压阻式大过载加速度计及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种采用Ｓｉ基ＭＥＭＳ技术加工的压阻式大过载加速度计，本发明专利技术利用Ｓｉ材料的压阻效应，当所受应力发生改变时其体电阻也随之改变，通过在Ｓｉ表面离子注入形成压电电阻，并将电阻连接成惠斯通电桥的形式，并将压阻下面的区域挖空形成一个薄膜，当有外界冲击时，薄膜在惯性作用下发生形变，从而使电桥的一对电阻变大，一对电阻变小，从而电桥输出发生改变，从而实现了从机械冲击信号到电信号的转变，输出信号经放大和温度补偿之后就可以用来标定加速度的大小。本发明专利技术的压阻式大过载加速度计灵敏度较高，加工工艺与集成电路工艺兼容，易于实现；采用压阻工作信号处理电路简单；便于设计抗高过载结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，具体涉及微机电系统中用来测量大过载加速度(1000g-100000g)的压阻式惯性传感器。
技术介绍
采用传统器件很难制作抗大过载的加速度计，目前采用的方法多数为利用微电子机械系统的加工手段采用SiC材料来制作该种器件，将SiC材料淀积在硅材料衬底上形成复合膜结构，通过对SiC注入杂质离子而形成压电电阻，之后通过背部刻蚀的方法将SiC薄膜背面的Si衬底刻蚀掉，利用SiC材料的压阻特性，有外界冲击时，SiC薄膜由于惯性而发生形变，从而使其表面的应力分布发生改变，其上的压阻阻值随之改变，通过惠斯通电桥便可以将这种变化读出，从而实现了外界加速度信号到电信号的输出。但是，由于SiC材料的制备工艺比较麻烦，而且和衬底Si材料之间存在着匹配缺陷，因而两者之间的接触面存在较大的应力，使电桥零位输出较大。另外据相关报道其灵敏度较低，而且于集成电路工艺不兼容，这使得该种器件在实际应用中要有较复杂的接口电路来对电桥输出信号进行放大和温度补偿，这无疑增加了成本，降低了集成度。
技术实现思路
本专利技术目的是解决现有大过载加速度计灵敏度差，与集成电路工艺不兼容的问题。本专利技术提供一种采用Si基MEMS技术加工的压阻式大过载加速度计，该加速度计不仅提高了灵敏度，而且还具备和IC工艺兼容的特点，为实现真正的集成加速度计提供了必要的条件。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是利用Si材料的压阻效应，当所受应力发生改变时其体电阻也随之改变，通过在Si表面离子注入形成压电电阻，并将电阻连接成惠斯通电桥的形式，并将压阻下面的区域挖空形成一个薄膜，当有外界冲击时，薄膜在惯性作用下发生形变，从而使电桥的一对电阻变大，一对电阻变小，从而电桥输出发生改变，从而实现了从机械冲击信号到电信号的转变，输出信号经放大和温度补偿之后就可以用来标定加速度的大小。根据本专利技术的压阻式大过载加速度计，具体结构包括以下几部分1)敏感质量块，在加速度计经受到敏感方向的冲击时，质量块的惯性将使其相对于硅衬底产生位移变形。2)四个横梁，横梁用来作为质量块的支撑臂，同时作为压阻的制备区域。当冲击发生时，质量块拉动横梁发生弯曲变形，从而使横梁上压阻区域的应力发生改变。3)压电电阻，分别位于四个横梁和边框交界的地方，在横梁发生形变时，在距离横梁和边框交界处一定距离处有一个应力变化线性区，是制备压阻最合适的区域。4)金属连线，通过金属连线将四个压阻电连接在一起；可以形成一个惠斯通电桥，将信号输出。5)边框，边框用来安装整个加速度计，起到固定和支撑的作用。质量块通过四个横梁连接到边框上，而金属线是通过溅射形成在边框上，并将四个压阻电连接在一起。下面说明本专利技术的压阻式大过载加速度计的具体制备方法，根据本专利技术的加速度计的具体制备方法可概括为以下几点(1)压阻的制备。这是整个加工流程中非常重要的一步，本专利技术采用了离子注入、表面氧化、推进相结合的组合工艺来在衬底上形成压电电阻，这样生成的压阻具有很好的电学匹配性能。并通过金属线将四个压阻连接成惠斯通电桥。(2)背腔腐蚀。本专利技术中采用湿法腐蚀的方法(如KOH腐蚀法)在硅衬底的背面形成一个380um深的凹槽，从而形成一个30um厚的硅薄膜，这个薄膜就是用来形成横梁和质量块的基础。(3)结构释放。在背腔腐蚀之后，我们利用刻蚀的方法(如ICP电感耦合等离子体刻蚀法)去除薄膜上无用的区域，从而形成了敏感质量块和横梁。(4)硅和玻璃键合。最后，通过阳极键合的方法在硅片正面键合上一层起保护作用的玻璃帽，以方便测试过程中对加速度计的封装。