專利名稱：一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種采用壓阻原理制作的加速度傳感器，特別是涉及一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS )領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1979年，Roylance和Angell采用KOH腐蝕體硅工藝，單懸臂梁加質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，成功研制出MEMS壓阻式加速度計(jì)。MEMS壓阻式加速度傳感器是利用敏感材料的壓阻效應(yīng)，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。MEMS壓阻式加速度傳感器的傳感方式大多采用硅梁一質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，在梁上設(shè)置電阻，在加速度作用下，質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，從而使硅梁產(chǎn)生與加速度成比例的形變，導(dǎo)致梁上應(yīng)變電阻的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)應(yīng)變電阻作為測量電橋的橋臂時(shí)，通過電橋輸出電壓的變化，實(shí)現(xiàn)對加速度的測量。MEMS壓阻式加速度傳感器的常用結(jié)構(gòu)形式有單主梁、雙主梁和四梁等結(jié)構(gòu)。常用的敏感材料是硅，在硅上制作電阻。常見的MEMS加速度傳感器分為電容式、壓阻式、諧振式和壓電式等。大多數(shù)采用彈性梁加質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)具有固有頻率和靈敏度相制約的矛盾，導(dǎo)致難以有效提高固有頻率。電容式加速度傳感器的缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的信號(hào)處理電路，并和傳感器制備在同一芯片上，生產(chǎn)工藝要求很高。壓阻式加速度傳感器具有體積小、測量加速度的范圍寬、 直接輸出電壓信號(hào)、不需要復(fù)雜的電路接口、大批量生產(chǎn)時(shí)價(jià)格低廉等優(yōu)勢。但壓阻式加速度傳感器具有溫度的漂移較大的缺點(diǎn)。授權(quán)公告號(hào)CN101118250A，名稱為“一種硅MEMS壓阻式加速度傳感器”的中國發(fā)明專利，其特征是傳感器受到敏感方向(即與敏感梁軸線平行的方向)的加速度作用時(shí)質(zhì)量塊繞主梁軸線方向產(chǎn)生相對于硅基框架的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在敏感梁上形成與加速度值相對應(yīng)應(yīng)力，其固有諧振頻率由質(zhì)量塊、扭轉(zhuǎn)梁和敏感梁決定，但在普通壓阻式傳感器中存在的靈敏度與固有諧振相互制約的矛盾尚未解決，而且由于敏感梁上最大應(yīng)變區(qū)域較小，因此這種結(jié)構(gòu)仍未解決應(yīng)變電阻的制作難點(diǎn)。授權(quán)公告號(hào)CN1279362C，名稱為“一種硅微加速度傳感器及制作方法”的中國發(fā)明專利，其基本構(gòu)思是設(shè)計(jì)和制作一種由直拉直壓微梁、質(zhì)量塊和懸臂梁構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微梁的直拉直壓，并且將壓阻敏感電阻區(qū)做到微梁上，使加速度帶來的質(zhì)量塊動(dòng)能多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘豪瓑旱膭菽埽瑥亩岣吡遂`敏度。但由于其質(zhì)量塊受加速度作用時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，因此， 要實(shí)現(xiàn)微梁的直拉直壓必須對其位置精確控制，對工藝精度要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的:
本發(fā)明的目的是針對上述問題，提出一種靈敏度高、溫漂系數(shù)小、固有諧振頻率高和接口電路要求低的MEMS加速度傳感器。2、技術(shù)方案
