单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法。通过使用一对质量块、第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第一连接板及第二连接板的组合作为Z轴微机械敏感结构单元，将垂直表面Z轴加速度引起的结构形变转化为易于检测的表面内直拉直压梁的拉压，解决了目前垂直表面Z轴加速计不能同时获得高灵敏度及高谐振频率这一问题。综合考虑晶向对各向异性腐蚀、压阻系数等影响，优化结构布局，实现了小芯片上三轴高频宽高冲击加速度计的集成。提供了一套可靠的制作方法，使加速度计同时具备工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸小、结构强度高、适于批量生产等优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于硅微机械传感器领域，涉及一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法。
技术介绍
随着硅基MEMS加工技术的日益成熟，MEMS高g值加速度计凭借其体积小、成本低、性能高和适于量产等优势，目前已广泛应用于汽车碰撞试验、航天导航、军用惯性导航、侵彻弹引信等领域。为真实再现碰撞、起飞、侵侧等过程中的加速度信号细节，尽可能地减小信号失真，高g值加速度计不仅要具备高抗冲击性及足够的灵敏度，还要具备较高的谐振频率及工作带宽。三轴集成高g值加速度计可同时检测同一位置XYZ三轴的加速度信号，可实现加速度矢量信号实时输出，相比于三个检测轴正交的单轴高g加速度计，芯片安装更加简易，信号读取更加准确，制造成本更加低廉。目前国内应用较广的悬臂梁式高g值加速度计，多为(100)双抛片双面微机械加工后键合制作而成，这类加速度计有一些明显的缺点：工艺复杂、尺寸较大、成本较高、残余应力大。中科院上海微系统与信息技术研究所高g加速度计研究组通过改进工艺，使用(111)单抛片通过单面微机械加工制造出性能更优的悬臂梁式高g值加速度计，同时具备制造工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸较小、结构强度高等优点。随着该项技术的进步和推广，中科院上海微系统与信息技术研究所高g加速度计研究组研发出基于(111)单抛片单面工艺的三轴悬臂梁式高g值加速度计，在性能高低、制造工艺复杂度、成本高低、芯片尺寸大小、结构强度等指标上，几近做到了悬臂梁式高g值加速度计的极致。然而，由于悬臂梁结构自身的限制，这类加速度计无法同时获得高灵敏度和高谐振频率。改用直拉直压梁作为高g加速度的检测结构，可同时获得高灵敏度及高谐振频率。鉴于此，中科院上海微系统与信息技术研究所高g加速度计研究组研发出了基于(111)单晶硅基底的高谐振频率高冲击加速度计，在不失工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸较小、结构强度高等优势的前提下，在保持较高灵敏度的同时，大大提高了传感器的一阶谐振频率，即大大提高了工作带宽。然而，三边固支板与直拉直压梁的组合结构仅适用于检测硅片表面内二轴(XY轴)的加速度，而垂直硅片表面一轴(Z轴)加速度计目前并不能同时获得高灵敏度及高谐振频率。鉴于此，本专利技术提出了一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术旨在提供一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法，用以解决垂直硅片表面一轴(Z轴)加速度计目前并不能同时获得高灵敏度及高谐振频率这一瓶颈问题，同时，在不失工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸较小、结构强度高、适于批量生产等优势的前提下，实现高频宽高冲击加速度计的三轴集成。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，所述单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计包括：(111)单晶硅基底及Z轴微机械敏感结构单元；其中，所述Z轴微机械敏感结构单元包括：两块平行分布的质量块、第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第一连接板及第二连接板；所述质量块嵌入在所述(111)单晶硅基底内，所述质量块外侧的侧面与所述(111)单晶硅基底之间及所述质量块相邻的侧面之间均设有第一深槽，所述质量块之间通过所述第一连接板相连接，所述质量块的外侧通过所述第二连接板与所述(111)单晶硅基底相连接；所述第一直拉直压梁位于所述两块质量块之间，且所述第一直拉直压梁两端分别与所述两块质量块相连接；所述第二直拉直压梁位于所述两块质量块外侧，且所述第二直拉直压梁横跨所述质量块外侧的所述第一深槽，一端与所述质量块相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。作为本专利技术的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述质量块的长度方向与<110>晶向相平行，所述质量块的侧面与<211>晶向相垂直。作为本专利技术的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述第一连接板及所述第二连接板的上表面及下表面均为(111)面。作为本专利技术的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的数量均为两个，所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向均为<211>晶向，且所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向与所述质量块的侧面相垂直。作为本专利技术的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，还包括：X轴微机械敏感结构单元及Y轴微机械敏感结构单元；其中，所述X轴微机械敏感结构单元包括：两块平行间隔分布的第一固支板及第三直拉直压梁；所述第一固支板为矩形板，所述第一固支板位于所述(111)单晶硅基底上表面内的一边为自由边，其余三边固支于所述(111)单晶硅基底内，所述第一固支板的两侧面与所述(111)单晶硅基底之间设有第二深槽；所述第三直拉直压梁对称地分布于所述第一固支板的两侧，且所述第三直拉直压梁横跨所述第二深槽，一端与所述第一固支板相连接，另一端与(111)单晶硅基底相连接；所述Y轴微机械敏感结构单元包括：两块平行间隔分布的第二固支板及第四直拉直压梁；所述第二固支板为矩形板，所述第二固支板的长度方向与所述第一固支板的长度方向相垂直，所述第二固支板位于所述(111)单晶硅基底上表面内的一边为自由边，其余三边固支于所述(111)单晶硅基底内，所述第二固支板的两侧面与所述(111)单晶硅基底之间设有第三深槽；所述第四直拉直压梁对称地分布于所述第二固支板的两侧，且所述第四直拉直压梁横跨所述第三深槽，一端与所述第二固支板相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。作为本专利技术的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述第一固支板及所述第二固支板均为矩形板，且所述第一固支板的侧面及所述第二固支板的侧面与<110>晶向均呈45°夹角。作为本专利技术的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的数量均为四个；四个所述第三直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第一固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第三直拉直压梁的长度方向与所述第一固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角；四个所述第四直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第二固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第四直拉直压梁的长度方向与所述第二固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角。