全方位动热源摆式三轴微机械加速度计制造技术

本申请公开了一种全方位动热源摆式三轴微机械加速度计，该加速度计包括上敏感层、下敏感层和盖板，敏感层的中心位置设置有一加热器，通过六个完全对称的半圆形支撑梁悬置在敏感层的中心位置，下方是圆形的中间加热腔；下敏感层含有呈正交分布的四个热敏电阻，下方是矩形的中间检测腔；加热器和热敏电阻的通电方式均为恒流电；盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。本实用新型专利技术可实现三轴加速度的检测，测量范围广，灵敏度高，响应速度快。同时它具有加工工艺简单，结构紧密，结构应力小，可靠性高，易于智能化和集成化，符合传感器朝着微小型、综合型和智能型的发展方向。综合型和智能型的发展方向。综合型和智能型的发展方向。

【技术实现步骤摘要】
全方位动热源摆式三轴微机械加速度计


[0001]本技术涉及一种利用全方位动热源摆在线加速度作用下发生摆动从而检测运动载体加速度姿态参数的
，尤其是涉及全方位动热源摆式三轴微机械加速度计，属于惯性测量领域。

技术介绍

[0002]由于载体姿态测量在民用车辆、铁路建设、工业生产、桥梁建筑、地震研究、大地测绘、地矿勘探、海洋调查、卫星通讯、机器人工程等多种领域中的应用需求，近年来，传感器技术与新兴科学技术间的有机结合将使姿态传感器朝着微小型、综合型和智能型的方向发展。利用微机电系统MEMS(Micro
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Electro
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Mechanical
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System)技术制作的微型惯性传感器有大批量生产、成本低、体积小、功耗低等诸多优点，是未来中、低精度微型惯性传感器的理想产品。加速度计是载体运动姿态测量和控制的核心惯性传感器。
[0003]在加速度计中最常用的是摆式加速度传感器。目前常用的摆式倾角传感器有液体摆式、固体摆式和热流式三大类型。固体摆式倾角传感器结构复杂，成本高，固体摆的运动幅度较大，难以承受高过载或冲击。液体摆式倾角传感器其主要问题是结构部件多，响应时间长，性能随温度变化大。而热流式加速度计敏感质量小，结构简单，有承受高过载、响应时间短、温度性能好和成本低等特点，能在恶劣的环境中应用。目前，市场对微型加速度计适应恶劣苛刻的环境能力要求越来越高，因此在微型加速度传感器中，微机械(MEMS)热流加速度以其超高抗冲击能力和超低制造成本在MEMS传感器中独树一帜，是其它MEMS传感器无法媲美的。
[0004]微机械(MEMS)热流加速度计的工作原理是：在密闭的腔体内设置电阻式加热器，在其周围设置对称分布的平行检测热敏电阻，加热器通电加热形成热源向周围发出热流，由于温度场对称分布，因此对热敏电阻的影响一致。当外界有线加速度输入时，热气流的流动方向与加速度方向相同，向输入加速度方向变动，引起气流的温度场不对称分布，使得同一方向的两个相邻检测热敏电阻温度变化相反，两个检测热敏电阻产生温度差。通过惠斯登电桥检测温差就可实现对加速度的检测。中国专利：微型硅桥式热对流加速度传感器(专利申请号 02116842.3)中微机械热流加速度计都是利用加热器产生热流在输入线加速度作用下发生移动，造成不对称温度场，通过设置对称的热敏电阻检测温度场的不对称分布。由于热气流速度很小，气流偏转时造成的不对称温度场梯度很小，因此由热敏电阻构成的惠斯登电桥输出的不平衡电压小，传感器的灵敏度低。在现有的解决方案，虽然可以通过加大加热器功率的方法提高灵敏度，但是受到功耗的限制，灵敏度没有实质性的改变和提高，很难突破这一实用化的瓶颈。

