專利名稱：硅基帶鎖止功能的閾值可調(diào)加速度開關(guān)傳感器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶鎖止功能的閾值可調(diào)加速度開關(guān)傳感器及制作方法， 更確切的說， 一種基于機電耦合原理設(shè)計的，具有可調(diào)閾值和鎖止功能的硅
基微機械(MEMS)加速度開關(guān)，特別是涉及一種集成電子加速度閾值開關(guān)。
背景技術(shù)：
一般來說，加速度計是利用檢測質(zhì)量塊或振動塊來測量加速度。外部加 速度對質(zhì)量塊發(fā)生作用，然后通過測量質(zhì)量塊的位移、質(zhì)量塊對框架的作用 力或保持位置其不變所需的力(對后者，即有源加速度計，需要有一個閉環(huán) 控制系統(tǒng))來得出加速度值。直接或間接地從作用在質(zhì)量塊m上所產(chǎn)生的力 或位移就可以測量出加速度。然而，測量力或位移有多種方法，包括應(yīng)變計、 電容計、表面聲波器件、應(yīng)變敏感諧振兩、磁力計、光學(xué)探測計(干涉儀等)、 隧道探測計等。
其中加速度閾值開關(guān)為機械式加速度開關(guān)，是根據(jù)機械原理來控制開關(guān) 的打開與閉合。機械式加速度開關(guān)主要是通過彈性結(jié)構(gòu)連接一個質(zhì)量塊，并 將質(zhì)量塊作為一個敏感質(zhì)量和可動電極。根據(jù)牛頓第一定律,=附"，當(dāng)所受的 加速度a達(dá)到一個預(yù)定閾值時，質(zhì)量塊受力F作用，克服彈性恢復(fù)力，發(fā)生 位移達(dá)到一個預(yù)設(shè)位置，并與一個定電極接觸，從而觸發(fā)電信號，導(dǎo)通電路 使開關(guān)工作。這種加速度閾值開關(guān)可以在單片上構(gòu)建加速度計陣列，有著許 多好處，包括增加動態(tài)范圍和冗余。在陣列中，通過使給定時間內(nèi)使測量加 速度計處在最佳兩層范圍(即非線性很小的范圍)，就可以增加測試的動態(tài) 范圍。使用加速度計的陣列并保證測試范圍相鄰的加速度計之間具有重復(fù)測試區(qū)，就可以使測試的加速度計總處于最佳范圍，從而提供一個動態(tài)范圍比 單個加速度計更大的加速度計。但是這種開關(guān)對于工藝容差要求嚴(yán)格，精度 較低，閾值范圍局限在低頻信號或緩變加速度范圍內(nèi)，測量能力和環(huán)境適應(yīng) 能力較弱，容易造成開關(guān)失靈或誤操作。且此類開關(guān)由于測量閾值單一，難 以實現(xiàn)智能化集成等缺點。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種硅基帶鎖止功能的閾值可調(diào)加速度開關(guān)傳感器及制作方法，提供的加速度傳感器是基于機電耦Pull-in原理的MEMS加速度開關(guān) 設(shè)計原理，以克服現(xiàn)有的現(xiàn)有技術(shù)不足。基本思想是利用靜電力和慣性力、 彈性力之間的耦合作用，通過控制電壓來實現(xiàn)對信號加速度開關(guān)的閉合閾值 的控制，使加速度開關(guān)具有閾值可調(diào)功能。并且基于這個原理的開關(guān)還具有 鎖定功能，即是沖擊過程完成后，開關(guān)仍可以利用靜電力長時間保持在閉合 狀態(tài)直至重新驅(qū)動電壓降到足夠小的幅值，相應(yīng)提高了開關(guān)可靠性，并使開 關(guān)具有開關(guān)邏輯功能。本發(fā)明所提涉及的原理進一步描述如下在圖l所示系統(tǒng)中，3為可動導(dǎo)電極板，質(zhì)量為m，面積為A。可動導(dǎo) 電極板3通過電絕緣的彈性結(jié)構(gòu)4與固定的硅框架1形成機械連接，其中彈 性結(jié)構(gòu)彈性系數(shù)為k。恒壓源通過導(dǎo)電回路5連接導(dǎo)電極板3和固定的導(dǎo)電 定極板2，在極板間形成壓降V的電勢差。可動導(dǎo)電極板3和導(dǎo)電定極板2 之間的空氣阻尼作用等效為阻尼系數(shù)b的可變阻尼器，其中阻尼系數(shù)b隨極 板間隙d的減小而增大。在向下的慣性加速度a作用下，可動導(dǎo)電極板3受到向下的靜電力Fe和慣性力Fi共同作用,克服彈性回復(fù)力Fk，產(chǎn)生位移，向?qū)щ姸O板2靠近。電勢差V—定，當(dāng)加速度a大到超過一個定值時，可動 導(dǎo)電極板3會在靜電力Fe和慣性力Fi共同作用下擺脫彈性回復(fù)力Fk約束， 與導(dǎo)電定極板2貼合即發(fā)生Pull-in，從而閉合開關(guān)。 作為開關(guān)的可導(dǎo)電動、極板3的運動方程為m^ + ^ + foc= g。」 (1) 經(jīng)歸一化表示為
^^ + A^ + 3f = _^v、, (2) A &2A: a f 27(卜i2)
