一种压阻式加速度传感器及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种压阻式加速度传感器及其制作方法，该传感器的改进点在于敏感结构部分，敏感结构中的质量块左右两侧对称设有相互独立的各四个敏感梁，每个敏感梁上设一个力敏电阻；四个敏感梁的两侧各设一个用于支撑质量块的支撑梁，将力敏电阻制作在独立的敏感梁上可减小敏感梁的宽度，从而显著减小敏感梁对结构倔强系数的影响，获得高灵敏度和高优值；敏感梁靠近质量块中线位置，其挠曲较小，可减小旁轴灵敏度。支撑梁靠近质量块边缘，其力臂长，可更好地抑制旁轴加速度引起的质量块扭转。支撑梁上表面较低，表面无氧化层，可减小氧化层应力引起的结构挠曲。敏感梁厚度大于支撑梁，可实现应力集中，从而提高灵敏度和优值。

【技术实现步骤摘要】
一种压阻式加速度传感器及其制作方法
本专利技术涉及一种压阻式加速度传感器及其制作方法，特别是涉及一种利用不同厚度的支撑梁和敏感梁来提高传感器性能的压阻式加速度传感器及其制作方法。
技术介绍
微机械加速度计是微机电集成系统(MicroElectroMechanicalSystems,MEMS)
的支柱性产品之一，具有尺寸小、成本低、可靠性高等优点，在消费类电子产品、汽车电子、工业控制和国防等领域具有广泛的应用。微机械加速度计按检测原理又可分为压阻式、压电式、隧道式、电容式等。其中，电阻式加速度计具有接口电路简单、抗干扰能力强、加工工艺简单等优点。体微机械技术是制作压阻式加速度传感器的常用方法。体微机械压阻式加速度传感器采用三明治结构。所谓三明治结构由三层结构组成：上盖板、可动敏感结构和下盖板。其中可动敏感结构采用梁-质量块结构，即由数根梁支撑质量块结构，在梁上制作力敏电阻，当有加速度时，质量块产生位移使梁挠曲，从而在梁上产生应力，通过力敏电阻测量应力就可得到加速度值。上下盖板为可动结构提供保护，在上下盖板上还制作限位结构，限制高过载时质量块的位移，避免结构损坏。灵敏度和带宽分别是表征加速度传感器的静态特性和动态特性的重要指标。但是，这两个指标对结构的要求存在矛盾。一般来说，结构倔强系数越小、质量块质量越大，则灵敏度越高、带宽越低；相反，结构倔强系数越大、质量块质量越小，则灵敏度越低、带宽越高。因此，一般采用灵敏度与带宽的乘积作为加速度传感器的优值。优值越高，则综合性能越好。对于压阻式加速度传感器，灵敏度与梁上表面最大应力成正比，带宽与结构共振圆频率成正比，因此可以用梁上表面最大应力和共振频率的乘积作为敏感结构的优值STf。对于双端固支梁-质量块结构的敏感结构，其优值STf近似与质量块和梁体积比的平方根成正比：由于梁的最小尺寸由工艺条件决定，难以缩小。当传感器尺寸缩小时，优值STf也减小。更为严重的是，共振频率随结构等比例缩小而增大，当传感器尺寸缩小时，为了保证灵敏度和共振频率在合理范围内，必须适当增加梁的尺寸，造成优值STf进一步减小。因此，优化敏感结构以提高结构的STf优值是加速度传感器设计的一个挑战。加速度传感器的另一个设计难点在于对旁轴灵敏度的抑制。加速度是矢量，有x，y和z三个分量，理想情况下单轴加速度传感器应当仅对一个分量敏感，但实际器件一般对三个分量均敏感，尽可能抑制对不需要分量的灵敏度(旁轴灵敏度)是传感器设计的另一个主要问题。敏感结构的应力匹配也是加速度传感器的设计难点。梁质量块敏感结构对应力敏感。当梁表面存在氧化层时，氧化层内的热应力可以造成结构有微米量级的挠曲，造成器件性能下降甚至失效。常用的方法是先用体微机械加工技术对梁区减薄，再制作力敏电阻，这样可以在结构上下表面形成对称的氧化层，实现应力匹配。但是该方法与集成电路工艺的兼容性差。一般集成电路厂不提供体微机械加工服务，也不允许已进行了体微机械加工的硅片进入工厂。因此理想的加工流程是先在集成电路代工厂进行力敏电阻电桥的加工，然后进行体微机械加工。