專利名稱：諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三軸加速度傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)及制造方法，特別是一種諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器的工作機(jī)理、結(jié)構(gòu)及制作方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微型加速度傳感器是一類重要的力學(xué)量傳感器。早在上世紀(jì)60年代末人們就開始研究一維微型硅加速度傳感器。80年代末開始一維微型加速度傳感器的規(guī)?；a(chǎn)。進(jìn)入到90年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和軍事、商業(yè)市場的需求，開始研究三維微型加速度傳感器，應(yīng)用于軍事、汽車電子、工業(yè)自動化、機(jī)器人技術(shù)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。由于微型加速度傳感器具有體積小、重量輕、功耗和成本低、過載能力強(qiáng)、易集成、可大規(guī)模批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，不僅成為微慣性測量組合的核心元件，也迅速應(yīng)用到車輛控制、高速鐵路、機(jī)器人、 工業(yè)自動化、探礦、玩具、醫(yī)療等民用領(lǐng)域。微型加速度計(jì)是利用傳感質(zhì)量的慣性力測量加速度的傳感器。按照檢測質(zhì)量的運(yùn)動方式可以分為線加速度計(jì)和擺式加速度計(jì)；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、壓電式加速度傳感器。按照有無反饋信號可分為開環(huán)偏差式和閉環(huán)力平衡式加速度傳感器。按照敏感軸的數(shù)量，分為單軸、雙軸以及三軸加速度傳感器。諧振式加速度傳感器利用慣性力改變諧振器的軸向應(yīng)力和應(yīng)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(zhuǎn)換為穩(wěn)定性和可靠性較高的頻率信號，而且在傳輸過程中不易產(chǎn)生失真誤差，無需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器即可與數(shù)字系統(tǒng)接口。另外，諧振式加速度傳感器動態(tài)范圍寬、靈敏度和分辨率高、穩(wěn)定性好、測量精度高，已達(dá)到lKHz/g的靈敏度和2 μ g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(bào)道了一種電熱激勵/壓阻檢測諧振式加速度傳感器由質(zhì)量塊、支撐懸臂梁和諧振梁組成。敏感質(zhì)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(zhì)量塊相連，另一端固定在襯底上。當(dāng)有垂直襯底表面的加速度作用于敏感質(zhì)量塊上時，質(zhì)量塊將在垂直方向移動，導(dǎo)致諧振梁產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變，改變諧振梁的固有頻率，靈敏度為250Hz/ go同年D. ff. Bums結(jié)合體微機(jī)械和表面微機(jī)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(zhì)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(yīng)變的壓敏電阻組成。質(zhì)量塊和彈性梁為對稱結(jié)構(gòu)以降低交叉軸的干擾，上、下密封蓋板為質(zhì)量塊提供擠壓模阻尼和過載保護(hù)。