[實用新型]一種量程可達20萬m/s2的微機械加速度傳感器

無效

• 申請號: 01238754.1
• 申請日: 2001-04-06
• 公開（公告）號: CN2503487Y
• 公開（公告）日: 2002-07-31
• 發明（設計）人: 黃全平;陸德仁
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海冶金研究所
• 主分類號: G01P15/09
• 分類號: G01P15/09
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

本實用新型涉及一種量程可達20萬m/s²的特高量程的微機械壓阻式加速度傳感器，屬于微電子機械系統領域。

汽車防抱死系統、制導系統、機械振動監測、軍用引信等市場的發展，加速度傳感器需求增加，各種微機械加速度傳感器正在不斷發展研制中，其中硅微機械壓阻式和電容式的加速度傳感器的研究占了相當大的部分。

壓阻式加速度傳感器以半導體的壓阻效應為基礎，常用的壓阻式加速度傳感器的結構采用硅單晶梁(二梁或四梁)—島結構，質量塊一般通過懸臂梁或連接梁支撐懸掛，通過離子注入或擴散工藝在梁上沿<110>晶向制作壓敏電阻。當傳感器加速運動時，質量塊產生偏移，帶動支撐梁產生扭曲或彎曲等變形，在壓敏電阻中發生應力變化，由于半導體硅的壓阻效應，壓敏電阻阻值發生變化，利用適當的外圍電路將這種變化轉化為可測量信號，如電壓、電流，經過定標就可建立輸出信號與被測加速度之間的關系，從而測量加速度。壓阻式加速度傳感器的研究正從目前中量程(百m/s²-1萬m/s²)向小量程(如10m/s²左右)和特高量程(大于萬m/s²)發展。設計特高量程加速度傳感器必須考慮單晶硅的彎曲強度，因為加速度大到一定程度在梁中的應力會使梁斷裂，所以技術上需加以改進。

本實用新型的目的在于提供一種量程可達20萬m/s²的微機械壓阻式特高量程加速度傳感器。本實用新型的目的是通過下述方式實施的。提供的微機械壓阻式特高量程加速度傳感器主要由錨區1、支撐質量塊的懸空薄板2、質量塊3、壓敏電阻4等部分組成。在加速運動中，質量塊運動導致薄板發生變形，從而引起薄板上的壓敏電阻發生變化，通過外圍檢測電路就可知道加速度的大小。其結構如附圖1所示。

本實用新型提供的可達20萬m/s²以上的微機械壓阻式加速度傳感器結構特征在于：

1.采用薄板—島結構，起著彈性梁作用的薄板是單晶硅薄層，厚度由30μm-200μm，厚度與傳感器的量程有關，薄板彈性梁不像通常結構分成兩部分，而是寬度與敏感質量塊相同，敏感部分的芯片(A)中的錨區不形成封閉式框架，這樣，敏感芯片占滿一個單元，避免了工藝上有很大難度的穿通、釋放梁島結構的過程，因此工藝簡單、重復性好、成品率高。

2.與常規壓阻式加速度傳感器敏感電阻由多條矩形直線條狀薄層電阻串聯不同的是本實用新型提出的敏感電阻設計成單一直線條狀，寬4-50μm，長可以接近薄板寬，且平行于薄板和錨區的交線，安置于薄板的根部，小部分與錨區或敏感質量塊相交，因此可以獲得較高的靈敏度。

3.本實用新型可達20萬m/s²以上的微機械壓阻式加速度傳感器還包括厚度比芯片A稍厚8-10微米的矩形框，芯片A封裝在框架之中，并用玻璃蓋板上下與其鍵合在一起，該封裝簡單易行，工藝簡單。

4.過載保護采用在上下玻璃蓋板各粘上一小片金屬膜島作為限位，器件在加速運動時，當加速度上升將使薄板斷裂時，質量塊的質心正好碰到蓋板上的限位島，這樣就起到了所需要的過載保護作用。

本實用新型提供的量程可達20萬m/s²以上的微機械壓阻式加速度傳感器采用硅微機械加工工藝，系一般微機械加工工藝。其工藝步驟如下：

1.一次氧化，做擴散掩膜

2.一次光刻，刻電阻圖形

3.擴淡硼，再分布

4.二次光刻，刻濃硼窗口

5.擴濃硼，再分布

6.背面光刻，再用四甲基氫氧化銨腐蝕約10微米，用于制作質量塊運動的范圍

7.二次氧化

8.光刻引線孔

9.光刻薄板島區域

10.蒸鋁

11.反刻鋁

12.蒸Cr

13.腐蝕出薄板區，用KOH溶液腐蝕約300微米

14.去掉Cr

對于本實用新型可達20萬m/s²以上的微機械壓阻式加速度傳感器的封裝采用框架與玻璃鍵合的方法。其結構如圖2所示。框架的制作工藝如下：

1.氧化

2.雙面光刻

3.KOH腐蝕穿通

將傳感器芯片放入框架中，與所選用的鉀玻璃(1GG7)上下蓋板進行鍵合。

這樣就完成了本實用新型可達20萬m/s²以上的微機械壓阻式加速度傳感器芯片的制作。