其中^ + ， v = f ， "^， =、^7是Pull-in電壓，"。極板初始間
距，f。為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。
通過(2)式，可以解得加速度閾值與驅(qū)動電壓間的函數(shù)關(guān)系；依狀態(tài) 不同分為
1、 準(zhǔn)靜態(tài)、低頻加速度條件下，歸一化加速度閾值和歸一化驅(qū)動電壓 關(guān)系為
&=1-爿 (3) 式中，^為歸一化加速度閥值，v為歸一化驅(qū)動電壓。
2. 階躍加速度條件下，歸一化加速度閾值和歸一化驅(qū)動電壓關(guān)系如下
— 1 _— 4 v2 2、 27(1-。(1-
其中札=1-」:^1一是可動導(dǎo)*極板穩(wěn)、定狀態(tài)所能&到最大位移,^ 27(1-x。)
是施加歸一化驅(qū)動電壓v時導(dǎo)電動極板的自由位置位移。
式(3) (4)以及圖2示出閾值加速度和驅(qū)動電壓之間的一一對應(yīng)關(guān)系； 由此可見控制驅(qū)動電壓即可控制可測閾值加速度。
誠然，開關(guān)其他的加速度輸入條件下的響應(yīng)也可以同樣通過數(shù)值解析給出。
此外，當(dāng)可動導(dǎo)電極板3與導(dǎo)電定極板2貼合后，從靜電力 《=^^"可以看出，當(dāng)Wr力一0， Fe—~，即使慣性力消失，彈性力仍
不能克服靜電力使可動導(dǎo)電極板3回復(fù)自由平衡狀態(tài)，使開關(guān)具有鎖止功能。為此，基于以上分析本發(fā)明設(shè)計了一種硅基沖擊加速度閾值開關(guān)，如圖 3所示。其工作原理首先驅(qū)動電壓使懸臂梁產(chǎn)生初始形變，向下彎曲一定 程度。當(dāng)承受向下的加速度時，懸臂梁進一步發(fā)生形變。如果輸入加速度足 夠超過由驅(qū)動電壓決定的幅值，懸臂梁會發(fā)生吸合，與固定的極板貼合。其 中懸臂梁的末端的金屬電極會與其下的金屬電極發(fā)生接觸，接通電學(xué)回路產(chǎn) 生電信號，完成關(guān)閉開關(guān)動作。依圖3所示，本發(fā)明提供一種懸臂梁型閾值可調(diào)加速度開關(guān)，其結(jié)構(gòu)特 征包括絕緣襯底上的錨區(qū)和硅框架6、單端固支在錨區(qū)的低阻硅懸臂梁7、 絕緣襯底上的金屬靜電驅(qū)動導(dǎo)電定極板8、懸臂梁下表面上的絕緣介質(zhì)層9、 介質(zhì)層上金屬接觸電極10、固定金屬接觸電極ll以及信號驅(qū)動/檢測回路12。 其中，懸臂梁作為可動導(dǎo)電極板和彈性結(jié)構(gòu)，同時也作為檢測慣性加速度的 慣性質(zhì)量塊；檢測兩個固定金屬接觸電極間的電信號導(dǎo)通與否，作為判斷懸 臂梁下表面上的金屬接觸電極與固定金屬接觸電極接觸與否，也即是判斷吸 合與否的根據(jù)。本發(fā)明所述的開關(guān)傳感器制作步驟是(a) 在低阻SOI硅片正面腐蝕出5pm — l(nim深度的硅阱，作為可動結(jié) 構(gòu)的活動間隙；(b) 在步驟(a)的硅阱內(nèi)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，在SOI掩埋層處停止；(c) 在懸臂梁正面沉積介質(zhì)絕緣層，作為開關(guān)閉合狀態(tài)時的電介質(zhì)絕 緣層，接著在梁末端的絕緣層上沉積金屬層，形成接觸電極，同時在玻璃上 沉積金屬層，形成驅(qū)動極板、固定接觸電極以及芯片走線；(d) 將步驟(c)的硅片與玻璃片對準(zhǔn)鍵合；(f)將步驟(d)鍵合后的SOI硅片進行背面減薄，減薄直至到介質(zhì)掩埋層，然后去除介質(zhì)絕緣層，完成懸臂梁釋放。。步驟(a)中所述低阻SOI硅片的電阻率為0.001-0.002Qcm。 綜上所述，本發(fā)明基于機電耦合的Pull-in原理設(shè)計的一種帶鎖止功能的加速度閾值可調(diào)MEMS開關(guān)。控制傳感與驅(qū)動電壓即可實現(xiàn)器件測量閥值可調(diào)的功能同時具有鎖止功能，除具有加速度閾值可調(diào)和鎖止功能外，還利 用金屬橋路通斷檢測傳感器工作狀態(tài)的信號輸出方式，使傳感器具有導(dǎo)通電 阻小、工藝容差性好、輸入/輸出隔離性好、接口電路簡單便于與數(shù)字邏輯系 統(tǒng)集成等特點，同時利用微加工技術(shù)制作的這種開關(guān)具有體積小、低功耗、 結(jié)構(gòu)較為簡單等特點，便于組成陣列與數(shù)字邏輯系統(tǒng)集成構(gòu)成慣性測量邏輯 微系統(tǒng)。