密封外殼上施加直流偏壓。諧振梁的驅(qū)動電極上施加小幅交流電壓，產(chǎn)生的靜電力驅(qū)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(yīng)變，放大后反饋到驅(qū)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(jìn)行抑制。傳感器的量程可以通過支撐梁的尺寸調(diào)節(jié)。對20g的量程，諧振梁的長度、寬度和厚度分別為200 μ m，40 μ m和2 μ m，諧振頻率為500KHz， Z軸加速度檢測靈敏度高達(dá)1750Hz/g。2000年韓國Seoul國立大學(xué)ByeungleulLee等采用表面微機(jī)械工藝研制了一種慣性導(dǎo)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(zhuǎn)梁諧振器。垂直方向的加速度測量利用靜電剛度調(diào)節(jié)效應(yīng)，通過加速度產(chǎn)生的慣性力改變彈性梁承受的靜電力，實(shí)現(xiàn)對剛度系數(shù)的改變，從而引起諧振頻率的變化，并采用兩個形狀互補(bǔ)的質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)差動測量。面內(nèi)加速度傳感器采用末端帶有質(zhì)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(nèi)加速度的諧振頻率為23. 4KHz，靈敏度最高達(dá)到128Hz/g，帶寬為110Hz，精度為5. 2 μ g ;垂直方向的諧振頻率為12KHz，靈敏度最高達(dá)到70Hz/g，帶寬為100Hz，精度為2. 5μ g。1997年Trey A. Roessig 采用表面微機(jī)械工藝制作了一種新型結(jié)構(gòu)的諧振式加速度傳感器。傳感器包括質(zhì)量塊、兩個雙端音叉和支撐梁，雙端音叉通過力放大結(jié)構(gòu)兩端的支承音叉連接。音叉通過橫向運(yùn)動的梳狀電容驅(qū)動在諧振頻率上振動，并作為諧振電路反饋回路的一部分，以維持振動。當(dāng)加速度作用在質(zhì)量塊上時，產(chǎn)生雙端音叉軸向方向的作用力，改變系統(tǒng)的勢能，從而改變音叉的振動頻率。兩個雙端音叉的差動輸出可以消除共模誤差的一階分量對頻率的影響(如溫度和交叉軸干擾)。雙端固支音叉諧振器的諧振頻率為68KHz，靈敏度為45Hz/g。2002年該研究小組又報(bào)道了一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的器件，真空封裝后的器件在300Hz時的本底噪聲為 40jugZyfHz ο 2005年，V. Ferrari等人報(bào)道了一種利用體娃工藝制作的電熱激勵/壓阻檢測諧振式加速度計(jì)。芯片平面的加速度誘發(fā)微諧振梁軸向應(yīng)力，按比例改變微梁的諧振頻率。 微梁諧振頻率為700KHz。在O 3KHz頻段內(nèi)，測量靈敏度為35Hz/g?；陔娮觿輭舅淼佬?yīng)的隧道電流式加速度傳感器(也稱為隧穿加速度傳感器) 最早由美國JetPropulsion實(shí)驗(yàn)室提出。其結(jié)構(gòu)是在彈性結(jié)構(gòu)支承的質(zhì)量塊上制造測量電極，與另一個固定的隧道針尖形成隧道電流。通過測量閉環(huán)電路維持隧道電流不變時所需反饋電壓測量加速度。1994年Stanford大學(xué)研制的隧穿加速度傳感器是由柔性鉸鏈支承的質(zhì)量塊和隧道針尖組成。質(zhì)量塊下表面的電極與針尖之間產(chǎn)生隧道電流，而隧道電流與電極-針尖之間的距離有關(guān)，反映了加速度的大小。由于間距只有Inm左右，開環(huán)控制無法避免質(zhì)量塊在加速度作用下與針尖發(fā)生碰撞，因此實(shí)際的傳感器都采用閉環(huán)反饋電路保持針尖與電極的間距恒定。