一種壓阻式加速度傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種壓阻式加速度傳感器及其制造方法，屬于傳感器領域的加速度傳感器裝置。包括支撐邊框1、彈性懸梁臂2、壓敏電阻3、質量塊4、玻璃基底6和玻璃蓋板7，其特征在于，所述彈性懸梁臂2為蛇形的彈性懸梁臂，所述質量塊上設有陣列排布的阻尼孔5。本發明壓阻式加速度傳感器中的彈性懸梁臂采用蛇形結構，可以使彈性懸梁臂的梁的長度更長，對加速度的響應更靈敏，可以有效增加傳感器的靈敏度；質量塊上設有阻尼孔，能有效降低空氣阻力的影響，保證精確度，同時使傳感器對于封裝的真空度要求降低，降低生產成本。
【專利說明】一種壓阻式加速度傳感器及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器領域的加速度傳感器裝置，具體涉及一種壓阻式加速度傳感器及其制造方法。
【背景技術】
[0002]微機械加速度傳感器是一種重要的加速度測量器件，具有體積小、重量輕、響應快、易于加工等優點，大量應用于汽車安全氣囊、新型玩具、機器人、工業自動化、探礦、地震監控、軍事導航、生物醫療、智能手機、智能穿戴設備等領域。加速度傳感器的類型主要有壓阻式、壓電式、諧振式、隧道電流式和電容式，其中壓阻式加速度傳感器因動態響應特性及輸出線性較好，體積小，功耗低等優點，廣泛運用于各個領域。
[0003]壓阻式加速度傳感器是利用單晶硅的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器，其工作原理是，質量塊響應被檢測的加速度運動，引起位于梁上的壓敏電阻發生形變，使壓敏電阻阻值發生變化，通過電路測量電阻變化即可得到被檢測加速度的大小。傳統的加速度傳感器由于采用直梁結構而導致靈敏度較低，且質量塊在工作中易受到空氣阻力的影響，使傳感器的精確度降低，而要克服空氣阻力，則需要加強封裝的真空度，這會提高成本、使工藝復雜。
[0004]加速度傳感器通常采用微機械加工技術制造。微機械加工技術是在集成電路工藝的基礎上發展起來的，主要包括體微加工技術和表面微加工技術。體微加工技術主要是利用刻蝕技術形成三維結構，分為濕法腐蝕和干法腐蝕。濕法腐蝕是將腐蝕的硅片置入具有確定化學成分和固定溫度的腐蝕液體里進行的腐蝕。硅的各向同性腐蝕是在硅的各個腐蝕方向上的腐蝕速度相等，比如化學拋光等，常用的腐蝕液是HF-HNO3腐蝕系統，一般在HF和HNO3中加H2O或者CH3C00H。而硅的各向異性腐蝕，是指對硅的不同晶面具有不同的腐蝕速率，比如，〈100〉與〈111〉面的腐蝕速率比為100:1，基于這種腐蝕特性，可在硅襯底上加工出各種各樣的微結構。
[0005]干法刻蝕是氣體利用反應性氣體或離子流進行的腐蝕。干法腐蝕可以腐蝕多種金屬，也可以刻蝕許多非金屬材料；既可以各向同性刻蝕，又可以各向異性刻蝕，是集成電路工藝或MEMS工藝常用方法。按刻蝕原理分，可分為等離子體刻蝕、反應離子刻蝕和電感耦合等離子體刻蝕。在等離子氣體中，可實現各向同性的等離子腐蝕。
[0006]表面微機械加工技術是娃基上形成薄膜并按一定要求對薄膜進行加工的技術。薄膜沉積一般采用常壓化學氣相淀積(APCVD)、低壓化學氣相淀積(LPCVD)和等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)。薄膜的加工通常采用光刻技術，通過光刻將設計好的微機械結構圖形轉移到硅片上，再用各種腐蝕工藝形成微結構。在表面微機械加工中，有時要形成各種懸空結構如微腔和微橋，通常采用犧牲層技術實現。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是為了解決現有的壓阻式傳感器靈敏度不高、易受空氣阻力影響、封裝真空度要求高等問題。