圖1是本發(fā)明涉及的機電耦合系統(tǒng)集總模型。其中3為可動導(dǎo)電極板， 質(zhì)量為m，面積為J。 4是彈性結(jié)構(gòu)與固導(dǎo)電定極板1形成機械連接，其中 彈性結(jié)構(gòu)彈性系數(shù)為A:。導(dǎo)電動極板3和固定導(dǎo)電極板2通過電學(xué)回路5與 恒壓源連接，極板間壓降r。極板間空氣阻尼作用等效為阻尼系數(shù)b的可變 阻尼器，其中b隨極板間隙(4-x)變化。圖2依式(3)和(4)給出在準(zhǔn)靜態(tài)/低頻加速度輸入條件、階躍加速度 輸入條件下的歸一化閾值加速度與歸一化吸合電壓的關(guān)系曲線圖3為本發(fā)明提供涉及的加速度開關(guān)結(jié)構(gòu)局部視圖a. 開關(guān)結(jié)構(gòu)俯視圖；b. A-A'剖面圖，示出開關(guān)結(jié)構(gòu)；c. B-B'剖面圖，示出開關(guān)末端接觸電極相互關(guān)系圖4是本發(fā)明涉及的加速度開關(guān)具體工藝流程圖。其中，a)硅片正面 腐蝕出硅阱，b)形成懸臂梁和驅(qū)動極板的結(jié)構(gòu)，c)硅片和玻璃片對準(zhǔn)鍵合， d)懸臂梁釋放具體實施方式
如發(fā)明內(nèi)容所述的硅基沖擊加速度閾值開關(guān)，其工藝過程如下 a.在電阻率0.001 Qcm2的SOI硅片正面腐蝕出5um的硅阱，作為可動結(jié) 構(gòu)的活動間隙，如圖4.a所示；b. 在步驟a的硅阱內(nèi)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，在SOI掩埋層停止，如圖4.b所不；c. 在懸臂梁正面沉積介質(zhì)絕緣層，作為開關(guān)閉合狀態(tài)時的電介質(zhì)絕緣層，接著在梁末端的絕緣層上沉積金屬層，形成接觸電極，同時在玻璃上沉積金屬層，形成驅(qū)動極板、固定接觸電極以及芯片走線，如圖4.b所示；d. 將步驟C的硅片與玻璃片對準(zhǔn)鍵合，如圖4.C所示；；f.將步驟d鍵合后的SOI硅片進行背面減薄，直至到介質(zhì)掩埋層，然后 去除介質(zhì)絕緣層，完成懸臂梁釋放,如圖4.d所示。所形成的加速度開關(guān)傳感器如圖3 (a、 b和c)所示，其中包括絕緣襯 底上的錨區(qū)和硅框架6、單端固支在錨區(qū)的低阻硅懸臂梁7、絕緣襯底上的 金屬靜電驅(qū)動導(dǎo)電定極板8、懸臂梁下表面上的絕緣介質(zhì)層9、介質(zhì)層上金 屬接觸電極10、固定金屬接觸電極11以及信號驅(qū)動/檢測回路12。
權(quán)利要求
1、一種硅基帶鎖止功能的閾值可調(diào)加速度開關(guān)傳感器，其特征在于所述的加速度開關(guān)傳感器是由絕緣襯底上的錨區(qū)和硅框架、單端固支在錨區(qū)的低阻硅懸臂梁、絕緣襯底上的金屬靜電驅(qū)動導(dǎo)電定極板、懸臂梁下表面上的絕緣介質(zhì)層、介質(zhì)層上金屬接觸電極、固定金屬接觸電極以及信號驅(qū)動/檢測回路組成；所述傳感器的驅(qū)動電壓與閥值加速度之間關(guān)系依不同類型的關(guān)系式為i).準(zhǔn)靜態(tài)、低頻加速度條件下，歸一化加速度和歸一化驅(qū)動電壓關(guān)系符合關(guān)系式<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mover><mi>a</mi><mo>‾</mo> </mover> <mi>th</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>v</mi> <mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn> </mfrac></msup><mo>;</mo> </mrow>]]></math></maths>ii).階躍加速度條件下，歸一化加速度和歸一化驅(qū)動電壓關(guān)系符合關(guān)系式<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mover><mi>a</mi><mo>‾</mo> </mover> <mi>th</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mover> <mi>x</mi> <mo>‾</mo></mover><mi>m</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mover> <mi>x</mi> <mo>‾</mo></mover><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mfrac> <mn>4</mn> <mn>27</mn></mfrac><mfrac> <msup><mi>v</mi><mn>2</mn> </msup> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub><mover> <mi>x</mi> <mo>‾</mo></mover><mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub><mover> <mi>x</mi> <mo>‾</mo></mover><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>.