本發(fā)明涉及mems傳感器領(lǐng)域中的壓阻式加速度傳感器，具體是一種用于檢測運(yùn)動(dòng)物體三個(gè)方向加速度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著微機(jī)電系統(tǒng)和微納米技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器的制造進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的階段。mems加速度傳感器是最早發(fā)展的mems傳感器之一。由于mems加速度傳感器體積小、重量輕、可靠性高、響應(yīng)快、易于集成化和智能化以及可以批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，成為現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的mems傳感器之一。當(dāng)前mems加速度傳感器主要包括壓電式、電容式和壓阻式三類。

壓電式加速度傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、受溫度影響小和不需要外界電源的優(yōu)點(diǎn)，但是由于不能測量零頻信號(hào)限制了其部分應(yīng)用場合；電容式加速度傳感器測量精度高、受溫度影響小，但是后續(xù)處理電路復(fù)雜、線性度差、量程小和生產(chǎn)成本高特點(diǎn)，決定了其應(yīng)用受到限制。壓阻式加速度傳感器優(yōu)點(diǎn)是線性度好、生產(chǎn)成本低、檢測方法簡單、頻率特性好、可以檢測低頻信號(hào)。因此，壓阻式加速度傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，也是對(duì)壓電式和電容式加速度傳感器不足之處的補(bǔ)充。壓阻式加速度傳感器仍具有廣泛的應(yīng)用前景和市場需求。

但是傳統(tǒng)壓阻式加速度傳感器不具有抗過載的能力，當(dāng)加速度傳感器受到超過傳感器量程的加速度時(shí)容易產(chǎn)生毀滅性破壞，導(dǎo)致加速度傳感器不能再次使用。

本發(fā)明正是基于以上問題提出了一種壓阻式八梁三軸加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及工藝實(shí)現(xiàn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，而提供了一種具有抗過載能力的壓阻式八梁三軸加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與工藝實(shí)現(xiàn)方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種具有抗過載能力的壓阻式三軸加速度傳感器，包括基片，所述基片的中心刻蝕出質(zhì)量塊和八個(gè)矩形梁，所述質(zhì)量塊上部邊緣四邊通過矩形梁與基片一體連接，即質(zhì)量塊右邊通過梁l1和梁l2與基片邊框連接、其上邊通過梁l3和梁l4與基片邊框連接、其左邊通過梁l5和梁l6與基片邊框連接、其下邊通過梁l7和梁l8與基片邊框連接；則，梁與梁之間、質(zhì)量塊邊緣與基片之間、梁與基片之間均留有抗過載間隙。

八個(gè)矩形梁的每個(gè)梁上分布有兩個(gè)壓敏電阻，每個(gè)壓敏電阻的兩端分別通過金屬引線與位于基片邊緣的相應(yīng)焊盤連接。

所述基片底面和頂面均鍵合有蓋板，所述質(zhì)量塊和蓋板之間留有抗過載間隙。

壓敏電阻在八個(gè)矩形梁上的分布如下：

所述梁l1的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻x4、其外端設(shè)有壓敏電阻h3，

所述梁l2的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻z1、其外端設(shè)有壓敏電阻x2，

所述梁l3的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻y4、其外端設(shè)有壓敏電阻z3，

所述梁l4的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻h1、其外端設(shè)有壓敏電阻y2，

所述梁l5的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻h4、其外端設(shè)有壓敏電阻x1，

所述梁l6的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻x3、其外端設(shè)有壓敏電阻z2，

所述梁l7的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻z4、其外端設(shè)有壓敏電阻y1，

所述梁l8的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻y3、其外端設(shè)有壓敏電阻h3。

其中，壓敏電阻x1、x2、x3、x4組成檢測笛卡爾坐標(biāo)系中x方向加速度的惠斯通電橋；

壓敏電阻標(biāo)y1、y2、y3、y4組成檢測笛卡爾坐標(biāo)系中y方向加速度的惠斯通電橋；

壓敏電阻z1、z2、z3、z4和壓敏電阻h1、h2、h3、h4組成檢測笛卡爾坐標(biāo)系中z方向加速度的惠斯通電橋，即壓敏電阻z1和h1構(gòu)成電橋的一個(gè)臂，壓敏電阻z2和h2構(gòu)成電橋的一個(gè)臂，壓敏電阻z3和h3構(gòu)成電橋的一個(gè)臂，壓敏電阻z4和h4構(gòu)成電橋的一個(gè)臂。