隧道電流式加速度傳感器一般用力反饋的方法保持隧道電流的恒定，利用隧道電流對位移變化的高度敏感性來檢測垂直加速度(Z軸)，具有靈敏度高 (10_9g)、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，分辨率達(dá)到10~20 g/V^的水平。隧道電流式加速度傳感器由于其潛在的高性能和廣闊的應(yīng)用需求，一直以來成為研究的熱點(diǎn)，是加速度傳感器在高靈敏度方面的一個典型代表。上世紀(jì)90年代以后，隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展以及軍事、商業(yè)市場的需求，單一方向的加速度測試已經(jīng)不能滿足各方面的需求，加速度傳感器向三維方向發(fā)展，以用于檢測空間加速度，為衛(wèi)星導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、炮彈定向等軍工項(xiàng)目和汽車防震保護(hù)、自動剎車、醫(yī)療等民用項(xiàng)目服務(wù)。三軸微型加速度傳感器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(zhì)量塊數(shù)目可分為多質(zhì)量塊和單質(zhì)量塊系統(tǒng)。目前實(shí)現(xiàn)三軸加速度的檢測方式比較單一，三個軸向加速度多采用同一原理檢測。交叉干擾比較嚴(yán)重，一般在3% 25%之間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于發(fā)明一種新型三軸加速度傳感器，以實(shí)現(xiàn)三軸加速度的高靈敏度、低噪聲、高分辨率、低交叉軸干擾測量和數(shù)字化輸出。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是所述的三軸加速度傳感器由中間硅片(I)、上蓋板(2)和下底板(3)組成。中間硅片(I)由雙端固支梁諧振器(4)、支撐梁
(5)、質(zhì)量塊(6)、偏壓電極(7)和框架⑶組成。采用單一質(zhì)量塊(6)敏感三個軸向加速度信號。雙端固支梁諧振器(4)位于中間硅片(I)的上表面，雙端固支梁諧振器(4) 一端固支在框架(8)上表面，另一端固支在質(zhì)量塊￠)的四條邊上。支撐梁(5)的中性面與質(zhì)量塊￠)的重心在同一水平面內(nèi)。雙端固支梁諧振器(4)檢測芯片平面內(nèi)X軸和Y軸加速度。Z軸加速度檢測部分由隧道針尖(9)、控制電極(10)和偏壓電極(7)組成。隧道針尖和控制電極(10)制作在上蓋板(2)上，偏壓電極(7)制作在中間硅片⑴上。也可以將隧道針尖(9)和控制電極(10)制作在中間硅片(I)上，偏壓電極(7)制作在上蓋板(2) 上。本發(fā)明所涉及的諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器的工作原理在X軸加速度作用下，質(zhì)量塊(6)在X軸方向運(yùn)動。X軸方向的雙端固支梁諧振器⑷之一所受的軸向拉應(yīng)力增加或軸向壓應(yīng)力減小，諧振頻率增加；X軸方向的另一雙端固支梁諧振器(4) 軸向拉應(yīng)力減小或軸向壓應(yīng)力增加，諧振頻率減小。X軸方向的兩個雙端固支梁諧振器(4) 諧振頻率的差值反映X軸加速度的大小和方向。同樣地，在Y軸加速度作用下使質(zhì)量塊(6) 在Y軸方向運(yùn)動，Y軸方向的雙端固支梁諧振器(4)之一軸向拉應(yīng)力增加或軸向壓應(yīng)力減小，諧振頻率增加；Y軸方向的另一雙端固支梁諧振器(4)軸向拉應(yīng)力減小或軸向壓應(yīng)力增加，諧振頻率減小，Y軸方向的兩個雙端固支梁諧振器⑷諧振頻率的差值反映Y軸加速度的大小和方向。垂直芯片平面的Z軸加速度信號采用采用隧道電流式敏感原理檢測，并工作于閉環(huán)力平衡工作模式。