作为本专利技术的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述(111)单晶硅基底的上表面、所述质量块的上表面、所述第一直拉直压梁的上表面、所述第二直拉直压梁的上表面、所述第一固支板的自由边、所述第三直拉直压梁的上表面、所述第二固支板的自由边及所述第四直拉直压梁的上表面均位于同一平面内。作为本专利技术的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，还包括力敏电阻，所述力敏电阻通过离子注入方法形成于所述第一直拉直压梁、所述第二直拉直压梁、所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁上，所述力敏电阻的长度与所述第一直拉直压梁、所述第二直拉直压梁、所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的长度相同，且各微机械敏感结构单元内的所述力敏电阻互相连接构成惠斯通全桥电路。本专利技术还提供一种单芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于，包括：(111)单晶硅基底及Z轴微机械敏感结构单元；其中，所述Z轴微机械敏感结构单元包括：两块平行分布的质量块、第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第一连接板及第二连接板；所述质量块嵌入在所述(111)单晶硅基底内，所述质量块外侧的侧面与所述(111)单晶硅基底之间及所述质量块相邻的侧面之间均设有第一深槽，所述质量块之间通过所述第一连接板相连接，所述质量块的外侧通过所述第二连接板与所述(111)单晶硅基底相连接；所述第一直拉直压梁位于所述两块质量块之间，且所述第一直拉直压梁横跨所述质量块之间的所述第一深槽，所述第一直拉直压梁两端分别与所述两块质量块相连接；所述第二直拉直压梁位于所述两块质量块外侧，且所述第二直拉直压梁横跨所述质量块外侧的所述第一深槽，一端与所述质量块相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。

【技术特征摘要】
1.一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于，包括：(111)单晶硅基底及Z轴微机械敏感结构单元；其中，所述Z轴微机械敏感结构单元包括：两块平行分布的质量块、第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第一连接板及第二连接板；所述质量块嵌入在所述(111)单晶硅基底内，所述质量块外侧的侧面与所述(111)单晶硅基底之间及所述质量块相邻的侧面之间均设有第一深槽，所述质量块之间通过所述第一连接板相连接，所述质量块的外侧通过所述第二连接板与所述(111)单晶硅基底相连接；所述第一直拉直压梁位于所述两块质量块之间，且所述第一直拉直压梁横跨所述质量块之间的所述第一深槽，所述第一直拉直压梁两端分别与所述两块质量块相连接；所述第二直拉直压梁位于所述两块质量块外侧，且所述第二直拉直压梁横跨所述质量块外侧的所述第一深槽，一端与所述质量块相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。2.根据权利要求1所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述质量块的长度方向与<110>晶向相平行，所述质量块的侧面与<211>晶向相垂直。3.根据权利要求1所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述第一连接板及所述第二连接板的上表面及下表面均为(111)面。4.根据权利要求1所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的数量均为两个，所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向均为<211>晶向，且所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向与所述质量块的侧面相垂直。5.根据权利要求1至4中任一项所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：还包括：X轴微机械敏感结构单元及Y轴微机械敏感结构单元；其中，所述X轴微机械敏感结构单元包括：两块平行间隔分布的第一固支板及第三直拉直压梁；所述第一固支板为矩形板，所述第一固支板位于所述(111)单晶硅基底上表面内的一边为自由边，其余三边固支于所述(111)单晶硅基底内，所述第一固支板的两侧面与所述(111)单晶硅基底之间设有第二深槽；所述第三直拉直压梁对称地分布于所述第一固支板的两侧，且所述第三直拉直压梁横跨所述第二深槽，一端与所述第一固支板相连接，另一端与(111)单晶硅基底相连接；所述Y轴微机械敏感结构单元包括：两块平行间隔分布的第二固支板及第四直拉直压梁；所述第二固支板为矩形板，所述第二固支板的长度方向与所述第一固支板的长度方向相垂直，所述第二固支板位于所述(111)单晶硅基底上表面内的一边为自由边，其余三边固支于所述(111)单晶硅基底内，所述第二固支板的两侧面与所述(111)单晶硅基底之间设有第三深槽；所述第四直拉直压梁对称地分布于所述第二固支板的两侧，且所述第四直拉直压梁横跨所述第三深槽，一端与所述第二固支板相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。6.根据权利要求5所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述第一固支板及所述第二固支板均为矩形板，且所述第一固支板的侧面及所述第二固支板的侧面与<110>晶向均呈45°夹角。7.根据权利要求5所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的数量均为四个；四个所述第三直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第一固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第三直拉直压梁的长度方向与所述第一固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角；四个所述第四直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第二固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第四直拉直压梁的长度方向与所述第二固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角。8.根据权利要求5所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述(111)单晶硅基底的上表面、所述质量块的上表面、所述第一直拉直压梁的上表面、所述第二直拉直压梁的上表面、所述第一固支板的自由边、所述第三直拉直压梁的上表面、所述第二固支板的自由边及所述第四直拉直压梁的上表面均位于同一平面内。9.根据权利要求5所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：还包括力敏电阻，所述力敏电阻通过离子注入方法形成于所述第一直拉直压梁、所述第二直拉直压梁、所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁上，所述力敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昕欣，邹宏硕，王家畴，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31