一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片及其制备方法，包括四组相同的子结构，四个子结构均匀对称分布于固定岛周围。固定岛与质量块之间通过内支撑梁连接，质量块与外框之间通过外支撑梁连接。敏感梁对称分布于外支撑梁两侧，敏感梁的一端与质量块的一端连接，另一端与外框连接。关于固定岛相对的两组子结构为一组，构成了测量一个加速度方向的完整工作结构两组子结构能够分别测量X轴和Y轴方向的加速度。每个子结构的两个敏感梁上具有压敏电阻，并通过金属引线和焊盘连接组成半开环惠斯通全桥电路。该传感器芯片可实现200g以下两轴加速度的分离测量，固有频率达到20kHz以上，灵敏度大于0.5mV/g/3V，具有较高的谐振频率和灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片及其制备方法
本专利技术属于微机械电子传感器计量领域，具体涉及一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片及其制备方法。
技术介绍
振动在人们的日常生活以及工业生产中广泛存在，测量振动信号最普遍的方法是进行加速度信号的测量，振动加速度传感器被广泛用于工业控制、汽车监控、环境监测、消费类电子产品以及军事等领域，用于满足不同领域对振动信号与冲击信号的测量要求，然而体积庞大的传统传感器已经越来越难以满足各个领域的实际应用需求。随着微机械电子系统(MicroElectroMechanicalSystems，MEMS)的兴起，加速度传感器也变得越来越微型化。MEMS加速度传感器所采用的测量原理有许多，主要有压阻式、压电式、电容式、热对流式、隧道式、光纤式以及谐振式。与其他类型的MEMS加速度传感器相比，MEMS压阻式加速度传感器因其测量范围广，加工工艺简单，可测量动态和静态信号，动态响应好，测试方便，后续处理电路简单，成本低廉等优点而得到广泛的应用。无论采用何种检测方式，加速度传感器的灵敏度与工作带宽始终是其最主要工作指标，因此在设计过程中常将这两个参数作为优化目标来设计加速度传感器结构。压阻式传感器的工作原理都是基于弹簧-质量块系统，位移与系统刚度存在直接依赖关系，两者此消彼长，无法同时提高，而系统刚度恰恰在一定程度上决定了系统的固有频率，固有频率决定了系统的工作带宽。因此固有频率与灵敏度之间存在相互制约关系，从而影响了加速度传感器的进一步提高。在加速度传感器的设计中，减弱加速度传感器灵敏度和固有频率的相互制约关系，同时得到灵敏度和固有频率的最优值显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术为了弱化传感器灵敏度与谐振频率的直接耦合关系，提出了一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片及其制备方法，该传感器芯片将支撑元件(即支撑梁)与敏感元件分离，支撑梁主要作用是支撑质量块运动，而应力主要集中于敏感梁，使得敏感梁上的压敏电阻条阻值发生变化，两者各司其职，极大地弱化了灵敏度与谐振频率之间的直接耦合关系，从而具有良好的测量两个方向加速度的性能指标。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，包括外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁、质量块以及金属引线，固定岛和质量块设置在外框内，以外框的中心为平面坐标系XOY的原点，以外框所在平面为XOY平面，固定岛设置在外框的中心位置，在平面坐标系XOY的坐标轴的正半轴和负半轴方向均设有质量块，所有质量块关于固定岛对称，固定岛与质量块之间通过内支撑梁连接，质量块与外框之间通过外支撑梁连接，所有内支撑梁和外支撑梁均沿外框所在平面的坐标轴设置，每个质量块对应设置两个敏感梁，两个敏感梁分别对称设置在质量块对应的外支撑梁的两侧，每个敏感梁的两端分别与质量块和外框连接，敏感梁具有压敏电阻条，每个质量块对应的两个敏感梁上的压敏电阻条与金属引线连接并形成半开环惠斯通全桥电路。所述质量块分为两个区域，分别为矩形区域和等腰梯形区域，矩形区域和等腰梯形区域同轴设置，等腰梯形区域的下底与矩形区域的长边相连且长度相等，上底靠近固定岛设置，上底的中部与内支撑梁连接；矩形区域靠近外框设置，且在靠近外框一侧开设有凹槽，凹槽沿矩形区域宽边方向的轴线开设，外支撑梁伸入凹槽内并与凹槽底部的中部连接。所述等腰梯形区域上开设有关于等腰梯形区域的轴线对称的通孔，通孔用于为质量块减重。