質(zhì)量塊(6)受到Z軸加速度作用運(yùn)動時時，改變隧道針尖(9) 和偏壓電極(7)之間的距離和隧道電流的大小，控制電路將產(chǎn)生一個與質(zhì)量塊(6)運(yùn)動趨勢方向相反的靜電力，作用在控制電極(10)和偏壓電極(7)之間，使敏感質(zhì)量塊(6)返回到平衡位置。通過測量閉環(huán)電路維持隧道電流不變時所需的反饋電壓可獲得Z軸加速度信號的大小。本發(fā)明所涉及的諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器的X軸加速度信號也可以只用一個雙端固支梁諧振器(4)檢測，根據(jù)X軸加速度作用下其諧振頻率增加或減小反映X軸加速度的大小和方向。同樣地，Y軸加速度信號也可以只用一個雙端固支梁諧振器(4)檢測，根據(jù)Y軸加速度作用下其諧振頻率增加或減小反映Y軸加速度的大小和方向。本發(fā)明所涉及的諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器的雙端固支梁諧振器(4)既可以是兩端固支單梁諧振器，也可采用兩端固支雙梁諧振器或兩端固支三梁諧振器。梁上可以開槽或開孔以提高品質(zhì)因數(shù)或?qū)崿F(xiàn)電學(xué)隔離。兩端固支雙梁諧振器由兩根平行的梁組成，梁的末端合并，并與襯底固支。當(dāng)通過適當(dāng)?shù)募罘绞绞箖蓚€音叉臂反相振動時，在它們的合并區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力和力矩方向相反，互相抵消，因此整個結(jié)構(gòu)通過固支端與外界的能量耦合最小，振動系統(tǒng)的能量損失小，具有較高的Q值。三梁結(jié)構(gòu)雙端固支梁諧振器(4)的中間梁的寬度等于左右相鄰兩梁的寬度之和，且三者在端部經(jīng)由能量隔離區(qū)相互連成一個整體。當(dāng)選用三梁諧振器的反對稱相位的三階振動模態(tài)作為梁的諧振模態(tài)時，中
6間的梁和兩邊的兩個梁在固支端產(chǎn)生的反力和力矩因振動方向相反而相互抵消，振動能量儲存在諧振器內(nèi)部，從而減少能量損耗，起到提高Q值的作用。本發(fā)明所涉及的諧振-力平衡電容式三軸加速度傳感器的雙端固支梁諧振器(4) 采用電熱激勵、光熱激勵、逆壓電激勵、電磁激勵、靜電激勵之一激勵，使其處于諧振狀態(tài)， 它輸出的諧振頻率信號采用壓阻檢測、電磁檢測、壓電檢測、光學(xué)干涉、電容檢測之一實(shí)現(xiàn)。利用本發(fā)明的技術(shù)方案制作一種諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器，當(dāng)隧道針尖(9)和控制電極(10)在上蓋板(2)上，偏壓電極(7)制作在中間硅片(I)上時， 其主要制作工藝步驟如下I)采用(100)面硅片作為中間硅片(I)。2)熱氧化或化學(xué)氣相淀積法在中間硅片(I)上下表面上制作絕緣薄膜，該薄膜同時也是濕法腐蝕時的掩蔽層。3)光刻、腐蝕、擴(kuò)散、薄膜沉積工藝相結(jié)合在硅片上制作雙端固支梁諧振器⑷的激振器和振動檢測元件。4)在中間硅片⑴正面光刻雙端固支梁諧振器⑷及質(zhì)量塊(6)圖形，濕法腐蝕或干法刻蝕雙端固支梁諧振器(4)及質(zhì)量塊￠)的成型槽中的掩蔽層。5)光刻接觸孔。腐蝕接觸孔內(nèi)的絕緣層。淀積金屬薄膜，光刻、腐蝕金屬薄膜，制作內(nèi)引線(15)和偏壓電極(7)。6)制作密封環(huán)(16)。7)正面保護(hù)，背面光刻，腐蝕中間硅片⑴背面的二氧化硅薄膜(11)，去膠。各向異性濕法腐蝕或干法刻蝕釋放雙端固支梁諧振器(4)和支撐梁(5)。8)取第二片硅片制作上蓋板(2)。熱氧化法生長二氧化硅薄膜。正面光刻隧道針尖(9)掩膜，正面光刻隧道針尖(9)掩膜，各向異性濕法腐蝕或干法刻蝕隧道針尖(9)，并除去硅片正面面對雙端固支梁諧振器(4)的一部分硅，為雙端固支梁諧振器(4)提供運(yùn)動空間。9)硅片正面蒸發(fā)金屬薄膜，腐蝕金屬薄膜，制作控制電極(10)。光刻、電鍍、工藝相結(jié)合制作通孔互連，從上蓋板(2)背面引出隧道針尖(9)和控制電極(10)的焊盤。10)取第三片硅片制作下底板(3)。濕法腐蝕或干法刻蝕除去硅片正面面對質(zhì)量塊(6)的一部分硅，為質(zhì)量塊(6)受到Z軸加速度在芯片法向的微小運(yùn)動提供活動空間。緩
