專利名稱：一種量程可達200萬m/s的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型提出一種量程可達200萬m/s2的特高量程微機械壓阻式加速度傳感器。它具有高固有頻率(＞200KHZ)、橫向效應(yīng)極小(＜0.0001)和工藝簡單的特點，屬于微電子機械系統(tǒng)領(lǐng)域。
高量程加速度傳感器的量程由硅的彎曲強度決定的。當滿量程輸入時，梁上的最大應(yīng)力應(yīng)該小于硅的斷裂強度。這樣，就能保證加速度傳感器滿量程工作時，芯片不會由于斷裂而失效。
本實用新型提供的量程可達200萬m/s2以上的微機械壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)特征在于1.采用雙端固支的雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，由于采用雙質(zhì)量塊，結(jié)構(gòu)對稱，橫向效應(yīng)遠小于懸臂梁和雙端固支的單質(zhì)量塊的雙端固支結(jié)構(gòu)。最主要的是敏感薄板的寬度與質(zhì)量塊的寬度相同，這樣敏感薄板具有較大的剛度系數(shù)，因而該傳感器具有高的固有頻率。
2. 3個敏感薄板的長度相等，保證了DRIE工藝中薄板的厚度一致性好。敏感薄板的長度可以小到20微米左右，這時中間敏感薄板的應(yīng)力集中效果最好，同時敏感薄板的剛度系數(shù)增大，保證了該結(jié)構(gòu)具有高固有頻率的同時靈敏度也較高。
3.單晶硅薄層起著彈性梁作用，其厚度與傳感器的量程有關(guān)，敏感部分的芯片A中的錨區(qū)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(jié)構(gòu)的過程，因此工藝簡單、重復(fù)性好、成品率高。
4.與常規(guī)壓阻式加速度傳感器的敏感電阻由多條矩形直線條狀薄層電阻串聯(lián)不同的是，本實用新型提出的壓敏電阻設(shè)計成單一直線條狀，寬10微米，其中外側(cè)的兩條安置于敏感薄板梁與錨區(qū)交界處，另外兩條設(shè)置在中央薄板的中間，每條壓敏電阻的長度接近薄板寬度的一半。
5.本實用新型可達200萬m/s2以上的微機械壓阻式加速度傳感器是由厚度比芯片A稍厚8-10微米的矩形框，芯片A封裝在框架之中，并用上、下玻璃蓋板與其鍵合在一起，該封裝工藝簡單，操作方便。
6.上、下蓋板與敏感芯片之間有適當?shù)木嚯x，這樣起到阻尼作用，使阻尼系數(shù)達到0.7，這樣保證了該器件具有較寬的頻帶。
本實用新型提供的量程可達200萬m/s2以上的微機械壓阻式加速度傳感器是采用硅微機械加工工藝制備的，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.光刻，腐蝕出質(zhì)量塊運動的范圍3.二次氧化4.一次光刻，刻電阻圖形5.擴淡硼，再分布6.二次光刻，刻濃硼窗口7.擴濃硼，再分布8.光刻引線孔9.光刻薄板島區(qū)域10.蒸鋁11.反刻鋁12.蒸Cr13.刻蝕出敏感薄板，用DRIE干法刻蝕約200微米14.去掉Cr對于本實用新型量程可達200萬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(jié)構(gòu)如圖2所示?？蚣艿闹谱鞴に嚾缦?.氧化2.雙面光刻3.KOH腐蝕穿通將傳感器芯片A放入框架中，與玻璃(Pyrex #7740)上、下蓋板進行鍵合。
這樣就完成了本實用新型量程可達200萬m/s2以上的微機械壓阻式加速度傳感器的制作。
圖2是本實用新型微機械壓阻式加速度傳感器芯片級封裝截面圖。
圖中1—錨區(qū)2—敏感薄板 3—質(zhì)量塊 4—壓敏電阻條5—框架6—玻璃上蓋板7—玻璃下蓋板敏感芯片A由錨區(qū)1、敏感薄板2、質(zhì)量塊3和壓敏電阻條4構(gòu)成。
實施例1制作本實用新型特高量程加速度傳感器芯片A采用微機械加工工藝。首先在硅襯底材料硅片上背面腐蝕2微米，腐蝕出質(zhì)量塊的活動區(qū)域。在硅片正面氧化，擴散形成敏感電阻條4，敏感電阻條寬度10微米，長度600微米，然后進行干法刻蝕270微米形成敏感板。敏感板的長度為50微米，寬度1000微米。傳感器芯片A、框架5與上蓋板6、下蓋板7分別采用硅-玻璃鍵合(

圖1)。固有頻率為81kHz，50000g加速度時芯片上最大應(yīng)力為180Mpa，遠低于硅的斷裂強度。
實施例2敏感芯片A，單晶硅薄板層厚度50微米，其余同實例1，構(gòu)成的量程為10萬g，固有頻率為151kHz.滿量程時最大應(yīng)力為135Mpa。
實施例3敏感芯片A，單晶硅薄板層厚度80微米，其余同實例1，構(gòu)成的量程為20萬g，固有頻率為218kHz.滿量程時最大應(yīng)力為196Mpa。
權(quán)利要求1.一種量程可達200萬m/s2的微機械加速度傳感器，其特征在于(1)它由錨區(qū)、敏感薄板、質(zhì)量塊、壓敏電阻、框架及上、下玻璃蓋板構(gòu)成；(2)由錨區(qū)、敏感薄板、質(zhì)量塊、壓敏電阻構(gòu)成的敏感芯片(A)封裝在框架中，并且上、下玻璃蓋板鍵合在一起；(3)敏感芯片(A)采用結(jié)構(gòu)對稱的雙端固支的雙質(zhì)量塊；3個敏感薄板的長度相等，其寬度與質(zhì)量塊的寬度相同；壓敏電阻設(shè)計成單一直線條狀，其中外側(cè)的兩條安置于敏感薄板梁與錨區(qū)交界處，另外兩條設(shè)置在中央薄板的中間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量程可達200萬m/s2的微機械加速度傳感器，其特征在于所述的敏感芯片(A)中的錨區(qū)不形成封閉式框架；敏感芯片占滿一個單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量程可達200萬m/s2的微機械加速度傳感器，其特征在于所述的敏感薄板的長度可以小到20微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量程可達200萬m/s2的微機械加速度傳感器，其特征在于所述的單一直線條狀的壓敏電阻寬10微米，每個電阻的長度接近薄板寬度的一半。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量程可達200萬m/s2的微機械加速度傳感器，其特征在于所述的矩形框厚度比敏感芯片厚8-10微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量程可達200萬m/s2的微機械加速度傳感器，其特征在于所述的上、下蓋板與敏感芯片之間有適當?shù)木嚯x，使阻尼系數(shù)達到0.7。
專利摘要本實用新型涉及一種量程可達200萬m/s
文檔編號G01P15/12GK2570793SQ0226674
公開日2003年9月3日 申請日期2002年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月30日
發(fā)明者王鉆開, 陸德仁, 黃全平 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所