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，其特征在于主要由硅基框架、質(zhì)量塊、主梁和微梁構(gòu)成，質(zhì)量塊設(shè)置在硅基框架中間，硅基框架通過主梁和微梁與質(zhì)量塊相連接；在所述質(zhì)量塊的兩側(cè)設(shè)置有互相對稱的微梁，微梁上設(shè)有應(yīng)變電阻；在質(zhì)量塊的無微梁兩側(cè)四個(gè)角部、或四個(gè)角部和中部設(shè)置有對稱的主梁，主梁一端連接質(zhì)量塊，另一端連接硅基框架。主梁橫截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微梁(一般在1000倍以上)，質(zhì)量塊和主梁尺寸的變化會(huì)導(dǎo)致傳感器固有諧振頻率顯著變化，因此，通過調(diào)整主梁的尺寸可控制諧振頻率，通過調(diào)整微梁長度可控制傳感器的靈敏度；受加速度作用時(shí)微梁只有水平運(yùn)動(dòng)而無扭動(dòng)，且應(yīng)變均勻分布。所述主梁設(shè)置為兩對或多對。所述微梁設(shè)置為一對或者多對。所述應(yīng)變電阻為多晶硅納米薄膜應(yīng)變電阻，采用重?fù)诫s多晶硅納米薄膜，摻雜濃度為 2 4 X102° cnT3。所述多晶硅納米薄膜厚度接近或小于lOOnm，厚度為80 IOOnm的多晶硅納米薄膜在摻雜濃度為3Xl(f° cm-3附近時(shí)具有顯著的隧道壓阻效應(yīng)，表現(xiàn)出比常規(guī)多晶硅納米薄膜更優(yōu)越的壓阻特性，厚度為85nm 95nm的多晶硅納米薄膜壓阻特性最佳。3、優(yōu)點(diǎn)及效果
本發(fā)明提供的一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，與現(xiàn)有的壓阻式加速度傳感器相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)采用多晶硅納米薄膜作為應(yīng)變電阻可以提高壓阻式加速度傳感器的靈敏度和溫度穩(wěn)定性。(2)采用主梁和微梁結(jié)構(gòu)可以提高傳感器靈敏度和固有諧振頻率。(3)質(zhì)量塊的四個(gè)角部、或四個(gè)角部和中部設(shè)置有對稱的主梁，限制了主梁和質(zhì)量塊的扭動(dòng)，受加速度作用時(shí)微梁只有水平運(yùn)動(dòng)而無扭動(dòng)，且微梁應(yīng)變均勻分布。(4)微梁對稱分布在質(zhì)量塊無主梁兩側(cè)可實(shí)現(xiàn)直拉直壓目的，對位置精度要求不高，工藝實(shí)現(xiàn)容易。


圖1是超薄敏感梁壓阻加速度傳感器的一種結(jié)構(gòu)的三維立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是超薄敏感梁壓阻加速度傳感器的另一種結(jié)構(gòu)的三維立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是超薄敏感梁壓阻加速度傳感器的再一種結(jié)構(gòu)的三維立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是超薄敏感梁壓阻加速度傳感器的又一種結(jié)構(gòu)的三維立體結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明
1、硅基框架，2、質(zhì)量塊，3、主梁，4、微梁，5、應(yīng)變電阻。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明
一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，如圖1、2和3中所示主要由硅基框架1、質(zhì)量塊 2、主梁3和微梁4 (又稱超薄敏感微梁)構(gòu)成，質(zhì)量塊2設(shè)置在硅基框架1中間，硅基框架1 通過主梁3和微梁4與質(zhì)量塊2相連接，微梁4上設(shè)有應(yīng)變電阻5。本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)可以采用一個(gè)質(zhì)量塊2，兩對或多對主梁3和一對或多對微梁4的對稱結(jié)構(gòu)，主梁3和微梁4的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置；質(zhì)量塊2位于硅基框架1中間，質(zhì)量塊2和硅基框架1之間通過主梁3和微梁4連接在一體，在質(zhì)量塊2的兩側(cè)設(shè)置互相對稱的微梁4，微梁4為一對或多對，微梁4上設(shè)有應(yīng)變電阻5，用于檢測受加速度作用時(shí)微梁4上的應(yīng)力大?。辉谫|(zhì)量塊2的無微梁兩側(cè)四個(gè)角部、或四個(gè)角部和中部共設(shè)置有兩對或多對對稱的主梁3，主梁3 —端連接質(zhì)量塊2，一端連接硅基框架1。
傳感器受到敏感方向(即與微梁軸線平行的方向)的加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊2沿敏感方向移動(dòng)，從而在微梁4上形成與加速度值相對應(yīng)的應(yīng)力，此時(shí)，微梁4只有水平運(yùn)動(dòng)而無扭動(dòng)，且應(yīng)變均勻分布。微梁4上設(shè)有多晶硅納米薄膜制作的應(yīng)變電阻5，用于檢測應(yīng)力的大小，應(yīng)變電阻 5可以采用重?fù)诫s多晶硅納米薄膜，也可以采用厚度滿足微梁尺寸要求的其它壓阻薄膜，多晶硅納米薄膜的厚度為SOnm lOOnm，摻雜濃度為2 4X 102° cm—3時(shí)，壓阻特性較佳，多晶硅納米薄膜的厚度為85nm 95nm，摻雜濃度為3X 102° cm—3時(shí)，壓阻特性最佳；這樣可以提高傳感器的靈敏度和溫度穩(wěn)定性；微梁4上的應(yīng)變電阻5的數(shù)量最好四個(gè)為一組，從而構(gòu)成能夠精確測量的電橋。