釋氫氟酸腐蝕二氧化硅薄膜。11)上蓋板⑵和下底板(3)的正面分別面對中間硅片⑴的正面和背面，將三者
鍵合在一起。利用本發(fā)明的技術(shù)方案制作諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器，當(dāng)偏壓電極(7)制作在上蓋板⑵上，隧道針尖(9)和控制電極(10)制作在中間硅片⑴上時， 其制作工藝的基本制作工藝步驟如下I)采用(100)面硅片作為中間硅片(I)。2)熱氧化或化學(xué)氣相淀積法在硅片上制作針尖腐蝕或刻蝕的掩蔽層。3)正面光刻隧道針尖(9)掩膜，各向異性濕法腐蝕或干法刻蝕隧道針尖(9)。4)熱氧化或化學(xué)氣相淀積法在低電阻率硅片上制作絕緣層。光刻、腐蝕、擴(kuò)散、薄膜沉積工藝相結(jié)合在硅片上制作雙端固支梁諧振器(4)的激振器和振動檢測元件。
5)在中間硅片(I)正面光刻雙端固支梁諧振器(4)及質(zhì)量塊(6)圖形，濕法腐蝕或干法刻蝕成型槽中的掩蔽層。6)光刻接觸孔。腐蝕接觸孔內(nèi)的絕緣層。淀積金屬薄膜，光刻、腐蝕鋁薄膜，制作內(nèi)引線(15)和偏壓電極(7)。7)制作密封環(huán)(16)。8)正面保護(hù)，背面光刻，腐蝕中間硅片⑴背面的二氧化硅薄膜(11)，去膠。各向異性濕法腐蝕或干法刻蝕釋放雙端固支梁諧振器(4)和支撐梁(5)。9)采用低電阻率硅片制作上蓋板(2)。熱氧化法生長二氧化硅薄膜。以二氧化硅薄膜為掩膜濕法腐蝕除去硅片正面面對雙端固支梁諧振器(4)的一部分硅，為雙端固支梁諧振器(4)提供運(yùn)動空間。緩釋氫氟酸溶液腐蝕正反面的二氧化硅薄膜。10)正面和背面淀積金屬薄膜。正面光刻、腐蝕工藝相結(jié)合制作偏壓電極(7),合金化。背面光刻、腐蝕工藝相結(jié)合制作偏壓電極(7)的焊盤。11)取第三片硅片或玻璃制作下底板(3)。腐蝕或刻蝕除去硅片正面面對質(zhì)量塊 (6)的一部分硅或玻璃，為質(zhì)量塊(6)受到Z軸加速度在芯片法向的微小運(yùn)動提供活動空間。12)上蓋板⑵和下底板(3)的正面分別面對中間硅片⑴的正面和背面，將三者鍵合在一起。焊接外引線，從上蓋板(2)背面引出偏壓電極(7)的電學(xué)信號。本發(fā)明所涉及的諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器存在以下三個優(yōu)點(diǎn)z軸加速度信號采用力平衡工作模式，質(zhì)量塊(6)在芯片法向運(yùn)動位移很小，Z軸輸入的加速度信號對X軸和Y軸加速度檢測引入交叉干擾極小。同樣地，質(zhì)量塊(6)感受到X 軸和Y軸加速度信號而在芯片平面內(nèi)的位移也不會對Z軸加速度信號的檢測帶來交叉靈敏度。[2]X軸和Y軸加速度信號采用對軸向應(yīng)力具有高度敏感特性的雙端固支梁諧振器(4) 測量，被測加速度直接轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定性和可靠性較高的頻率信號，在傳輸過程中不易產(chǎn)生失真誤差，無需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器即可與數(shù)字系統(tǒng)接口，測量精度極高，能夠滿足對加速度傳感器的高性能要求。[3]Z軸加速度信號采用隧道電流式敏感原理檢測，并工作于閉環(huán)力平衡工作模式，具有靈敏度高、噪聲低、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明所涉及的諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器中間硅片⑴ 的示意圖。圖2是本發(fā)明所涉及的諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2[1]中隧道針尖(9)和控制電極(10)制作在上蓋板(2)上，偏壓電極(7)制作在中間硅片⑴上。圖2[2]中隧道針尖(9)和控制電極(10)在中間硅片(I)上，偏壓電極(7)制作在上蓋板⑵上。圖3是作為本發(fā)明實(shí)施例的諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器的制作工藝流程圖。其中隧道針尖(9)和控制電極(10)在上蓋板(2)上，偏壓電極(7)制作在中間硅片⑴上。附圖中I-中間硅片2-上蓋板3-下底板