這種電阻布置方式可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)x（或y、z）方向有加速度輸入時(shí)，x（或y、z）軸向的惠斯通電橋的壓敏電阻可以實(shí)現(xiàn)差分輸出，而其它軸向的惠斯通電橋的壓敏電阻的差分輸出為零，具有較小的軸間耦合度。

上述具有抗過載能力的壓阻式三軸加速度傳感器的制備方法，包括以下步驟：

a)、對(duì)soi片進(jìn)行氧化并刻蝕soi片device層有源區(qū)域中的氧化硅；

b)、刻蝕soi片的handle層中有源區(qū)域的氧化硅；

c）、從soi片的背面刻蝕硅到埋氧層形成質(zhì)量塊的位移空間；

d)、刻蝕掉一定厚度的質(zhì)量塊；

e)、從soi片的背面刻蝕質(zhì)量塊位移空間中soi的埋氧層；

f)、將soi片與硅片進(jìn)行硅硅鍵合；

g)、從soi片的正面進(jìn)行離子注入得到壓敏電阻；

h)、從soi的正面進(jìn)行離子注入形成歐姆接觸區(qū)域；

i)、對(duì)soi片進(jìn)行氧化，形成金屬引線與device層之的絕緣層；

j)、刻蝕出引線接觸孔；

k)、對(duì)soi片正面濺射金屬并圖形化得到引線和焊盤；

l)、從soi片正面刻蝕硅釋放梁；

m)、soi片正面陽極鍵合一已刻蝕出質(zhì)量塊位移空間的玻璃板。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的具有抗過載能力的壓阻式八梁三軸加速度傳感器，在制作過程中，soi片的device層刻蝕出梁結(jié)構(gòu)后，形成質(zhì)量塊和soi片的device層其余部分之間留有一定的間隙，相當(dāng)于在質(zhì)量塊四周布置了四個(gè)限位模塊，可以控制質(zhì)量在笛卡爾坐標(biāo)系中x方向和y方向的位移，達(dá)到抗過載的能力；蓋板可以控制質(zhì)量塊在笛卡爾坐標(biāo)系中z方向的位移，達(dá)到抗過載的能力。

本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝可行性高以及成本低的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1表示本發(fā)明傳感器的正面示意圖。

圖2表示圖1中虛線框部分的放大示意圖。

圖3表示壓敏電阻分布圖。

圖4表示soi氧化片。

圖5表示刻蝕soi片device層有源區(qū)域氧化硅。

圖6表示刻蝕soi片handle層有源區(qū)域氧化硅。

圖7表示刻蝕soi片handle層。

圖8表示質(zhì)量塊減薄。

圖9表示從背面刻蝕soi片的埋氧層。

圖10表示soi片與硅片鍵合。

圖11表示輕摻雜制作壓敏電阻。

圖12表示重?fù)诫s制作歐姆接觸區(qū)域。

圖13表示在soi片正面生長一層氧化硅。

圖14表示制作歐姆接觸孔。

圖15表示soi正面片濺射金屬及圖形化。

圖16表示從soi片正面刻蝕硅釋放梁。

圖17表示soi片正面鍵合蓋板。

圖中：1-質(zhì)量塊，2-矩形梁，3-壓敏電阻，4-金屬引線，5-焊盤，6-抗過載間隙。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。

一種具有抗過載能力的壓阻式三軸加速度傳感器，如圖1、2所示，包括基片，所述基片的中心刻蝕出質(zhì)量塊1和八個(gè)矩形梁2，所述質(zhì)量塊1上部邊緣四邊通過矩形梁2與基片一體連接，即質(zhì)量塊1右邊通過梁l1和梁l2與基片邊框連接、其上邊通過梁l3和梁l4與基片邊框連接、其左邊通過梁l5和梁l6與基片邊框連接、其下邊通過梁l7和梁l8與基片邊框連接；則，梁與梁之間、質(zhì)量塊邊緣與基片之間、梁與基片之間均留有抗過載間隙6。

如圖1所示，八個(gè)矩形梁的每個(gè)梁上分布有兩個(gè)壓敏電阻3，每個(gè)壓敏電阻3的兩端分別通過金屬引線4與位于基片邊緣的相應(yīng)焊盤5連接。

所述基片底面和頂面均鍵合有蓋板，所述質(zhì)量塊和蓋板之間留有抗過載間隙，即在制備步驟6中刻蝕質(zhì)量塊一定的厚度。

本發(fā)明通過限制質(zhì)量塊的移動(dòng)位移實(shí)現(xiàn)了三軸加速度傳感器在笛卡爾坐標(biāo)系中x、y和z三個(gè)方向的抗過載。在z方向通過蓋板限制質(zhì)量塊在z方向的位移實(shí)現(xiàn)加速度傳感器在z方向的抗過載能力；在x方向和y方向通過薄板限制質(zhì)量塊在x方向和y方向的位移實(shí)現(xiàn)加速度傳感器在x方向和y方向的抗過載能力。