通過改變本發(fā)明傳感器質(zhì)量塊2和主梁3的設(shè)計(jì)尺寸，可設(shè)計(jì)出各種量程的加速度傳感器。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明這種傳感器的結(jié)構(gòu)主要由硅基框架1、一個(gè)質(zhì)量塊2、 四個(gè)主梁3和兩個(gè)微梁4組成，四個(gè)主梁3和兩個(gè)微梁4連著質(zhì)量塊2和硅基框架1，微梁 4主要由氮化硅一多晶硅納米薄膜一氮化硅三層構(gòu)成。在每個(gè)微梁4上，利用夾層中的多晶硅納米薄膜形成兩個(gè)沿Y軸方向的應(yīng)變電阻5，并將兩個(gè)微梁4上的四個(gè)應(yīng)變電阻連成電橋。當(dāng)器件受到Y(jié)軸方向(即與微梁軸線平行的方向)加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊2移動(dòng)，兩根微梁4會(huì)一根拉伸，一根壓縮，電橋的輸出與加速度的大小成正比，由于主梁3橫截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微梁4 (一般在1000倍以上)，質(zhì)量塊2和主梁3的尺寸變化會(huì)導(dǎo)致傳感器固有諧振頻率顯著變化，這樣就可通過調(diào)整主梁3的尺寸控制諧振頻率，再通過調(diào)整微梁4的長度來控制滿量程時(shí)微梁4應(yīng)變的大??；四個(gè)主梁3對稱設(shè)置在無微梁質(zhì)量塊2兩側(cè)的四個(gè)角部，當(dāng)受Y方向加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊2不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，微梁4只是產(chǎn)生Y方向應(yīng)變，主梁3在Y方向的尺寸很小，Z和X方向的尺寸卻比較大，因此，Y方向的有效彈性系數(shù)較小，而X方向和 Z方向的有效彈性系數(shù)卻很大，這樣傳感器只對Y方向的加速度信號(hào)敏感，當(dāng)質(zhì)量塊2受到 X方向或Z方向的加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊2產(chǎn)生的位移很小，因此微梁4變形也會(huì)很小，有利于降低傳感器的交叉耦合。通過以上設(shè)計(jì)，可以達(dá)到最大限度地同步提高諧振頻率和靈敏度的目的。本發(fā)明采用的多晶硅納米薄膜是膜厚接近或小于IOOnm的多晶硅納米薄膜(普通多晶硅薄膜一般厚度在200nm以上)。厚度為80 IOOnm的多晶硅納米薄膜在摻雜濃度為 3X IO20 cm-3附近時(shí)具有顯著的隧道壓阻效應(yīng)，表現(xiàn)出比常規(guī)多晶硅納米薄膜更優(yōu)越的壓阻特性，應(yīng)變因子(GF)比普通多晶硅納米薄膜高20%以上；應(yīng)變因子溫度系數(shù)(TCGF)比普通薄膜小一倍以上；電阻溫度系數(shù)(TCR)比普通薄膜小一個(gè)數(shù)量級。因此，采用多晶硅納米薄膜制作的應(yīng)變電阻5具有靈敏度高和溫度系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)。制作本發(fā)明這種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器時(shí)，采用硅材料為襯底，利用現(xiàn)有 MEMS技術(shù)進(jìn)行加工，首先采用LPCVD淀積氮化硅層和多晶硅納米薄膜，然后采用離子注入技術(shù)制作多晶硅納米薄膜應(yīng)變電阻5，采用濺射和光刻技術(shù)制作導(dǎo)線連接成差動(dòng)全橋，之后淀積氮化硅形成鈍化層；采用濕法刻蝕或干法刻蝕技術(shù)制作質(zhì)量塊2、主梁3和釋放微梁4， 干法腐蝕可大大降低正面圖形保護(hù)中的技術(shù)難度，各向異性腐蝕可以很安全地釋放氮化硅保護(hù)下的微梁4。實(shí)施例1
一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，如圖1所示，主要由硅基框架1、質(zhì)量塊2、主梁3 和微梁4構(gòu)成，質(zhì)量塊2設(shè)置在硅基框架1中間，硅基框架1通過主梁3和微梁4與質(zhì)量塊 2相連接，在質(zhì)量塊2的兩側(cè)設(shè)置有互相對稱的一對微梁4，每個(gè)微梁4上設(shè)有兩個(gè)多晶硅納米薄膜應(yīng)變電阻5，多晶硅納米薄膜的厚度為80nm，摻雜濃度為3X 102° cm_3 ；在質(zhì)量塊2 的無微梁兩側(cè)四個(gè)角部設(shè)置有對稱的四個(gè)主梁3，主梁3 —端連接質(zhì)量塊2，另一端連接硅基框架1。實(shí)施例2