4-雙端固支梁諧振器5-支撐梁6-質(zhì)量塊
7-偏壓電極8-框架9-隧道針尖
10-控制電極11-二氧化硅薄膜12-激勵電阻
13-壓敏電阻14-摻雜窗口15-內(nèi)引線
16-密封環(huán)
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不局限于該實(shí)施例。實(shí)施例利用本發(fā)明的技術(shù)方案制作一種諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器。其中，隧道針尖(9)和控制電極(10)在上蓋板(2)上，偏壓電極(7)制作在中間硅片⑴上。 其制作工藝流程如下I)采用(100)面、電阻率為I 10Ω. cm的硅片作為中間硅片(I)。(見附圖3[1])2)熱氧化，生成二氧化硅薄膜(11)。(見附圖3[2])3)光刻和腐蝕工藝結(jié)合制作激勵電阻(12)和壓敏電阻(13)的摻雜窗口(14)。 (見附圖3[3])4)離子注入硼原子制作多晶硅激勵電阻(12)壓敏電阻(13)。950°C、氧氣氣氛中退火30分鐘，激活摻雜硼離子。(見附圖3[4])5)在中間硅片⑴正面光刻雙端固支梁諧振器⑷及質(zhì)量塊(6)圖形，緩釋氫氟酸溶液腐蝕成型槽中的二氧化硅。光刻接觸孔，緩釋氫氟酸溶液腐蝕接觸孔中的二氧化硅薄膜(11)。蒸發(fā)鋁薄膜，反刻鋁薄膜，制作內(nèi)引線(15)和偏壓電極(7)。(見附圖3[5])6)正面光刻密封環(huán)(16)圖形，電子束蒸發(fā)技術(shù)淀積Schott 8329玻璃，剝離工藝制作密封環(huán)(16)。(見附圖3[6])7)正面保護(hù)，背面光刻，緩釋氫氟酸溶液腐蝕中間硅片(I)背面的二氧化硅薄膜
(11)，去膠。有掩膜腐蝕與無掩膜腐蝕相結(jié)合腐蝕釋放雙端固支梁諧振器(4)和支撐梁
(5)。(見附圖3[7])8)取另外一片N型、(100)面、電阻率為1-10 Ω . cm的硅片制作上蓋板⑵。熱氧化法生長二氧化硅薄膜。正面光刻隧道針尖(9)掩膜，各向異性濕法腐蝕隧道針尖(9)，并除去硅片正面面對雙端固支梁諧振器(4)的一部分硅，為雙端固支梁諧振器(4)提供運(yùn)動空間。(見附圖3[8])9)正面蒸發(fā)鋁薄膜，反刻鋁薄膜，制作控制電極(10)。光刻、電鍍、工藝相結(jié)合制作通孔互連，從上蓋板⑵背面引出控制電極(10)的焊盤。(見附圖3[9])10)取另外一片N型、(100)面硅片制作下底板(3)。熱氧化法生長二氧化硅薄膜。以二氧化硅薄膜為掩膜濕法腐蝕除去硅片正面面對質(zhì)量塊￠)的一部分硅，為質(zhì)量塊
(6)受到Z軸加速度在芯片法向的微小運(yùn)動提供活動空間。緩釋氫氟酸腐蝕二氧化硅薄膜。 (見附圖3[10])11)上蓋板⑵和下底板(3)的正面分別面對中間硅片⑴的正面和背面，將三者鍵合在一起，其中上蓋板⑵和中間硅片⑴之間采用陽極鍵合，下底板⑶和中間硅片
(I)采用共晶鍵合。(見附圖3[11])
權(quán)利要求