而该流程必须从结构上解决应力匹配问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种压阻式加速度传感器及其制作方法，用于解决现有技术中加速度传感器的优值低以及对容易对旁轴产生灵敏反应的问题并且克服传统加速度传感器应力匹配差的困难。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种压阻式加速度传感器，所述压阻式加速度传感器至少包括：敏感结构；分别键合于该敏感结构正面的上盖板及其背面的下盖板；所述敏感结构包括：矩形外边框、位于所述矩形外边框内中心位置的质量块；所述质量块相对于所述矩形外边框的两组对边分别对称；所述质量块的左右两侧分别设有两个固定并连接于所述质量块和矩形外边框之间的支撑梁；所述质量块左右两侧每一侧的两个所述支撑梁之间各设有四个连接于所述质量块以及所述矩形外边框之间的敏感梁；所述敏感梁、质量块以及矩形外边框各自的上表面位于同一平面；所述敏感梁较所述支撑梁更集中分布于所述质量块沿左右方向的中心轴线附近；位于所述质量块同一侧的所述四个敏感梁，两两为一组彼此关于所述质量块的所述中心轴线对称分布；所述每个敏感梁的头部或尾部分别设有一个力敏电阻；与所述质量块的所述中心轴线距离最近的四个敏感梁上的力敏电阻在各自敏感梁上的位置一致；与所述质量块的所述中心轴线距离最远的四个敏感梁上的力敏电阻在各自敏感梁上的位置一致；所述支撑梁与所述敏感梁各自的下表面位于同一平面且所述支撑梁的上表面低于所述敏感梁的上表面；所述敏感梁的宽度远小于所述支撑梁的宽度；所述每个敏感梁上设有连接该敏感梁上力敏电阻两端的金属引线；所述敏感梁的宽度略宽于所述力敏电阻和金属引线的宽度。优选地，与所述质量块的所述中心轴线距离最近的所述四个敏感梁上的所述力敏电阻位于靠近于该质量块的各个敏感梁的头部位置；与所述质量块的所述中心轴线距离最远的所述四个敏感梁上的所述力敏电阻位于远离该质量块的各个敏感梁的尾部位置。优选地，与所述质量块的所述中心轴线距离最近的所述四个敏感梁上的所述力敏电阻位于远离该质量块的各个敏感梁的尾部位置；与所述质量块的所述中心轴线距离最远的所述四个敏感梁上的所述力敏电阻位于靠近于该质量块的各个敏感梁的头部位置。优选地，所述敏感梁的上表面设有氧化层；所述支撑梁的上表面无氧化层。优选地，所述上盖板与下盖板分别键合于所述矩形外边框的上表面和下表面；所述质量块下方与所述下盖板之间的空隙设有位于所述下盖板的缓冲块。本专利技术还提供一种压阻式加速度传感器的制作方法，该制作方法至少包括：(1)提供一硅基底，并在所述硅基底的正面制作所述力敏电阻；(2)在该硅基底的正面和背面分别制作腐蚀阻挡层；(3)刻蚀所述硅基底背面的所述腐蚀阻挡层至露出所述硅基底背面为止，形成腐蚀窗口；(4)沿所述腐蚀窗口腐蚀所述硅基底背面直到腐蚀区域剩余的硅膜的厚度为所述敏感梁的厚度为止，形成所述敏感结构的背面，没有被腐蚀部分形成所述质量块；(5)在所述敏感结构的正面制作连接于所述力敏电阻两端的所述金属引线；(6)制作所述下盖板并将所述下盖板键合于所述敏感结构的背面；(7)刻蚀减薄所述硅基底正面的所述金属引线两侧，形成凹形区域，所述凹形区域的厚度为所述支撑梁的厚度；(8)穿透所述硅基底正面，形成由相互分离的所述矩形外边框、支撑梁、敏感梁以及质量块组成的所述敏感结构的正面；(9)制作所述上盖板并将所述上盖板键合于所述敏感结构的正面，沿所述矩形外边框划片后形成所述压阻式加速度传感器。优选地，所述步骤(2)中的所述腐蚀阻挡层为氧化硅、氮化硅复合层。优选地，所述步骤(4)中腐蚀所述硅基底背面的腐蚀液为碱性各向异性腐蚀液。优选地，所述碱性各向异性腐蚀液包括KOH、TMAH腐蚀液。优选地，所述步骤(7)中刻蚀减薄所述金属引线两侧形成所述凹形区域的方法为深反应离子刻蚀法；所述步骤(8)中穿透所述硅基底正面的方法为深反应离子刻蚀法。如上所述，本专利技术的压阻式加速度传感器及其制作方法，具有以下有益效果：本专利技术采用宽而薄的支撑梁与窄而厚的敏感梁共同支撑质量块，利用窄而厚的敏感梁惯性矩大的特点实现应力集中，可显著减小敏感梁对结构倔强系数的影响从而提高优值。