一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，如圖2所示，主要由硅基框架1、質(zhì)量塊2、主梁3 和微梁4構(gòu)成，質(zhì)量塊2設(shè)置在硅基框架1中間，硅基框架1通過主梁3和微梁4與質(zhì)量塊 2相連接，在質(zhì)量塊2的兩側(cè)設(shè)置有互相對稱的兩對微梁4，每個(gè)微梁4上設(shè)有一個(gè)多晶硅納米薄膜應(yīng)變電阻5，多晶硅納米薄膜的厚度為lOOnm，摻雜濃度為2X1(T cm_3 ；在質(zhì)量塊2 的無微梁兩側(cè)四個(gè)角部設(shè)置有對稱的四個(gè)主梁3，主梁3 —端連接質(zhì)量塊2，另一端連接硅基框架1。實(shí)施例3
一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，如圖3所示，主要由硅基框架1、質(zhì)量塊2、主梁3 和微梁4構(gòu)成，質(zhì)量塊2設(shè)置在硅基框架1中間，硅基框架1通過主梁3和微梁4與質(zhì)量塊 2相連接，在質(zhì)量塊2的兩側(cè)設(shè)置有互相對稱的兩對微梁4，每個(gè)微梁4上設(shè)有兩個(gè)多晶硅納米薄膜應(yīng)變電阻5，多晶硅納米薄膜的厚度為90nm，摻雜濃度為3X 102° cm_3 ；在質(zhì)量塊2 的無微梁兩側(cè)四個(gè)角部設(shè)置有對稱的四個(gè)主梁3，主梁3 —端連接質(zhì)量塊2，另一端連接硅基框架1。實(shí)施例4:
一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，如圖4所示，主要由硅基框架1、質(zhì)量塊2、主梁3 和微梁4構(gòu)成，質(zhì)量塊2設(shè)置在硅基框架1中間，硅基框架1通過主梁3和微梁4與質(zhì)量塊 2相連接，在質(zhì)量塊2的兩側(cè)設(shè)置有互相對稱的三對微梁4，每個(gè)微梁4上設(shè)有一個(gè)多晶硅納米薄膜應(yīng)變電阻5，多晶硅納米薄膜的厚度為95nm，摻雜濃度為4X 102° cm_3 ；在質(zhì)量塊2 的無微梁兩側(cè)四個(gè)角部和中部設(shè)置有對稱的六個(gè)主梁3，主梁3 —端連接質(zhì)量塊2，另一端連接硅基框架1。本發(fā)明這種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，具有量程寬、靈敏度高、溫漂系數(shù)小、 固有諧振頻率高和外圍電路簡單的特點(diǎn)，可廣泛用于加速度的測量與控制，如運(yùn)動(dòng)控制、汽車安全氣囊、地理物理監(jiān)測等領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，其特征在于主要由硅基框架(1)、質(zhì)量塊(2)、 主梁(3 )和微梁(4 )構(gòu)成，質(zhì)量塊(2 )設(shè)置在硅基框架(1)中間，硅基框架(1)通過主梁(3 ) 和微梁(4)與質(zhì)量塊(2)相連接；在所述質(zhì)量塊(2)的兩側(cè)設(shè)置有互相對稱的微梁(4)，微梁(4)上設(shè)有應(yīng)變電阻(5)；在質(zhì)量塊(2)的無微梁兩側(cè)四個(gè)角部、或四個(gè)角部和中部設(shè)置有對稱的主梁(3 )，主梁(3 ) —端連接質(zhì)量塊(2 )，另一端連接硅基框架(1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，其特征在于所述主梁(3)設(shè)置為兩對或多對。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，其特征在于所述微梁(4)設(shè)置為一對或者多對。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，其特征在于所述應(yīng)變電阻(5)為多晶硅納米薄膜應(yīng)變電阻，采用重?fù)诫s多晶硅納米薄膜，摻雜濃度為2 4X102°-3cm ο
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超薄敏感梁壓阻加速度傳感器，其特征在于主要由硅基框架、質(zhì)量塊、主梁和微梁構(gòu)成，質(zhì)量塊設(shè)置在硅基框架中間，硅基框架通過主梁和微梁與質(zhì)量塊相連接，在質(zhì)量塊的兩側(cè)設(shè)置有互相對稱的微梁，微梁上設(shè)有應(yīng)變電阻，在質(zhì)量塊的無微梁兩側(cè)四個(gè)角部、或四個(gè)角部和中部設(shè)置有對稱的主梁，主梁一端連接質(zhì)量塊，另一端連接硅基框架；采用對稱結(jié)構(gòu)可以提高壓阻式加速度傳感器的靈敏度和溫度穩(wěn)定性，使受加速度作用時(shí)微梁只有水平運(yùn)動(dòng)而無扭動(dòng)，且應(yīng)變分布均勻，對位置精度要求不高，易于實(shí)現(xiàn)，并可廣泛應(yīng)用于加速度測量與控制領(lǐng)域中。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102331513SQ201110161489
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者劉本偉, 孫顯龍, 孫洪林, 揣榮巖, 王健 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)