[0008]本發明的技術方案如下:
[0009]一種壓阻式加速度傳感器，包括支撐邊框1、彈性懸梁臂2、壓敏電阻3、質量塊4、玻璃基底6和玻璃蓋板7，其特征在于，所述彈性懸梁臂2為蛇形的彈性懸梁臂，所述質量塊上設有陣列排布的阻尼孔5。
[0010]進一步地，質量塊位于支撐邊框中并通過四個蛇形彈性懸梁臂與支撐邊框連接，在靠近質量塊一端的蛇形懸梁臂上設置有壓敏電阻。
[0011]更進一步地，所述支撐邊框I為正方形，其每條邊的中點處分別固定一個蛇形彈性懸梁臂，蛇形彈性懸梁臂的一端固定在支撐邊框上，另一端固定在質量塊上，四個壓敏電阻分別設置在蛇形彈性懸梁臂靠近質量塊一端，支撐邊框通過靜電鍵合技術分別與玻璃基底和玻璃蓋板鍵合，所述質量塊的下表面與玻璃基底之間有間隔。
[0012]一種壓阻式加速度傳感器的制造方法，包括以下步驟:
[0013]I)在硅片雙面沉積S12 ；
[0014]2)正面光刻S12，離子注入濃硼，做歐姆接觸；
[0015]3)正面光刻S12,尚子注入淡硼，做壓敏電阻；
[0016]4)去除 S12,雙面沉積 Si3N4 ；
[0017]5)背面光刻Si3N4,預腐蝕，減薄質量塊的厚度；
[0018]6)背面沉積Si3N4，光刻Si3N4，濕法腐蝕出質量塊的結構；
[0019]7)去除 Si3N4,正面沉積 S12 ；
[0020]8)光刻S12,濺射Al，光刻形成Al導線；
[0021]9)光刻S12，光刻Si形成蛇形懸梁臂和阻尼孔；
[0022]10)靜電鍵合玻璃基底和玻璃蓋板。
[0023]其中，步驟3)中的壓敏電阻通過離子注入和擴散工藝加工制成，步驟6)中采用各向異性濕法刻蝕出質量塊的結構，步驟9)中所述的蛇形梁和阻尼孔均采用DRIE工藝加工制成。
[0024]本發明的有益效果為:
[0025]1、本發明提供的壓阻式加速度傳感器的結構簡單，靈敏度高，可靠性高，易于加工。
[0026]2、本發明提供的壓阻式加速度傳感器中的彈性懸梁臂采用蛇形結構，可以使彈性懸梁臂的梁的長度更長，對加速度的響應更靈敏，可以有效增加傳感器的靈敏度。
[0027]3、本發明提供的壓阻式加速度傳感器的質量塊上設有阻尼孔，能有效降低空氣阻力的影響，保證精確度，同時使傳感器對于封裝的真空度要求降低，降低生產成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明壓阻式加速度傳感器的俯視圖。
[0029]圖2為本發明壓阻式加速度傳感器的剖面圖。
[0030]圖3為本發明壓阻式加速度傳感器的壓敏電阻組成的惠斯通電橋電路。
[0031]圖4為制作本發明壓阻式加速度傳感器的工藝步驟。
[0032]其中，I為支撐邊框，2為蛇形彈性懸梁臂，3為壓敏電阻，4為質量塊，5為阻尼孔，6為玻璃基底，7為玻璃蓋板，8為Al導線，9為二氧化硅薄膜，10為氮化硅薄膜。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的介紹。
[0034]圖1為本發明壓阻式加速度傳感器的俯視圖，如圖1所示，本發明壓阻式加速度傳感器包括支撐邊框1、四個蛇形彈性懸梁臂2、壓敏電阻3、質量塊4、阻尼孔5、玻璃基底6和玻璃蓋板7。支撐邊框I通過蛇形彈性懸梁臂將質量塊4支撐，質量塊4的下表面高于支撐邊框I的下表面，便于質量塊在慣性作用下上下移動；彈性懸梁臂2采用蛇形結構，可以使梁的長度更長，對加速度的響應更敏感，能有效增加傳感器的靈敏度；壓敏電阻3分布于彈性懸梁臂靠近質量塊4 一端，當質量塊4響應加速度發生位移時，壓敏電阻3發生形變，電阻變化；阻尼孔5陣列排布分布于質量塊上，能降低空氣阻力對質量塊4的影響，增加了傳感器的線性特性。
