專利名稱：具有抗橫向干擾的硅納米帶巨壓阻效應(yīng)微加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種具有抗橫向干擾的硅納米帶巨壓阻效應(yīng)微加速度計(jì)，屬微慣性導(dǎo)航關(guān)鍵器件研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機(jī)械加速度計(jì)是ー種體積小、功耗低、可批量化生產(chǎn)的加速度計(jì)，其廣泛應(yīng)用于的軍用、民用領(lǐng)域內(nèi)加速度、振動(dòng)、過(guò)載信號(hào)的測(cè)試，另外，它也是空間運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)測(cè)量和控制的關(guān)鍵器件之一，一直受到航空航天領(lǐng)域的高度重視。傳統(tǒng)摻雜エ藝的硅壓敏電阻的電阻應(yīng)變系數(shù)較小，隨著傳感器尺寸的變小，傳統(tǒng)摻雜エ藝的壓敏電阻已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高靈敏度測(cè)試的要求。硅納米帶電阻是ー種新型的硅壓阻式電阻，其所表征的巨壓阻效應(yīng)的電阻應(yīng)變系數(shù)高達(dá)5000，比傳統(tǒng)體加工的硅壓阻的電阻應(yīng)變系數(shù)(100左右)高約2個(gè)數(shù)量級(jí)。將這種新型的硅納米帶電阻應(yīng)用于加速度計(jì)的研究是對(duì)傳統(tǒng)壓敏電阻式加速度計(jì)的繼承與突破。摻雜式壓敏電阻一般都會(huì)制作在懸臂梁的根部來(lái)敏感檢測(cè)方向上的應(yīng)變。由于壓阻式加速度計(jì)在使用中會(huì)遇到如安裝誤差、外界振動(dòng)等問(wèn)題，這些問(wèn)題將會(huì)在加速度計(jì)除敏感方向以外的其他方向產(chǎn)生額外的干擾，制作在懸臂梁根部的壓敏電阻也會(huì)敏感干擾方向的慣性力，這樣勢(shì)必會(huì)對(duì)加速度輸出方向上的檢測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生不同程度的誤差；另外，摻雜式壓敏電阻的摻雜厚度遠(yuǎn)大于50納米，即壓敏電阻會(huì)在其長(zhǎng)度方向和寬度方向具有一定數(shù)值的電阻應(yīng)變系數(shù)，若有橫線干擾慣性カ的存在，壓敏電阻一定會(huì)產(chǎn)生干擾的檢測(cè)信號(hào)。本發(fā)明設(shè)計(jì)了橫向緩沖梁，形成消耗能量機(jī)制，可最大程度的消除或減弱橫向慣性カ對(duì)加速度計(jì)檢測(cè)方向上輸出的干擾；另外，采用硅納米帶電阻不但提高了加速度計(jì)的檢測(cè)精度和靈敏度，而且約10納米厚硅納米帶層會(huì)進(jìn)ー步減小加速度的橫向干擾。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
本發(fā)明的目的就是針對(duì)背景技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了ー種新型的高靈敏度的加速度計(jì)，以大幅度提高微機(jī)械加速度計(jì)的檢測(cè)精度和分辨率，同時(shí)減小甚至消除橫向加速度對(duì)檢測(cè)方向上的干擾，使檢測(cè)數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)、可靠。技術(shù)方案
