[發明專利]諧振式加速度計諧振梁和支撐梁的二步腐蝕制造方法

有效

• 申請號: 201210059372.2
• 申請日: 2012-03-01
• 公開（公告）號: CN102602879A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 韓建強;李森林;李青;馮日盛;李琰
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;G01P15/097
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及諧振式加速度計的諧振梁和支撐梁的制造方法，特別是一種利用掩膜-無掩膜腐蝕技術制造諧振式加速度計的諧振梁和支撐梁的二步腐蝕方法，屬于微電子機械系統(Micro-Electro-Mechanical?Systems，MEMS)領域。

背景技術

微型加速度計是一類重要的力學量傳感器。早在上世紀60年代末人們就開始研究一維微型硅加速度計。80年代末開始一維微型加速度計的規模化生產。進入到90年代，隨著科學技術的發展和軍事、商業市場的需求，開始研究三維微型加速度計，應用于軍事、汽車電子、工業自動化、機器人技術、消費類電子產品等領域。由于微型加速度計具有體積小、重量輕、功耗和成本低、過載能力強、易集成、可大規模批量生產等優點，不僅成為微慣性測量組合的核心元件，也迅速應用到車輛控制、高速鐵路、機器人、工業自動化、探礦、玩具、醫療等民用領域。

微型加速度計是利用傳感質量的慣性力測量加速度的傳感器。按照檢測質量的運動方式可以分為線加速度計和擺式加速度計；按照信號檢測方式分可為壓阻式、電容式、隧道電流式、諧振式、熱對流式、壓電式加速度計。按照有無反饋信號可分為開環偏差式和閉環力平衡式加速度計。按照敏感軸的數量，分為單軸、雙軸以及三軸加速度計。上世紀90年代以后，隨著MEMS技術的不斷發展以及軍事、商業市場的需求，單一方向的加速度測試已經不能滿足各方面的需求，加速度計向三維方向發展，以用于檢測空間加速度，為衛星導航、導彈制導、炮彈定向等軍工項目和汽車防震保護、自動剎車、醫療等民用項目服務。三軸微型加速度計能夠同時測量相互正交的三個軸向加速度。其測量原理包括電容式、壓阻式、壓電式和熱對流式，按照質量塊數目可分為多質量塊和單質量塊系統。

諧振式加速度傳感器利用慣性力改變諧振器的軸向應力和應變，從而引起諧振頻率變化，檢測諧振頻率的變化量獲得加速度的大小。諧振式加速度傳感器可以將被測加速度直接轉換為穩定性和可靠性較高的頻率信號，而且在傳輸過程中不易產生失真誤差，無需經A/D轉換器即可與數字系統接口。另外，諧振式加速度傳感器動態范圍寬、靈敏度和分辨率高、穩定性好、測量精度高，已達到1KHz/g的靈敏度和2μg的噪聲水平，能夠滿足對加速度傳感器的高性能要求。1996年Christian?Burrer報道的電熱激勵/壓阻檢測諧振式加速度傳感器由質量塊、支撐懸臂梁和諧振梁組成。敏感質量塊懸掛在與其中心軸線平行且對稱的兩根支撐梁的一端，支撐梁另一端固定在襯底上。諧振梁一端與敏感質量塊相連，另一端固定在襯底上。當有垂直襯底表面的加速度作用于敏感質量塊上時，質量塊將在垂直方向移動，導致諧振梁產生拉伸或壓縮應變，改變諧振梁的固有頻率，靈敏度為250Hz/g。

同年D.W.Burns結合體微機械和表面微機械工藝制作了一種靜電激勵/壓阻檢測的多晶硅微梁諧振式加速度傳感器，傳感器包括質量塊、上下密封蓋、支撐彈性梁、兩個同軸的諧振梁和檢測諧振梁應變的壓敏電阻組成。質量塊和彈性梁為對稱結構以降低交叉軸的干擾，上、下密封蓋板為質量塊提供擠壓模阻尼和過載保護。密封外殼上施加直流偏壓。諧振梁的驅動電極上施加小幅交流電壓，產生的靜電力驅動諧振梁振動。諧振梁固支端的壓敏電阻測量梁振動引起的應變，放大后反饋到驅動電極，使諧振梁振動在諧振頻率。兩個諧振梁工作在差動模式，加速度使一個諧振梁的諧振頻率增加，另外一個減小，以提高靈敏度并對共模信號(如溫度交叉靈敏度)進行抑制。傳感器的量程可以通過支撐梁的尺寸調節。對20g的量程，諧振梁的長度、寬度和厚度分別為200μm，40μm和2μm，諧振頻率為500KHz，Z軸加速度檢測靈敏度高達1750Hz/g。

2000年韓國Seoul國立大學Byeung-leu1?Lee等采用表面微機械工藝研制了一種慣性導航級的差動諧振式單軸加速度傳感器(DRXL)，其敏感元件是靜電激勵的扭轉梁諧振器。垂直方向的加速度測量利用靜電剛度調節效應，通過加速度產生的慣性力改變彈性梁承受的靜電力，實現對剛度系數的改變，從而引起諧振頻率的變化，并采用兩個形狀互補的質量塊實現差動測量。面內加速度傳感器采用末端帶有質量塊的雙端音叉，利用慣性力改變音叉的軸向力，從而改變諧振頻率。面內加速度的諧振頻率為23.4KHz，靈敏度最高達到128Hz/g，帶寬為110Hz，精度為5.2μg；垂直方向的諧振頻率為12KHz，靈敏度最高達到70Hz/g，帶寬為100Hz，精度為2.5μg。