1.一種諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器，其特征在于所述的三軸加速度傳感器由中間硅片(I)、上蓋板⑵和下底板⑶組成；中間硅片⑴由雙端固支梁諧振器(4)、支撐梁(5)、質(zhì)量塊(6)、偏壓電極(7)和框架⑶組成；采用單一質(zhì)量塊(6)敏感三個軸向加速度信號；雙端固支梁諧振器(4)位于中間硅片(I)的上表面，雙端固支梁諧振器⑷一端固支在框架⑶上表面，另一端固支在質(zhì)量塊(6)的四條邊上；支撐梁(5)的中性面與質(zhì)量塊￠)的重心在同一水平面內(nèi)“軸加速度檢測部分由隧道針尖(9)、控制電極(10)和偏壓電極(7)組成；隧道針尖(9)和控制電極(10)制作在上蓋板(2)上，偏壓電極(7)制作在中間娃片⑴上；也可以將險(xiǎn)道針尖(9)和控制電極(10)制作在中間娃片⑴ 上，偏壓電極(7)制作在上蓋板⑵上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器，其特征在于 在X軸加速度作用下，質(zhì)量塊(6)在X軸方向運(yùn)動，X軸方向的雙端固支梁諧振器⑷之一所受的軸向拉應(yīng)力增加或軸向壓應(yīng)力減小，諧振頻率增加，X軸方向的另一雙端固支梁諧振器(4)所受的軸向拉應(yīng)力減小或軸向壓應(yīng)力增加，諧振頻率減小，X軸方向的兩個雙端固支梁諧振器(4)諧振頻率的差值反映X軸加速度的大小和方向；在Y軸加速度作用下使質(zhì)量塊(6)在Y軸方向運(yùn)動，Y軸方向的雙端固支梁諧振器⑷之一所受的軸向拉應(yīng)力增加或軸向壓應(yīng)力減小，諧振頻率增加，Y軸方向的另一雙端固支梁諧振器(4)所受的軸向拉應(yīng)力減小或軸向壓應(yīng)力增加，諧振頻率減小，Y軸方向的兩個雙端固支梁諧振器(4)諧振頻率的差值反映Y軸加速度的大小和方向；垂直芯片平面的Z軸加速度信號采用采用隧道電流式敏感原理檢測，并工作于閉環(huán)力平衡工作模式，質(zhì)量塊(6)受到Z軸加速度作用運(yùn)動時時， 改變隧道針尖(9)和偏壓電極(7)之間的距離和隧道電流的大小，控制電路產(chǎn)生一個與質(zhì)量塊(6)運(yùn)動趨勢方向相反的靜電力，作用在控制電極(10)和偏壓電極(7)之間，使敏感質(zhì)量塊(6)返回到平衡位置，通過測量閉環(huán)電路維持隧道電流不變時所需的反饋電壓可獲得Z軸加速度信號的大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的諧振-力平衡電容式三軸加速度傳感器，其特征在于所述的三軸加速度傳感器的X軸加速度信號也可以只用一個雙端固支梁諧振器(4)檢測，根據(jù)其諧振頻率增加或減小反映X軸加速度的大小和方向；Y軸加速度信號也可以只用一個雙端固支梁諧振器⑷檢測，根據(jù)其諧振頻率增加或減小反映Y軸加速度的大小和方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的諧振-力平衡電容式三軸加速度傳感器，其特征在于所述的三軸加速度傳感器的雙端固支梁諧振器(4)采用電熱激勵、光熱激勵、逆壓電激勵、電磁激勵、靜電激勵之一激勵，使其處于諧振狀態(tài)，它輸出的諧振頻率信號采用壓阻檢測、電磁檢測、壓電檢測、光學(xué)干涉、電容檢測之一實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器，其特征在于 當(dāng)隧道針尖(9)和控制電極(10)在上蓋板(2)上，偏壓電極(7)制作在中間硅片(I)上時， 三軸加速度傳感器的基本制作工藝步驟如下1)米用(100)面娃片作為中間娃片(I)；2)熱氧化或化學(xué)氣相淀積法在中間硅片(I)上制作絕緣薄膜；3)光刻、腐蝕、擴(kuò)散、薄膜沉積工藝相結(jié)合在硅片上制作雙端固支梁諧振器(4)的激振器和振動檢測元件；4)在中間硅片(I)正面光刻雙端固支梁諧振器(4)及質(zhì)量塊￠)圖形，濕法腐蝕或干法刻蝕雙端固支梁諧振器(4)及質(zhì)量塊￠)的成型槽中的掩蔽層；5)光刻接觸孔，腐蝕接觸孔內(nèi)的絕緣層，淀積金屬薄膜，光刻、腐蝕金屬薄膜，制作內(nèi)弓I 線(15)和偏壓電極(7)；6)制作密封環(huán)(16)；7)正面保護(hù)，背面光刻，腐蝕中間硅片(I)背面的二氧化硅薄膜(11)，去膠，各向異性濕法腐蝕或干法刻蝕釋放雙端固支梁諧振器(4)和支撐梁(5)；8)取第二片硅片制作上蓋板(2)，熱氧化法生長二氧化硅薄膜，正面光刻隧道針尖(9) 