所述半开环惠斯通全桥电路包括三条线路，分别为第一线路、第二线路和第三线路，第一线路、第二线路和第三线路的一端设置在质量块上且相互联通，另一端延伸至外框并在端部设置焊盘，第一线路和第二线路分别沿质量块对应的两个敏感梁上的压敏电阻条设置，第三线路沿外支撑梁设置，第一线路和第二线路关于第三线路对称。所述外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块通过N型(100)晶面的SOI硅片制备而成。所述压敏电阻条沿敏感梁上的[011]或[0ī1]晶向制作。所述外框的背面连接有玻璃板，固定岛的背面与玻璃板连接，敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块的背面与玻璃板之间具有间隙。所述外框的尺寸为长×宽＝5.4mm×5.4mm；固定岛的尺寸为：长×宽×厚＝500μm×500μm×315μm；内支撑梁的尺寸为：长×宽×厚＝500μm×80μm×300μm；外支撑梁的尺寸为：长×宽×厚＝800μm×80μm×300μm；敏感梁的尺寸：长×宽×厚＝70μm×5μm×10μm；质量块的厚度为：300μm；金属引线的宽度为：20μm。一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：步骤1，对SOI硅片进行双面氧化，使SOI硅片的正面和背面均生成热氧二氧化硅层；步骤2，在步骤1处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉敏感梁对应区域的热氧二氧化硅层，露出SOI硅片的器件层，然后再在露出的器件层上进行硼离子轻掺杂，硼离子轻掺杂区域作为敏感梁的压敏电阻条；步骤3，再在步骤2处理完成的SOI硅片正面制作一层二氧化硅膜；步骤4，再在步骤3处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，在敏感梁两端对应位置刻蚀掉热氧二氧化硅层和二氧化硅膜，露出SOI硅片的器件层，然后再在露出的器件层上进行硼离子重掺杂，得到欧姆接触区；步骤5，再在步骤4处理完成的SOI硅片正面沉积一层导电金属层，然后对导电金属层进行刻蚀并形成金属引线和金属引线对应的焊盘；步骤6，再在步骤5处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，直至刻蚀至SOI硅片的埋氧层的正面，以释放出外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块处于埋氧层的正面以上的部位；步骤7，再对SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块处于埋氧层的背面以下的部位，并将敏感梁处于埋氧层的背面以下的部位刻蚀掉；步骤8，再将步骤7处理完成的SOI硅片上外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块以外区域对应的埋氧层刻蚀掉。所述步骤7中，对SOI硅片的背面进行刻蚀时，先刻蚀掉外框和固定岛对应区域以外的热氧二氧化硅层，露出SOI硅片的底硅层，再对底硅层刻蚀一定深度，使刻蚀区域的表面低于外框的背面；再在SOI硅片的背面制作一层氮化硅层；然后再在SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块处于埋氧层的背面以下的部位，并将敏感梁处于埋氧层的背面以下的部位刻蚀掉；再进行步骤8；再进行步骤9，步骤9的过程如下：先对步骤8处理完成的SOI硅片的背面进行刻蚀，刻蚀掉SOI硅片背面的氮化硅层和热氧二氧化硅层，露出SOI硅片背面的底硅层；再将正面设置有防静电吸附层的玻璃板的正面与SOI硅片背面的底硅层进行阳极键合，SOI硅片背面的底硅层上与玻璃板阳极键合的区域为外框和固定岛对应的区域，玻璃板上除与外框和固定岛阳极键合以外的区域均设置防静电吸附层。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片的固定岛与质量块之间通过内支撑梁连接，质量块与外框之间通过外支撑梁连接，每个质量块对应设置两个敏感梁，两个敏感梁分别对称设置在质量块对应的外支撑梁的两侧，每个敏感梁的两端分别与质量块和外框连接，因此，本专利技术的加速度传感器芯片结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，包括外框(1)、固定岛(2)、敏感梁(5)、内支撑梁(3)、外支撑梁(8)、质量块(4)以及金属引线(7)，固定岛(2)和质量块(4)设置在外框(1)内，以外框(1)的中心为平面坐标系XOY的原点，以外框(1)