[發明專利]一種多梁式雙質量塊加速度傳感器芯片及其制備方法

有效

• 申請號: 201410012680.9
• 申請日: 2014-01-10
• 公開（公告）號: CN103777037B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 趙立波;許煜;蔣莊德;王苑;趙玉龍;苑國英
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01P15/12
• 分類號: G01P15/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明屬于微型機械電子系統加速度計量領域，具體涉及一種多梁式雙質量塊加速度傳感器芯片及其制備方法，適用于量程為100g以內的動態測量。

背景技術

隨著MEMS技術的發展，基于不同原理的加速度傳感器都得到了廣泛應用。不同敏感原理的加速度傳感器有著不同的優缺點。比如壓電式加速度傳感器雖然已經得到成熟應用，但受到其敏感原理的限制，壓電式傳感器不能測量靜態的加速度，且輸出的電荷信號需要后續輔助電路；電容式加速度傳感器具有靈敏度高、溫漂小、功耗低等優點，但輸入阻抗大，易受寄生電容的影響，對于周圍環境的電磁干擾較為敏感；壓阻式加速度傳感器易受溫度影響，但其測量范圍廣、可測量靜態和動態信號，頻響高、動態響應好，后處理電路簡單。

壓阻式加速度傳感器目前常用的結構有單懸臂梁、雙懸臂梁、雙端固支梁、四梁、雙橋梁等結構，這些結構均采用梁-島結構，質量塊上下自由擺動，其中單懸臂梁和雙懸臂梁結構靈敏度高，但固有頻率低，頻率響應范圍窄；雙端固支梁、四梁和雙橋梁等固支梁結構固有頻率高，但靈敏度低。

隨著科技的發展，目前的壓阻式加速度傳感器已難以滿足不同領域對高靈敏度和高固有頻率的要求，例如汽車制造、機床加工、電子元器件振動控制等，然而對于傳統壓阻式加速度傳感器，其固有頻率和靈敏度是相互制約，這一制約關系對動態加速度測量帶來一系列的困難，使得測量失真，因此研究能夠緩解這一矛盾關系的加速度傳感器結構，對汽車制造、機床加工等領域具有重要的意義。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種多梁式雙質量塊加速度傳感器芯片及其制備方法，該傳感器芯片在能夠同時保證高靈敏度和高固有頻率的基礎上，提高了壓阻式加速度傳感器在加速度測量中的動態性能，該結構制作方法簡單，可靠性高，易于批量化生產。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種多梁式雙質量塊加速度傳感器芯片，該傳感器芯片采用SOI硅片制成，包括芯片外框固支端、支撐梁，以及質量塊，其中，所述芯片外框固支端沿加速度的方向尺寸大于質量塊的相應尺寸，兩個質量塊之間以支撐梁相連；所述質量塊在兩端的位置與芯片外框固支端之間留有間隙，在該間隙內設置有敏感壓阻梁，質量塊與芯片在中間位置以支撐梁相連，質量塊與芯片在兩端的位置以敏感壓阻梁相連；所述敏感壓阻梁上的壓敏電阻通過金屬引線構成半開環的惠斯通全橋電路，壓敏電阻同時通過金屬引線和焊盤連接。

作為本發明的優選實施例，所述敏感壓阻梁對稱分布在支撐梁兩側。

作為本發明的優選實施例，所述敏感壓阻梁上的壓敏電阻均沿著[011]或晶向布置。

作為本發明的優選實施例，所述支撐梁和質量塊自上而下依次為金屬引線、P型重摻雜硅、上層單晶硅、二氧化硅埋層和下層單晶硅。

一種上述所述傳感器芯片的制備方法，包括以下步驟：（1）使用體積濃度為49%的HF酸溶液清洗SOI硅片，SOI硅片為N型（100）晶面；（2）對SOI硅片進行氧化，以在硅片正面形成二氧化硅層，然后用P-壓敏電阻板，正面光刻壓敏電阻圖形，去除壓敏電阻區域的二氧化硅層，裸露出上層單晶硅，獲得壓敏電阻的壓敏電阻區域；（3）去除正面剩余二氧化硅層后，利用P+歐姆接觸板，正面光刻形成硼離子重摻雜區，獲得低阻的P型重摻雜硅作為歐姆接觸區；（4）在歐姆接觸區，利用金屬引線板，正面光刻出金屬引線的形狀，濺射形成傳感器芯片的金屬引線和焊盤；（5）利用背腔板，對SOI硅片背面進行光刻，將壓敏電阻正下方的二氧化硅埋層以及下層單晶硅去除，形成支撐梁和質量塊下半部分；（6）對SOI硅片正面進行光刻，利用正面穿透板，在硅片正面進行刻蝕，釋放形成完整的支撐梁、質量塊以及四根敏感壓阻梁；（7）將芯片封裝在刻蝕有間隙的玻璃襯底上。

作為本發明的優選實施例，所述步驟（2）的氧化溫度為900～1200℃。

作為本發明的優選實施例，所述步驟（2）的壓敏電阻的壓敏電阻區域的硼離子注入劑量為3×10¹⁴cm^-2。

作為本發明的優選實施例，所述步驟（3）中P型重摻雜硅的硼離子注入劑量為1.5×10¹⁶cm^-2。

作為本發明的優選實施例，所述步驟（5）中，采用深反應離子刻蝕形成傳感器的支撐梁和質量塊，以保證支撐梁和質量塊的邊沿垂直度和良好的深寬比。