掩膜，各向異性濕法腐蝕或干法刻蝕隧道針尖(9)，并除去硅片正面面對雙端固支梁諧振器(4)的一部分硅，為雙端固支梁諧振器(4)提供運(yùn)動空間；9)硅片正面蒸發(fā)金屬薄膜，腐蝕金屬薄膜，制作控制電極(10)，光刻、電鍍、工藝相結(jié)合制作通孔互連，從上蓋板(2)背面引出隧道針尖(9)和控制電極(10)的焊盤；10)取第三片硅片制作下底板(3)，濕法腐蝕或干法刻蝕除去硅片正面面對質(zhì)量塊(6) 的一部分硅，為質(zhì)量塊(6)受到Z軸加速度在芯片法向的微小運(yùn)動提供活動空間；11)上蓋板(2)和下底板(3)的正面分別面對中間硅片(I)的正面和背面，將三者鍵合在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器，其特征在于 當(dāng)偏壓電極(7)制作在上蓋板⑵上，隧道針尖(9)和控制電極(10)制作在中間硅片⑴ 上時，其制作工藝的基本制作工藝步驟如下1)米用(100)面娃片作為中間娃片⑴；2)熱氧化或化學(xué)氣相淀積法在硅片上制作針尖腐蝕或刻蝕的掩蔽層；3)正面光刻隧道針尖(9)掩膜，各向異性濕法腐蝕或干法刻蝕隧道針尖(9)；4)熱氧化或化學(xué)氣相淀積法在低電阻率硅片上制作絕緣層；光刻、腐蝕、擴(kuò)散、薄膜沉積工藝相結(jié)合在硅片上制作雙端固支梁諧振器(4)的激振器和振動檢測元件；5)在中間硅片(I)正面光刻雙端固支梁諧振器(4)及質(zhì)量塊￠)圖形，濕法腐蝕或干法刻蝕成型槽中的掩蔽層；6)光刻接觸孔，腐蝕接觸孔內(nèi)的絕緣層，淀積金屬薄膜，光刻、腐蝕鋁薄膜，制作內(nèi)引線(15)和偏壓電極(7)；7)制作密封環(huán)(16)；8)正面保護(hù)，背面光刻，腐蝕中間硅片(I)背面的二氧化硅薄膜(11)，去膠；各向異性濕法腐蝕或干法刻蝕釋放雙端固支梁諧振器(4)和支撐梁(5)；9)采用低電阻率硅片制作上蓋板(2)，熱氧化法生長二氧化硅薄膜，以二氧化硅薄膜為掩膜濕法腐蝕除去硅片正面面對雙端固支梁諧振器(4)的一部分硅，為雙端固支梁諧振器(4)提供運(yùn)動空間，緩釋氫氟酸溶液腐蝕正反面的二氧化硅薄膜；10)正面和背面淀積金屬薄膜；正面光刻、腐蝕工藝相結(jié)合制作偏壓電極(7)，合金化； 背面光刻、腐蝕工藝相結(jié)合制作偏壓電極(7)的焊盤；11)取第三片(100)面硅片制作下底板(3)，腐蝕或刻蝕除去硅片正面面對質(zhì)量塊(6) 的一部分硅，為質(zhì)量塊(6)受到Z軸加速度在芯片法向的微小運(yùn)動提供活動空間；12)上蓋板(2)和下底板(3)的正面分別面對中間硅片(I)的正面和背面，將三者鍵合在一起，焊接外引線，從上蓋板(2)背面引出偏壓電極(7)的電學(xué)信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種諧振-力平衡隧道電流式三軸加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及制作方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)特征在于三軸加速度傳感器由中間硅片(1)、上蓋板(2)和下底板(3)組成，中間硅片(1)上制作有雙端固支梁諧振器(4)、質(zhì)量塊(6)和支撐梁(5)。本傳感器在檢測原理方面的特征在于芯片平面內(nèi)X軸和Y軸加速度信號采用雙端固支梁諧振器(4)檢測，雙端固支梁諧振器(4)諧振頻率的變化反映加速度的大小和方向；Z軸加速度信號檢測部分由隧道針尖(9)、控制電極(10)和偏壓電極(7)組成，采用隧道電流式敏感原理檢測，工作于閉環(huán)力平衡工作模式。質(zhì)量塊(6)在芯片法向運(yùn)動位移很小，Z軸加速度信號對X軸和Y軸加速度檢測引入交叉干擾極小。
文檔編號G01P15/18GK102608355SQ20121005938
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者韓建強(qiáng) 申請人:中國計(jì)量學(xué)院