技术实现思路

[0005]本技术的目的在于提供一种全方位动热源摆式三轴微机械加速度计，以解决现有技术中存在的技术问题。
[0006]为了实现上述目的，本技术采用以下技术方案：
[0007]本技术提供一种全方位动热源摆式三轴微机械加速度计，其特征在于，包括上敏感层、下敏感层和盖板，其中，
[0008]所述上敏感层的中心位置设置有全方位动热源摆加热器，所述下敏感层上表面设置有四个热敏电阻，所述上敏感层、下敏感层键合在一起，形成敏感层；
[0009]定义加速度计的长宽方向分别为X，Y方向，加速度计的高度方向为Z向；所述热敏电阻以全方位动热源摆加热器为中心呈正交分布的放置在X,Y方向；四个热敏电阻两两相对设置，用于检测XYZ三轴的加速度；
[0010]所述全方位动热源摆加热器采用风火轮式敏感结构，其中心含有一个带圆形的质量块的中心轮轱，通过六个完全对称的半圆形支撑梁悬置在敏感层的中心位置；其下方是圆形的中间加热腔；
[0011]加热器和热敏电阻的通电方式均为恒流电；
[0012]所述盖板上刻蚀有凹槽，且与上敏感层的上表面密闭连接；
[0013]盖板和下敏感层将中间加热腔和中间检测腔的气体介质与外界隔离，形成一个密封的工作系统；中间加热腔和中间检测腔高度与盖板中凹槽的深度为总的腔体高度z，300μm≤z≤1000μm。
[0014]作为一种进一步的技术方案，所述盖板的凹槽深度为盖板高度的 2/3。
[0015]作为一种进一步的技术方案，加热器和热敏电阻的高度为100nm 至1000nm。
[0016]作为一种进一步的技术方案，所述热敏电阻的长度为整个敏感层宽度的1/6至1/5。
[0017]作为一种进一步的技术方案，加热器和热敏电阻是由铬黏附层和铂层组成的金属层构成。
[0018]一种加工全方位动热源摆式三轴微机械加速度计的方法，具体工艺流程如下：
[0019]步骤一：在N型(100)单晶硅片上热氧化0.5μm厚二氧化硅膜；
[0020]步骤二：在二氧化硅膜上光刻形成热敏电阻结构图形；
[0021]步骤三：用磁控溅射工艺在光刻胶、二氧化硅上依次溅射由铬黏附层和铂层组成的金属层；
[0022]步骤四：采用超声剥离工艺剥离掉热敏电阻结构图形以外的金属层，形成热敏电阻结构；
[0023]步骤五：采用光刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀掉一部分二氧化硅；
[0024]步骤六：采用硅刻蚀工艺腐蚀加工形成深300μm的凹槽，使热敏电阻通过二氧化硅膜悬空固定在下敏感层上，完成下敏感层的加工；
[0025]步骤七：在另一N型(100)单晶硅片上热氧化0.5μm厚二氧化硅膜；
[0026]步骤八：二氧化硅膜上光刻形成全方位振子加热器结构图形；
[0027]步骤九：用磁控溅射工艺在光刻胶、二氧化硅上依次溅射由铬黏附层和铂层组成的金属层；
[0028]步骤十：采用超声剥离工艺剥离掉全方位振子加热器结构图形以外的金属层，形成全方位振子加热器结构；
[0029]步骤十一：采用光刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀掉一部分二氧化硅；
[0030]步骤十二：采用硅刻蚀工艺腐蚀刻透形成中间加热腔，使全方位振子加热器通过二氧化硅膜悬空固定在上敏感层上，完成上敏感层的加工；
[0031]步骤十三：通过键合工艺将下敏感层和上敏感层进行粘合；
[0032]步骤十四：通过键合工艺将盖板和上敏感层进行粘合，使敏感层的上表面处于密闭腔体里，完成敏感元件的加工。
[0033]采用上述技术方案，本技术具有如下有益效果：
[0034]1.这种全方位动热源摆式三轴微机械加速度计继承了MEMS热流加速度计的优点，体积小，重量轻，易于智能化和集成化。
[0035]2.这种加速度计的敏感结构是全方位动热源摆加热器。全方位动热源摆敏感结构除了能沿着垂直于敏感层平面的Z轴上下摆动外，它在敏感层XOY平面上任一方位角上都有惯性力的自由度(摆动)，能够敏感在三轴的输入加速度。全方位动热源摆加热器通过六个完全对称的半圆形支撑梁悬置在敏感层的中心位置实现加速度的三轴测量，测量范围广，灵敏度高，响应速度快。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全方位动热源摆式三轴微机械加速度计，其特征在于，包括上敏感层、下敏感层和盖板，其中，所述上敏感层的中心位置设置有全方位动热源摆加热器，所述下敏感层的上表面设置有四个热敏电阻，所述上敏感层、下敏感层键合在一起，形成敏感层；定义加速度计的长宽方向分别为X，Y方向，加速度计的高度方向为Z向；所述热敏电阻以全方位动热源摆加热器为中心呈正交分布的放置在X,Y方向；四个热敏电阻两两相对设置，用于检测三轴的加速度；所述全方位动热源摆加热器采用风火轮式敏感结构，其中心含有一个带圆形的质量块的中心轮轱，通过六个完全对称的半圆形支撑梁悬置在敏感层的中心位置；其下方是圆形的中间加热腔；所述全方位动热源摆加热器除了能沿着垂直于敏感层的Z轴摆动外，也能沿着敏感层所在XOY平面内的任一方位角摆动；加热器和热敏电阻的通电方式均为恒流电；所述盖板上刻蚀有凹槽，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴林华，李备，王灯山，佟嘉程，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：新型
国别省市：