本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)由鍵合基底、敏感質(zhì)量塊、固定外框、組合梁、硅納米線電阻、凹槽、阻尼孔組成，組合梁由檢測(cè)梁、連接塊、橫向緩沖梁組成，硅納米線電阻由硅納米帶電阻層、硅納米帶電阻正極、硅納米帶電阻負(fù)極組成；在鍵合基板I的四周區(qū)域鍵合有固定基座3，固定基座3內(nèi)側(cè)四邊的中心位置處連接有組合梁4、5、6、7的一端，組合梁4、5、6、7的另一端分別連接于敏感質(zhì)量塊2的四角部位，敏感質(zhì)量塊I上均布有阻尼孔17，組合梁4、5、6、7的根部區(qū)域分別制作有硅納米帶電阻8、9、10、11。所述的鍵合基底I上制作有方形凹槽12，敏感質(zhì)量塊2可在凹槽12內(nèi)上下、左右、前后運(yùn)動(dòng)。所述的組合梁4、5、6、7，結(jié)構(gòu)相同，檢測(cè)梁18連接于連接塊19的中心位置，連接塊19的兩端分別連接于橫向緩沖梁21、22，橫向緩沖梁21、22的另一端連接于橫向緩沖梁20、23。所述的敏感質(zhì)量塊2四邊的中心位置加工有組合梁運(yùn)動(dòng)空間13、14、15、16，組合梁4、5、6、7分別嵌于組合梁運(yùn)動(dòng)空間13、14、15、16內(nèi)，組合梁4、5、6、7可在組合梁運(yùn)動(dòng)空間13、14、15、16內(nèi)上下、左右 、前后運(yùn)動(dòng)。所述的硅納米帶電阻8、9、10、11，結(jié)構(gòu)相同，在硅襯底層24上制作有二氧化硅層25，二氧化硅層25上制作有折形的硅納米帶電阻層26，硅納米帶電阻層26的兩端分別連接有娃納米帶電阻正極27、娃納米帶電阻負(fù)極28。工作原理
該加速度計(jì)安裝在待測(cè)物體上，當(dāng)Z軸方向有加速度的輸入時(shí)，敏感質(zhì)量塊產(chǎn)生沿Z軸方向的慣性力使組合梁中的檢測(cè)梁發(fā)生形變，導(dǎo)致其根部應(yīng)力增大，制作在檢測(cè)梁根部的硅納米帶電阻產(chǎn)生的巨壓阻效應(yīng)使其阻值發(fā)生劇烈變化，對(duì)將這些電阻組成的惠斯通電橋電路輸出電壓的檢測(cè)就可以得到Z軸方向上加速度的大??；此時(shí)，若有沿X軸或Y軸或與X軸、Y軸有一定夾角的慣性力或無(wú)規(guī)律振動(dòng)存在，組合梁結(jié)構(gòu)中的雙向橫向緩沖梁會(huì)減少或吸收這些類型力的干擾，使檢測(cè)梁根部的硅納米帶電阻不會(huì)敏感橫向的干擾力，從而提高了加速度計(jì)在其檢測(cè)方向上的精度。有益效果
本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有明顯的先進(jìn)性，此檢測(cè)裝置采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以鍵合基底為載體，在鍵合基底上鍵合有固定外框，固定外框的四邊中心位置處連接有組合梁，組合梁連接于敏感質(zhì)量塊的四角部位，且內(nèi)嵌于組合梁運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)，組合梁由檢測(cè)梁、連接塊、橫向緩沖梁組成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，既能充分利用空間，適合器件微型化，又能抗擊橫向干擾，提高檢測(cè)精度，娃納米帶電阻由娃納米帶電阻層、娃納米帶電阻正極、娃納米帶電阻負(fù)極組成，硅納米帶電阻層所具有巨壓阻效應(yīng)比傳統(tǒng)的硅壓阻器件的壓阻靈敏度高約2個(gè)數(shù)量級(jí)，可大幅提高硅壓阻式傳感器的檢測(cè)靈敏度和分辨率，是一種十分理想的提高硅基壓阻式MEMS器件的方法。


圖I整體結(jié)構(gòu)立體圖 圖2整體結(jié)構(gòu)平面圖
圖3鍵合基底立體結(jié)構(gòu)圖 圖4敏感質(zhì)量塊立體結(jié)構(gòu)圖 圖5組合梁立體結(jié)構(gòu)圖 圖6硅納米帶電阻的結(jié)構(gòu)圖 圖中所示，附圖標(biāo)記清單如下
I、鍵合基底，2、敏感質(zhì)量塊，3、固定外框，4、組合梁，5、組合梁，6、組合梁，7、組合梁，8、娃納米帶電阻，9、娃納米帶電阻，10、娃納米帶電阻，11、娃納米帶電阻，12、凹槽，13、組合梁運(yùn)動(dòng)空間，14、組合梁運(yùn)動(dòng)空間，15、組合梁運(yùn)動(dòng)空間，16、組合梁運(yùn)動(dòng)空間，17、阻尼孔，18、檢測(cè)梁，19、連接塊，20、橫向緩沖梁，21、橫向緩沖梁，22、橫向緩沖梁，23、橫向緩沖梁，24、娃襯底層，25、ニ氧化娃層,26、娃納米帶電阻層,27、娃納米帶電阻正極,28、娃納米帶電阻負(fù)極。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步說(shuō)明
