本發(fā)明涉及MEMS加速度傳感器芯片技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于非晶態(tài)碳膜的加速度傳感器芯片。

背景技術(shù)：

隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)、軍事等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的需求的變革，具有不同性能與敏感原理加速度傳感器逐漸進(jìn)入人們的視野。根據(jù)感知加速度的敏感機(jī)理不同，加速度傳感器可以分為電容式、壓阻式、壓電式、諧振式和熱傳導(dǎo)式等。由于采用了MEMS技術(shù)與IC集成工藝，具有體積小、重量輕特點(diǎn)的加速度傳感器可以安置在狹小的空間中，從而出現(xiàn)在一些常規(guī)傳感器無法使用的應(yīng)用場合，比如機(jī)床主軸振動(dòng)監(jiān)測、智能筆、虛擬現(xiàn)實(shí)、三維鼠標(biāo)和體育器材等。

目前，對(duì)于MEMS加速度傳感器的研究，多只在其敏感結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，相繼出現(xiàn)了基于懸臂梁-質(zhì)量塊、十字梁、雙橋以及復(fù)合多梁等敏感結(jié)構(gòu)的MEMS加速度傳感器。雖然上述的敏感結(jié)構(gòu)在一定程度上提升了傳感器性能，但是存在以下問題：1.由于加速度傳感器敏感結(jié)構(gòu)的靈敏度和固有頻率是相互約束的一對(duì)參數(shù)，而且這種矛盾關(guān)系無法被徹底消除；2.傳統(tǒng)的MEMS傳感器均采用離子注入的方式在硅基底上形成壓敏電阻，一般都需要2-3步才能完成電阻的制作，制作工藝較為復(fù)雜；3.壓敏電阻不具備耐磨，耐腐蝕等特性，限制了其在一些惡劣環(huán)境下的應(yīng)用，縮減了傳感器的壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于非晶態(tài)碳膜的加速度傳感器芯片，徹底解決傳統(tǒng)MEMS硅微傳感器測量靈敏度和固有頻率之間的制約關(guān)系，使傳感器兼具高固有頻率以及高測量靈敏度等特點(diǎn)，采用的非晶態(tài)碳膜電阻具有低摩擦系數(shù)、耐腐蝕，耐磨等優(yōu)良特性，適合惡劣環(huán)境下的應(yīng)用，具有很大的市場效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于非晶態(tài)碳膜的加速度傳感器芯片，包括硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1，硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1的背面與硼玻璃2的正面鍵合，硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1的背面和硼玻璃2的正面之間設(shè)有空腔3，硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1包括質(zhì)量塊5以及與質(zhì)量塊5相連的懸臂梁6，在硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1上采用物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積方法鍍有四個(gè)非晶碳膜電阻4-1、4-2、4-3、4-4，其中第一非晶態(tài)碳膜電阻4-1位于硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1的懸臂梁6上，并靠近邊框一端；第二非晶態(tài)碳膜電阻4-2、第三非晶態(tài)碳膜電阻4-3以及第四非晶態(tài)碳膜電阻4-4位于硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1的邊框處，四個(gè)非晶碳膜電阻4-1、4-2、4-3、4-4連接成惠斯通半橋檢測電路，并通過金屬導(dǎo)線7和焊盤8連接，硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1、硼玻璃2、非晶態(tài)碳膜電阻、金屬導(dǎo)線7以及焊盤8構(gòu)成了基于非晶態(tài)碳膜的加速度傳感器芯片。

所述的非晶態(tài)碳膜電阻是采用磁控濺射以及化學(xué)氣相沉積方法制備的，其偏壓分別為-300V～300V和-150V～-750V。

所述的硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1的質(zhì)量塊5與硼玻璃2之間預(yù)留有20-40μm的工作間隙。

由于本發(fā)明采用了高壓阻系數(shù)的非晶態(tài)碳膜電阻代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓敏電阻作為惠斯通電橋的橋路電阻。使得傳感器具有以下特點(diǎn)：1.高測量靈敏度，由于非晶態(tài)碳膜電阻具有極高的壓阻系數(shù)(120-1200)，使得壓敏電阻在受到相同應(yīng)力應(yīng)變的情況下，能夠獲得更大的電阻變化量。2響應(yīng)頻率高，對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化和選擇，可以在不影響傳感器靈敏度的情況下提升傳感器的固有頻率。3.耐磨，耐腐蝕。由于非晶態(tài)碳膜具有低摩擦系數(shù)，耐磨等特點(diǎn)，常被用作航天飛機(jī)的涂層材料，引入這種電阻會(huì)使得傳感器具有較長的壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的A-A截面圖。