将敏感梁制作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压阻式加速度传感器，其特征在于，所述压阻式加速度传感器至少包括：敏感结构；分别键合于该敏感结构正面的上盖板及其背面的下盖板；所述敏感结构包括：矩形外边框、位于所述矩形外边框内中心位置的质量块；所述质量块相对于所述矩形外边框的两组对边分别对称；所述质量块的左右两侧分别设有两个固定并连接于所述质量块和矩形外边框之间的支撑梁；所述质量块左右两侧每一侧的两个所述支撑梁之间各设有四个连接于所述质量块以及所述矩形外边框之间的敏感梁；所述敏感梁、质量块以及矩形外边框各自的上表面位于同一平面；位于所述质量块同一侧的所述敏感梁较所述支撑梁更集中分布于所述质量块沿左右方向的中心轴线附近；位于所述质量块同一侧的所述四个敏感梁，两两为一组彼此关于所述质量块的所述中心轴线对称分布；所述每个敏感梁的头部或尾部分别设有一个力敏电阻；与所述质量块的所述中心轴线距离最近的四个敏感梁上的力敏电阻在各自敏感梁上的位置一致；与所述质量块的所述中心轴线距离最远的四个敏感梁上的力敏电阻在各自敏感梁上的位置一致；所述支撑梁与所述敏感梁各自的下表面位于同一平面且所述支撑梁的上表面低于所述敏感梁的上表面；所述敏感梁的宽度远小于所述支撑梁的宽度；所述每个敏感梁上设有连接该敏感梁上力敏电阻两端的金属引线；所述敏感梁的宽度略宽于所述力敏电阻和金属引线的宽度。...

【技术特征摘要】
1.一种压阻式加速度传感器，其特征在于，所述压阻式加速度传感器至少包括：敏感结构；分别键合于该敏感结构正面的上盖板(11)及其背面的下盖板(12)；所述敏感结构包括：矩形外边框(101)、位于所述矩形外边框内中心位置的质量块(102)；所述质量块相对于所述矩形外边框的两组对边分别对称；所述质量块的左右两侧分别设有两个固定并连接于所述质量块和矩形外边框之间的支撑梁(103)；所述质量块左右两侧每一侧的两个所述支撑梁之间各设有四个连接于所述质量块以及所述矩形外边框之间的敏感梁(104)；所述敏感梁、质量块以及矩形外边框各自的上表面位于同一平面；位于所述质量块同一侧的所述敏感梁较所述支撑梁更集中分布于所述质量块沿左右方向的中心轴线附近；位于所述质量块同一侧的四个所述敏感梁，两两为一组彼此关于所述质量块的所述中心轴线对称分布；每个所述敏感梁的头部或尾部分别设有一个力敏电阻(105)；与所述质量块的所述中心轴线距离最近的四个敏感梁上的力敏电阻在各自敏感梁上的位置一致；与所述质量块的所述中心轴线距离最远的四个敏感梁上的力敏电阻在各自敏感梁上的位置一致；所述支撑梁与所述敏感梁各自的下表面位于同一平面且所述支撑梁的上表面低于所述敏感梁的上表面；所述敏感梁的宽度远小于所述支撑梁的宽度；每个所述敏感梁上设有连接该敏感梁上力敏电阻两端的金属引线(106)；所述敏感梁的宽度略宽于所述力敏电阻和金属引线的宽度。2.根据权利要求1所述的压阻式加速度传感器，其特征在于：与所述质量块的所述中心轴线距离最近的四个所述敏感梁上的所述力敏电阻位于靠近于该质量块的各个敏感梁的头部位置；与所述质量块的所述中心轴线距离最远的四个所述敏感梁上的所述力敏电阻位于远离该质量块的各个敏感梁的尾部位置。3.根据权利要求1所述的压阻式加速度传感器，其特征在于：与所述质量块的所述中心轴线距离最近的四个所述敏感梁上的所述力敏电阻位于远离该质量块的各个敏感梁的尾部位置；与所述质量块的所述中心轴线距离最远的四个所述敏感梁上的所述力敏电阻位于靠近于该质量块的各个敏感梁的头部位置。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨恒，周伟，李昕欣，吴紫峰，田雷，海涛，金建东，刘智辉，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，中国电子科技集团公司第四十九研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31