圖1、2所示為整體結(jié)構(gòu)的立體圖、平面圖，以鍵合基底I為載體，在鍵合基底I的四周邊框上牢固鍵合有固定外框2， 固定外框2內(nèi)側(cè)四邊的中心位置處連接于組合梁4、5、6、7的一端，組合梁4、5、6、7的另一端連接于敏感質(zhì)量塊2的四角部位，敏感質(zhì)量塊2上均布有阻尼孔17，在組合梁4、5、6、7的根部制作有硅納米帶電阻8、9、10、11。加速度計(jì)結(jié)構(gòu)采用SOI材料加工，敏感質(zhì)量塊2、固定外框3、組合梁4、5、6、7由SOI的下層硅材料制作，SOI材料的中間絕緣層用于硅納米帶電阻8、9、10、11與固定外框3、組合梁4、5、6、7根部區(qū)域的隔離，SOI材料的上層硅材料制作硅納米帶電阻8、9、10、11。圖3所示為鍵合基底的立體結(jié)構(gòu)圖，鍵合基底I的中心方形區(qū)域加工有凹槽12。鍵合基底I呈方形，由硅材料或玻璃材料制成，鍵合基底I的四周邊框?qū)挾扔诠潭ㄍ饪?的寬度相等，凹槽12的深度視敏感質(zhì)量塊2的運(yùn)動(dòng)距離決定，敏感質(zhì)量塊2可在由固定外框3的中心方形區(qū)域及凹槽12的組成的矩形空間內(nèi)上下、前后、左右運(yùn)動(dòng)。圖4所示為敏感質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)圖，敏感質(zhì)量塊2四邊中心區(qū)域加工有組合梁運(yùn)動(dòng)空間13、14、15、16，敏感質(zhì)量塊2上均布有阻尼孔17。組合梁運(yùn)動(dòng)空間13、14、15、16的形狀恰好于組合梁4、5、6、7的外側(cè)邊框形狀吻合，組合梁4、5、6、7可在組合梁運(yùn)動(dòng)空間13、14、15、16內(nèi)上下、前后、左右運(yùn)動(dòng)。阻尼孔17貫通于敏感質(zhì)量塊2，阻尼孔17可呈圓形，也可呈方形，阻尼孔17的數(shù)量的多少及尺寸的大小可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和阻尼系數(shù)確定。圖5所示為組合梁立體結(jié)構(gòu)圖，組合梁4、5、6、7結(jié)構(gòu)相同，檢測(cè)梁18連接于連接塊19 ー側(cè)的中心區(qū)域，連接塊19同側(cè)邊的兩端連接有橫向緩沖梁21、22，橫向緩沖梁21、22的另一端連接有橫向緩沖梁20、23。檢測(cè)梁18的厚度相對(duì)于連接塊19的厚度較薄，即檢測(cè)梁可靈敏的感受Z軸方向上的慣性力，橫向緩沖梁20、21、22、23的厚度于連接塊的厚度相等，寬度相對(duì)于檢測(cè)梁18的寬度較窄，即橫向緩沖梁20、21、22、23可在X軸、Y軸方向的敏感度將遠(yuǎn)大于其在Z軸方向的，即橫向緩沖梁20、21、22、23在Z軸方向不敏感。圖6所示為硅納米帶電阻的結(jié)構(gòu)圖，硅納米帶電阻8、9、10、11結(jié)構(gòu)相同，在硅襯底層24上設(shè)置有ニ氧化硅層25，在ニ氧化硅層25上設(shè)置有硅納米帶電阻層26，硅納米帶電阻層26的兩端分別連接有硅納米帶電阻正極27、硅納米帶電阻負(fù)極28。硅納米帶電阻8、9、10、11采用SOI材料制成，SOI的上層硅結(jié)構(gòu)層厚度約為10_50納米，上層硅結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)摻雜后形成具有巨壓阻效應(yīng)的硅納米帶電阻，硅納米帶電阻層26的寬度、長(zhǎng)度的大小和回折數(shù)的數(shù)量視加速度計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)及應(yīng)用環(huán)境決定。硅納米帶電阻正極27、硅納米帶電阻負(fù)極28為金材料，在硅納米帶電阻層26的兩端進(jìn)行良好處理與硅納米帶電阻正極27、硅納米帶電阻負(fù)極28形成良好歐姆接觸。
權(quán)利要求