所在平面为XOY平面，固定岛(2)设置在外框(1)的中心位置，在平面坐标系XOY的坐标轴的正半轴和负半轴方向均设有质量块(4)，所有质量块(4)关于固定岛(2)对称，固定岛(2)与质量块(4)之间通过内支撑梁(3)连接，质量块(4)与外框(1)之间通过外支撑梁(8)连接，所有内支撑梁(3)和外支撑梁(8)均沿外框(1)所在平面的坐标轴设置，每个质量块(4)对应设置两个敏感梁(5)，两个敏感梁(5)分别对称设置在质量块(4)对应的外支撑梁(8)的两侧，每个敏感梁(5)的两端分别与质量块(4)和外框(1)连接，敏感梁(5)具有压敏电阻条，每个质量块(4)对应的两个敏感梁(5)上的压敏电阻条与金属引线(7)连接并形成半开环惠斯通全桥电路。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，包括外框(1)、固定岛(2)、敏感梁(5)、内支撑梁(3)、外支撑梁(8)、质量块(4)以及金属引线(7)，固定岛(2)和质量块(4)设置在外框(1)内，以外框(1)的中心为平面坐标系XOY的原点，以外框(1)所在平面为XOY平面，固定岛(2)设置在外框(1)的中心位置，在平面坐标系XOY的坐标轴的正半轴和负半轴方向均设有质量块(4)，所有质量块(4)关于固定岛(2)对称，固定岛(2)与质量块(4)之间通过内支撑梁(3)连接，质量块(4)与外框(1)之间通过外支撑梁(8)连接，所有内支撑梁(3)和外支撑梁(8)均沿外框(1)所在平面的坐标轴设置，每个质量块(4)对应设置两个敏感梁(5)，两个敏感梁(5)分别对称设置在质量块(4)对应的外支撑梁(8)的两侧，每个敏感梁(5)的两端分别与质量块(4)和外框(1)连接，敏感梁(5)具有压敏电阻条，每个质量块(4)对应的两个敏感梁(5)上的压敏电阻条与金属引线(7)连接并形成半开环惠斯通全桥电路。2.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述质量块(4)分为两个区域，分别为矩形区域(4-1)和等腰梯形区域(4-2)，矩形区域(4-1)和等腰梯形区域(4-2)同轴设置，等腰梯形区域(4-2)的下底与矩形区域的长边相连且长度相等，上底靠近固定岛(2)设置，上底的中部与内支撑梁(3)连接；矩形区域(4-1)靠近外框(1)设置，且在靠近外框(1)一侧开设有凹槽(4-1-2)，凹槽(4-1-2)沿矩形区域(4-1)宽边方向的轴线开设，外支撑梁(8)伸入凹槽(4-1-2)内并与凹槽(4-1-2)底部的中部连接。3.根据权利要求2所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述等腰梯形区域(4-2)上开设有关于等腰梯形区域(4-2)的轴线对称的通孔(4-2-1)，通孔(4-2-1)用于为质量块(4)减重。4.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述半开环惠斯通全桥电路包括三条线路，分别为第一线路(7-1)、第二线路(7-2)和第三线路(7-3)，第一线路(7-1)、第二线路(7-2)和第三线路(7-3)的一端设置在质量块(4)上且相互联通，另一端延伸至外框(1)并在端部设置焊盘(6)，第一线路(7-1)和第二线路(7-2)分别沿质量块(4)对应的两个敏感梁(5)上的压敏电阻条设置，第三线路(7-3)沿外支撑梁(8)设置，第一线路(7-1)和第二线路(7-2)关于第三线路(7-3)对称。5.根据权利要求1任意一项所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述外框(1)、固定岛(2)、敏感梁(5)、内支撑梁(3)、外支撑梁(8)和质量块(4)通过N型(100)晶面的SOI硅片制备而成。6.根据权利要求5所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述压敏电阻条沿敏感梁(5)上的[011]或[0ī1]晶向制作。7.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述外框(1)的背面连接有玻璃板(19)，固定岛(2)的背面与玻璃板(19)连接，敏感梁(5)、内支撑梁(3)、外支撑梁(8)和质量块(4)的背面与玻璃板(19)之间具有间隙。8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋维乐，于明智，赵立波，贾琛，李支康，王久洪，赵玉龙，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61