[0035]圖2為本發明壓阻式加速度傳感器的剖面圖，玻璃基底6和玻璃蓋板7通過靜電鍵合工藝與加速度傳感器的支撐邊框貼合，起保護和封裝作用。
[0036]圖3為四個壓敏電阻3通過Al導線8組成的惠斯通電橋電路，用于檢測加速度。因為四個壓敏電阻對稱分布于質量塊4四邊的蛇形彈性懸梁臂上2，能降低對X，Y方向加速度的耦合和溫度漂移影響。
[0037]圖4為本發明壓阻式加速度傳感器的具體工藝步驟:
[0038]I)圖4-a為在η型〈100〉雙面拋光硅片上通過PECVD工藝雙面沉積S12薄膜9 ；
[0039]2)圖4-b為正面刻蝕S12薄膜開出離子注入窗口，然后通過離子注入在硅基表面注入濃硼，用于歐姆接觸；
[0040]3)圖4-c為正面刻蝕S12薄膜開出離子注入窗口，然后通過離子注入在硅基表面注入淡硼，形成壓敏電阻；
[0041]4)圖4-d為去除S12薄膜，然后通過PECVD雙面積淀Si3N4薄膜10 ；
[0042]5)圖4-e為背面刻蝕Si3N4薄膜，通過濕法腐蝕減薄質量塊厚度；
[0043]6)圖4-f為背面PECVD沉積Si3N4薄膜，刻蝕Si3N4,再通過濕法腐蝕得到質量塊結構；
[0044]7)圖4-g為去除Si3N4薄膜，正面通過PECVD沉積S12薄膜；
[0045]8)圖4-h為刻蝕S12薄膜，濺射Al，光刻Al生成導線；
[0046]9)圖4-1為刻蝕S12薄膜，通過深反應離子刻蝕硅生成阻尼孔和蛇形梁結構；
[0047]10)圖4-j為通過靜電鍵合技術將玻璃基板和玻璃蓋板與硅基鍵合。
【權利要求】
1.一種壓阻式加速度傳感器，包括支撐邊框(I)、彈性懸梁臂(2)、壓敏電阻(3)、質量塊(4)、玻璃基底(6)和玻璃蓋板(7)，其特征在于，所述彈性懸梁臂(2)為蛇形的彈性懸梁臂，所述質量塊上設有陣列排布的阻尼孔(5)。
2.根據權利要求1所述的壓阻式加速度傳感器，其特征在于，所述質量塊位于支撐邊框中并通過四個蛇形彈性懸梁臂與支撐邊框連接，在靠近質量塊一端的蛇形懸梁臂上設置有壓敏電阻。
3.根據權利要求1所述的壓阻式加速度傳感器，其特征在于，所述支撐邊框為正方形，其每條邊的中點處分別固定一個蛇形彈性懸梁臂，蛇形彈性懸梁臂的一端固定在支撐邊框上，另一端固定在質量塊上，四個壓敏電阻分別設置在蛇形彈性懸梁臂靠近質量塊一端，支撐邊框通過靜電鍵合技術分別與玻璃基底和玻璃蓋板鍵合，所述質量塊的下表面與玻璃基底之間有間隔。
4.一種壓阻式加速度傳感器的制造方法，包括以下步驟: 1)在硅片雙面沉積S12； 2)正面光刻S12，離子注入濃硼，做歐姆接觸； 3)正面光刻S12，離子注入淡硼，做壓敏電阻； 4)去除S12,雙面沉積Si3N4； 5)背面光刻Si3N4，預腐蝕，減薄質量塊的厚度； 6)背面沉積Si3N4，光刻Si3N4，濕法腐蝕出質量塊的結構； 7)去除Si3N4,正面沉積S12； 8)光刻S12，濺射Al，光刻形成Al導線； 9)光刻S12，光刻Si形成蛇形梁和阻尼孔； 10)靜電鍵合玻璃基底和玻璃蓋板。
5.根據權利要求4所述的壓阻式加速度傳感器的制造方法，其特征在于，所述步驟3)中的壓敏電阻通過離子注入和擴散工藝加工制成，步驟6)中采用各向異性濕法刻蝕出質量塊的結構，步驟9)中所述的蛇形梁和阻尼孔均采用DRIE工藝加工制成。
【文檔編號】G01P15/12GK104181331SQ201410427402
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】陳超, 趙源, 王濤, 張龍, 胡曉, 馬家鋒 申請人:電子科技大學
專業數控銑床產品供應商
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