1.具有抗橫向干擾的硅納米帶巨壓阻效應(yīng)微加速度計(jì)，其特征在于主要結(jié)構(gòu)由鍵合基底、敏感質(zhì)量塊、固定外框、組合梁、硅納米線電阻、凹槽、阻尼孔組成，組合梁由檢測(cè)梁、連接塊、橫向緩沖梁組成，娃納米線電阻由娃納米帶電阻層、娃納米帶電阻正極、娃納米帶電阻負(fù)極組成；在鍵合基板(I)的四周區(qū)域鍵合有固定基座(3)，固定基座(3)內(nèi)側(cè)四邊的中心位置處連接有組合梁(4、5、6、7)的一端，組合梁(4、5、6、7)的另一端分別連接于敏感質(zhì)量塊(2)的四角部位，敏感質(zhì)量塊(I)上均布有阻尼孔(17)，組合梁(4、5、6、7)的根部區(qū)域分別制作有硅納米帶電阻(8、9、10、11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述具有抗橫向干擾的硅納米帶巨壓阻效應(yīng)微加速度計(jì)，其特征在于所述的鍵合基底(I)上制作有方形凹槽(12)，敏感質(zhì)量塊(2)可在凹槽(12)內(nèi)上下、左右、前后運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述具有抗橫向干擾的硅納米帶巨壓阻效應(yīng)微加速度計(jì)，其特征在干所述的組合梁(4、5、6、7)，結(jié)構(gòu)相同，檢測(cè)梁(18)連接于連接塊(19)的中心位置，連接塊(19)的兩端分別連接于橫向緩沖梁(21、22)，橫向緩沖梁(21、22)的另一端連接于橫向緩沖梁(20、23)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述具有抗橫向干擾的硅納米帶巨壓阻效應(yīng)微加速度計(jì)，其特征在于所述的敏感質(zhì)量塊(2)四邊的中心位置加工有組合梁運(yùn)動(dòng)空間(13、14、15、16)，組合梁(4、5、6、7)分別嵌于組合梁運(yùn)動(dòng)空間(13、14、15、16)內(nèi)，組合梁(4、5、6、7)可在組合梁運(yùn)動(dòng)空間(13、14、15、16)內(nèi)上下、左右、前后運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述具有抗橫向干擾的硅納米帶巨壓阻效應(yīng)微加速度計(jì)，其特征在于所述的硅納米帶電阻(8、9、10、11)，結(jié)構(gòu)相同，在硅襯底層(24)上制作有ニ氧化硅層(25), ニ氧化硅層(25)上制作有折形的硅納米帶電阻層(26)，硅納米帶電阻層(26)的兩端分別連接有硅納米帶電阻正極(27)、硅納米帶電阻負(fù)極(28)。
全文摘要
一種具有抗橫向干擾的硅納米帶巨壓阻效應(yīng)微加速度計(jì)，主要結(jié)構(gòu)由鍵合基底、敏感質(zhì)量塊、固定外框、組合梁、硅納米線電阻、凹槽、阻尼孔組成，組合梁由檢測(cè)梁、連接塊、橫向緩沖梁組成，硅納米線電阻由硅納米帶電阻層、硅納米帶電阻正極、硅納米帶電阻負(fù)極組成；以鍵合基底為載體，在鍵合基底上鍵合有固定外框，固定外框的四邊中心位置處連接有組合梁，組合梁連接于敏感質(zhì)量塊的四角部位，且內(nèi)嵌于組合梁運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)，組合梁由檢測(cè)梁、連接塊、橫向緩沖梁組成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，既能充分利用空間，適合器件微型化，又能抗擊橫向干擾，提高檢測(cè)精度，硅納米帶電阻由硅納米帶電阻層、硅納米帶電阻正極、硅納米帶電阻負(fù)極組成，硅納米帶電阻層所具有巨壓阻效應(yīng)比傳統(tǒng)的硅壓阻器件的壓阻靈敏度高約2個(gè)數(shù)量級(jí)，可大幅提高硅壓阻式傳感器的檢測(cè)靈敏度和分辨率。
文檔編號(hào)G01P15/12GK102680738SQ20121005764
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月7日
發(fā)明者劉俊, 李孟委, 李錫廣, 杜康, 王莉 申請(qǐng)人:中北大學(xué)