圖3為本發(fā)明的工作原理圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的說明。

參照?qǐng)D1和圖2，一種基于非晶態(tài)碳膜的加速度傳感器芯片，包括硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1，硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1的背面與硼玻璃2的正面鍵合，且留有鍵合余量，硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1的背面和硼玻璃2的正面之間設(shè)有空腔3，硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1包括質(zhì)量塊5以及與質(zhì)量塊5相連的懸臂梁6，在硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1上采用物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積方法鍍有四個(gè)非晶碳膜電阻4-1、4-2、4-3、4-4，其中第一非晶態(tài)碳膜電阻4-1位于硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1的懸臂梁6上，并靠近邊框一端；第二非晶態(tài)碳膜電阻4-2、第三非晶態(tài)碳膜電阻4-3以及第四非晶態(tài)碳膜電阻4-4位于硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1的邊框處，這樣設(shè)置的非晶態(tài)碳膜電阻受到的應(yīng)力應(yīng)變大，電阻變化明顯，適合于研制基于非晶態(tài)碳膜的MEMS加速度傳感器芯片，四個(gè)非晶碳膜電阻4-1、4-2、4-3、4-4連接成惠斯通半橋檢測電路，并通金屬導(dǎo)線7和焊盤8連接，硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1、硼玻璃2、非晶態(tài)碳膜電阻、金屬導(dǎo)線7以及焊盤8構(gòu)成了基于非晶態(tài)碳膜的加速度傳感器芯片。

所述的非晶態(tài)碳膜電阻是采用磁控濺射以及化學(xué)氣相沉積方法制備的，其偏壓分別為-300V～300V和-150V～-750V。

所述的硅質(zhì)敏感結(jié)構(gòu)1的質(zhì)量塊5與硼玻璃2之間預(yù)留有20-40μm的工作間隙，以保證質(zhì)量塊5在傳感器正常工作時(shí)能夠始終懸空，提供合適的阻尼空隙以及抗過載能力。

本發(fā)明的工作原理為：

參照?qǐng)D3，利用非晶態(tài)碳膜的壓阻效應(yīng)，當(dāng)非晶態(tài)碳膜電阻4-1、4-2、4-3、4-4處于一定應(yīng)力作用下時(shí)，由于載流子遷移率的變化，其電阻率發(fā)生變化，其阻值的變化與其所受應(yīng)力之間的比例關(guān)系為：

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=K\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

其中的K為非晶態(tài)碳膜的等效壓阻系數(shù)，壓阻系數(shù)是用來表征壓阻效應(yīng)強(qiáng)弱的，被定義為單位作用下非晶態(tài)碳膜電阻率的相對(duì)變化與應(yīng)變?chǔ)诺谋戎怠?/p>

對(duì)于由非晶態(tài)碳膜電阻組成的惠斯通半橋檢測電路，采用恒壓源供電，當(dāng)外界加速度作用到傳感器芯片上時(shí)，其輸出電壓可以表示為：

$V_o=\left(\frac{R_1{R}_3-R_2{R}_4}{(R_1+R_2)-(R_3+R_4)}\right)V_i---\left(2\right)$

公式2中的V_o、V_i分別為電橋的輸出電壓和輸入電壓，R₁為第一非晶態(tài)碳膜電阻4-1的阻值。R₂、R₃和R₄為布置在敏感結(jié)構(gòu)邊框處的第二非晶態(tài)碳膜電阻4-2、第三非晶態(tài)碳膜電阻4-3和第四非晶態(tài)碳膜電阻4-3的阻值。ΔR₁為第一非晶態(tài)碳膜電阻4-1的阻值變化量。經(jīng)過代入化簡，有如下公式：

$V_o=\frac{\mathrm{\Δ}R}{4R}{V}_i---\left(3\right)$

根據(jù)牛頓定律，當(dāng)懸空的質(zhì)量塊5受到某一方向加速度作用時(shí)，將會(huì)有一個(gè)與加速度成正比且同向的慣性力作用于質(zhì)量塊5上，從而使得質(zhì)量塊5產(chǎn)生一定的位移；懸臂梁6與質(zhì)量塊5相連，懸臂梁6將在質(zhì)量塊5的帶動(dòng)下發(fā)生彎曲變形，從而在懸臂梁6上產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。芯片中的第一非晶態(tài)碳膜電阻4-1布置于懸臂梁6的最大應(yīng)力處，根據(jù)壓阻效應(yīng)公式，第一非晶態(tài)碳膜電阻4-1的阻值會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起電橋平衡失效，從而輸出一個(gè)電壓值，由于懸臂梁6上產(chǎn)生的應(yīng)力與輸入加速度成正比，而非晶態(tài)碳膜電阻的變化量與梁的應(yīng)力成正比，因此輸出電壓與其所承受的加速度值成正比，最終實(shí)現(xiàn)了將加速度轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的功能。本發(fā)明中，由于采用非晶態(tài)碳膜作為傳感器的壓敏電阻，使得傳感器具有更高的靈敏度和較長的使用壽命。