根据本专利技术的压阻式大过载加速度计灵敏度较高，加工工艺与集成电路工艺兼容，易于实现；采用压阻工作信号处理电路简单；便于设计抗高过载结构。本专利技术的有益效果是，结构简单，工艺实现方便，具有与集成电路兼容的特性，同时灵敏度较高，抗冲击性能较好。附图说明下面结合附图对本专利技术进一步详细地说明图1是本专利技术的加速度计结构示意图；图2是信号测试原理图；图3是硅材料加工工艺流程；图4是KOH腐蚀后形成的背腔；图5是实际加工生成的器件正面图示；图6是25000g冲击下的器件测试信号曲线。具体实施例方式下面参照本专利技术的附图，更详细地描述本专利技术的最佳实施例。图1所示为本专利技术的加速度计结构示意图，整个结构包括敏感质量块，四个横梁，横梁上的压阻，金属连线和压焊点以及硅衬底。各部分的作用和连接关系如下1)敏感质量块2，在加速度计经受到敏感方向的冲击时，质量块2的惯性将使其相对于硅衬底1产生位移变形。2)四个横梁3，横梁3用来作为质量块2的支撑臂，同时作为压阻的制备区域。当冲击发生时，质量块2拉动横梁3发生弯曲变形，从而使横梁3上压阻区域的应力发生改变。3)压电电阻4，分别位于四个横梁3和边框交界的地方，通过实际实验数据得到，在横梁3发生形变时，在距离横梁3和边框交界处一定距离(大约25um)处有一个应力变化线性区，是制备压阻最合适的区域。4)金属连线5，通过金属连线(如Al金属)将四个压阻4形成一个惠斯通电桥，将信号输出。5)边框，边框用来安装整个加速度计，起到固定和支撑的作用。质量块2通过四个横梁3连接到边框上，而金属线5是通过溅射形成在边框上，并将四个压阻电连接在一起。下面结合本专利技术加速度计的结构说明其工作原理。当垂直与质量块2表面有一个加速度信号时，质量块2产生惯性位移，带动其周围的支撑横梁3发生形变，从而使横梁3上的应力分布发生改变，进而使横梁3上的压阻阻值发生改变，对应臂上的压阻4阻值变化方向相同，即一对压阻变大，一对变小。压阻4通过金属线5连接成惠斯通电桥的形式，在电桥的两个端点上施加一个工作电压，从而在另外两个端点便有电压信号读出，通过外围电路的信号放大和温度补偿，我们便实现了从外界机械冲击信号到电学信号的转变。压焊点的作用是用来将信号引出到测试管脚上面。首先在硅材料衬底1上通过光刻形成压电电阻注入区域，通过离子注入形成压阻，之后利用光刻在硅片背面形成背腔腐蚀区域，采用KOH腐蚀的方法腐蚀硅形成一个380um深的背腔，使压阻4处在一个大约30um厚的硅薄膜上。之后在硅片正面溅射Al，通过光刻形成连线形状，将压阻4形成一个电桥。利用光刻形成正面质量块2和横梁3的形状，通过ICP刻蚀的方法刻蚀掉硅薄膜上的多余部分，形成梁和质量块。最后将玻璃和硅片正面利用阳极键合键合在一起，起到对硅片正面结构的保护作用，通过划片就可以形成一个个单独的加速度计芯片。图2中显示了由四个压阻4组成的惠斯通电桥，四个电阻在外界冲击为零时相等，即R1＝R2＝R3＝R4＝R，在一定的冲击下，四个压阻对应的两个压阻具有相同的变化趋势，并且当结构是完全对称时，四个电阻发生改变并且有下面关系式成立ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4Vout＝V*(R4+ΔR4)/(R1+R4+ΔR1+ΔR4)-V*(R3+ΔR3)/(R2+R3+ΔR2+ΔR3)＝V*((ΔR3/R)1，3+(ΔR/R)2，4)/2其中(ΔR/R)＝π1σ1+π2σ2，式中π1，π2为纵向和横向压阻系数，可以查表获得，σ1，σ2分别代表和电流方向平行和垂直的应力大小。图3中我们画出了实现该结构的加工工艺流程，主要分为以下过程1)压阻的制备。选用(100)晶向硅片(410um厚，直径4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压阻式大过载加速度计，具体包括以下结构：敏感质量块，用于在加速度计经受到敏感方向的冲击时，使其相对于硅衬底产生位移变形；四个横梁，用来作为质量块的支撑臂，和压阻的制备区域；压电电阻，分别位于四个横梁和边框交界的地 方；金属连线，用于将四个压阻电连接在一起；边框，用来安装整个加速度计，质量块通过四个横梁连接到边框上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张威，石进杰，郝一龙，李婷，张大成，王阳元，
申请(专利权)人：北京青岛元芯微系统科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]