</mo> </mrow>]]></math></maths>式中<overscore>a</overscore>th為歸一化加速度，v為歸一化驅(qū)動電壓，<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mover><mi>x</mi><mo>‾</mo> </mover> <mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msqrt> <mfrac><mn>8</mn><mrow> <mn>27</mn> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msub> <mover><mi>x</mi><mo>‾</mo> </mover> <mn>0</mn></msub><mo>)</mo> </mrow></mrow> </mfrac> <msup><mi>v</mi><mn>2</mn> </msup></msqrt><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2007100405410002C3.tif" wi="40" he="11" top= "150" left = "136" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>為可動導(dǎo)電極板穩(wěn)定狀態(tài)所能達(dá)到最大位移，<overscore>x</overscore>0為施加歸一化驅(qū)動電壓v時導(dǎo)電動板的自由位置的位移。
2、 按權(quán)利要求1所述的硅基帶鎖止功能的閾值可調(diào)加速度開關(guān)傳感器， 其特征在于所述的加速度開關(guān)傳感器組成形狀陳列，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)字邏輯系 統(tǒng)集成構(gòu)成慣性測量邏輯微系統(tǒng)。
3、 制作如權(quán)利要求1所述的硅基帶鎖止功能的閾值可調(diào)加速度開關(guān)傳 感器的方法，其特征在于制作步驟是(a)在低阻SOI硅片正面腐蝕出5pm— lOpm深度的硅阱，作為可動結(jié) 構(gòu)的活動間隙；(b) 在步驟(a)的硅阱內(nèi)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，在SOI掩埋層處停止；(c) 在懸臂梁正面沉積介質(zhì)絕緣層，作為開關(guān)閉合狀態(tài)時的電介質(zhì)絕 緣層，接著在梁末端的絕緣層上沉積金屬層，形成接觸電極，同時在玻璃上 沉積金屬層，形成驅(qū)動極板、固定接觸電極以及芯片走線；(d) 將步驟(C)的硅片與玻璃片對準(zhǔn)鍵合；(f)將步驟(d)鍵合后的SOI硅片進行背面減薄，減薄直至到介質(zhì)掩 埋層，然后去除介質(zhì)絕緣層，完成懸臂梁釋放。
4、按權(quán)利要求3所述的硅基帶鎖止功能的閾值可調(diào)加速度開關(guān)傳感器 的制作方法，其特征在于步驟(a)中所述低阻SOI硅片的電阻率為0.001-0.002 Qcm。
全文摘要
本發(fā)明涉及硅基帶鎖止功能的閾值可調(diào)加速度開關(guān)傳感器及制作方法，其特征在于所述的加速度開關(guān)傳感器是由絕緣襯底上的錨區(qū)和硅框架、單端固支在錨區(qū)的低阻硅懸臂梁、絕緣襯底上的金屬靜電驅(qū)動導(dǎo)電定極板、懸臂梁下表面上的絕緣介質(zhì)層、介質(zhì)層上金屬接觸電極、固定金屬接觸電極以及信號驅(qū)動/檢測回路組成。提供的傳感器驅(qū)動電壓與閥值加速度間存在一定關(guān)系且具有鎖止功能。同時利用金屬橋路通斷檢測傳感器工作狀態(tài)的信號輸出方式，使利用MEMS制作的加速度開關(guān)傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、導(dǎo)通電阻小、接口電路方便、輸入、輸出隔離性好等特點。
文檔編號G01P15/135GK101303366SQ20071004054
公開日2008年11月12日 申請日期2007年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日
發(fā)明者李昕欣, 王躍林, 賈孟軍 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
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