如圖3所示，壓敏電阻在八個(gè)矩形梁上的分布如下：

梁l1的內(nèi)端（靠近質(zhì)量塊一端，下同）設(shè)有壓敏電阻x4、其外端（靠近邊框一端，下同）設(shè)有壓敏電阻h3；

梁l2的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻z1、其外端設(shè)有壓敏電阻x2；

梁l3的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻y4、其外端設(shè)有壓敏電阻z3；

梁l4的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻h1、其外端設(shè)有壓敏電阻y2；

梁l5的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻h4、其外端設(shè)有壓敏電阻x1；

梁l6的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻x3、其外端設(shè)有壓敏電阻z2；

梁l7的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻z4、其外端設(shè)有壓敏電阻y1；

梁l8的內(nèi)端設(shè)有壓敏電阻y3、其外端設(shè)有壓敏電阻h3。

其中，壓敏電阻x1、x2、x3、x4組成檢測笛卡爾坐標(biāo)系中x方向加速度的惠斯通電橋。

壓敏電阻標(biāo)y1、y2、y3、y4組成檢測笛卡爾坐標(biāo)系中y方向加速度的惠斯通電橋。

壓敏電阻z1、z2、z3、z4和壓敏電阻h1、h2、h3、h4組成檢測笛卡爾坐標(biāo)系中z方向加速度的惠斯通電橋，即壓敏電阻z1和h1構(gòu)成電橋的一個(gè)臂，壓敏電阻z2和h2構(gòu)成電橋的一個(gè)臂，壓敏電阻z3和h3構(gòu)成電橋的一個(gè)臂，壓敏電阻z4和h4構(gòu)成電橋的一個(gè)臂。

具體工藝實(shí)現(xiàn)包括以下步驟：

1)、備片：選擇4寸soi片（作為基片）和4英寸硅片、玻璃片（作為蓋板），soi片device層的厚度15μm，埋氧層的厚度為500nm，handle層的厚度為380μm，如圖4所示。

2）、對(duì)soi片進(jìn)行熱氧處理得到500nm的氧化層作為焊盤與soi片device層之間的絕緣層，如圖4所示。

3）、進(jìn)行第一次光刻，刻蝕soi片device層有源區(qū)域的氧化層，如圖5所示。

4）、進(jìn)行第二次光刻，刻蝕soi片handle層有源區(qū)域的氧化層，如圖6所示。

5）、進(jìn)行第三次光刻，刻蝕handle層得到質(zhì)量塊在笛卡爾坐標(biāo)系中x軸和y軸方向的位移空間，如圖7所示。

6）、去除光刻膠以氧化硅作掩膜刻蝕10μm的質(zhì)量塊厚度，如圖8所示，即質(zhì)量塊底面與蓋板之間的防過載間隙距離為10μm。

7）、刻蝕質(zhì)量塊位移空間中的soi片埋氧層，如圖9所示。

8）、將soi片與硅片進(jìn)行硅硅鍵合，如圖10所示。

9）、將鍵合片在1100℃下進(jìn)行退火處理。

10）、在soi片device層生長20nm的氧化層，本步驟的20nm氧化硅是進(jìn)入離子注入時(shí)使用的，避免離子直接轟擊硅產(chǎn)生晶格損傷，同時(shí)起到了避免溝道效應(yīng)的目的。

11）、進(jìn)行第一次離子注入得到壓敏電阻條，如圖11所示。

12）、進(jìn)行退火處理。

13）、進(jìn)行第二次離子注入得到歐姆接觸區(qū)域，如圖12所示。

14）、進(jìn)行退火處理。

15）、在soi片device層生長200nm的氧化層作為金屬引線與device層之間的絕緣層，如圖13所示。

16）、刻蝕氧化層及device層得到歐姆接觸孔，如圖14所示。

17）、在soi片device層濺射金屬并圖形化得到引線及焊盤，如圖15所示。

18）、刻蝕soi片device層釋放梁，如圖16所示。

19）、soi正面陽極鍵合一已刻蝕出質(zhì)量塊位移空間的玻璃板，如圖17所示。

以上僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，但并不局限于此。任何以本發(fā)明為基礎(chǔ)解決基本相同的技術(shù)問題，或?qū)崿F(xiàn)基本相同的技術(shù)效果，所作出地簡單變化、等同替換或者修飾等，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。