利用非晶态碳膜的压阻效应，当非晶态碳膜电阻4-1、4-2、4-3、4-4处于一定应力作用下时，由于载流子迁移率的变化，其电阻率发生变化，其阻值的变化与其所受应力之间的比例关系为：ΔRR=Kϵ---(1)]]>其中的K为非晶态碳膜的等效压阻系数，压阻系数是用来表征压阻效应强弱的，被定义为单位作用下非晶态碳膜电阻率的相对变化与应变ε的比值。对于由非晶态碳膜电阻组成的惠斯通半桥检测电路，采用恒压源供电，当外界加速度作用到传感器芯片上时，其输出电压可以表示为：Vo=(R1R3-R2R4(R1+R2)-(R3+R4))Vi---(2)]]>公式2中的Vo、Vi分别为电桥的输出电压和输入电压，R1为第一非晶态碳膜电阻4-1的阻值。R2、R3和R4为布置在敏感结构边框处的第二非晶态碳膜电阻4-2、第三非晶态碳膜电阻4-3和第四非晶态碳膜电阻4-3的阻值。ΔR1为第一非晶态碳膜电阻4-1的阻值变化量。经过代入化简，有如下公式：Vo=ΔR4RVi---(3)]]>根据牛顿定律，当悬空的质量块5受到某一方向加速度作用时，将会有一个与加速度成正比且同向的惯性力作用于质量块5上，从而使得质量块5产生一定的位移；悬臂梁6与质量块5相连，悬臂梁6将在质量块5的带动下发生弯曲变形，从而在悬臂梁6上产生应力应变。芯片中的第一非晶态碳膜电阻4-1布置于悬臂梁6的最大应力处，根据压阻效应公式，第一非晶态碳膜电阻4-1的阻值会发生变化，进而引起电桥平衡失效，从而输出一个电压值，由于悬臂梁6上产生的应力与输入加速度成正比，而非晶态碳膜电阻的变化量与梁的应力成正比，因此输出电压与其所承受的加速度值成正比，最终实现了将加速度转化成电信号的功能。本专利技术中，由于采用非晶态碳膜作为传感器的压敏电阻，使得传感器具有更高的灵敏度和较长的使用寿命。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非晶态碳膜的加速度传感器芯片，包括硅质敏感结构(1)，硅质敏感结构(1)的背面与硼玻璃(2)的正面键合，硅质敏感结构(1)的背面和硼玻璃(2)的正面之间设有空腔(3)，硅质敏感结构(1)包括质量块(5)以及与质量块(5)相连的悬臂梁6，其特征在于：在硅质敏感结构(1)上采用物理气相沉积或化学气相沉积方法镀有四个非晶碳膜电阻(4‑1、4‑2、4‑3、4‑4)，其中第一非晶态碳膜电阻(4‑1)位于硅质敏感结构(1)的悬臂梁(6)上，并靠近边框一端；第二非晶态碳膜电阻(4‑2)、第三非晶态碳膜电阻(4‑3)以及第四非晶态碳膜电阻(4‑4)位于硅质敏感结构(1)的边框处，四个非晶碳膜电阻(4‑1、4‑2、4‑3、4‑4)连接成惠斯通半桥检测电路，并通过金属导线(7)和焊盘(8)连接，硅质敏感结构(1)、硼玻璃(2)、非晶态碳膜电阻、金属导线(7)以及焊盘(8)构成了基于非晶态碳膜的加速度传感器芯片。

【技术特征摘要】
1.一种基于非晶态碳膜的加速度传感器芯片，包括硅质敏感结构(1)，硅质敏感结构(1)的背面与硼玻璃(2)的正面键合，硅质敏感结构(1)的背面和硼玻璃(2)的正面之间设有空腔(3)，硅质敏感结构(1)包括质量块(5)以及与质量块(5)相连的悬臂梁6，其特征在于：在硅质敏感结构(1)上采用物理气相沉积或化学气相沉积方法镀有四个非晶碳膜电阻(4-1、4-2、4-3、4-4)，其中第一非晶态碳膜电阻(4-1)位于硅质敏感结构(1)的悬臂梁(6)上，并靠近边框一端；第二非晶态碳膜电阻(4-2)、第三非晶态碳膜电阻(4-3)以及第四非晶态碳膜电阻(4-4)位于硅质敏感结构(1)的边框处，四...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉龙，马鑫，张琪，胡腾江，王鹏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61