CN101173958A - 双向微惯性传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高分辨率的结构完全对称的双向微惯性传感器。本发明由玻璃衬底及其上的固定栅形条固定电极、固定在玻璃衬底上的四个硅锚点、悬在玻璃衬底上方的硅质量块组成的超高分辨率的结构完全对称的双向微惯性传感器；硅质量块主要包括8个X方向栅形条和8个Y方向上栅形条以及各个栅形模块相连的小矩形质量块、用于控制阻尼大小的阻尼梳齿、4个锚点和质量块相连的U形支撑梁、质量块和支撑梁相连的连接梁。本发明的结构在X－Y方向上性能完全一致，增大了测试信号电压提高了灵敏度和分辨率，检测电容极板间差分运动时空气阻尼表现为滑膜阻尼，从而降低了空气阻尼引起的布朗噪声。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械制造领域，特别涉及一种超高分辨率的结构完全对称的双向微惯性传感器，以及该传感器的制作加工方法。
背景技术
最近十几年来，用微机械技术制作的加速度计得到了迅速的发展。其主要的加速度检测技术有压阻检测、压电检测、热检测、共振检测、电磁检测、光检测、隧道电流检测和电容检测等。此外，还有一些基于别的检测技术的加速度计，如光加速度计、电磁加速度计、电容加速度计等。光加速度计的发展主要是为了结合光和微机械的优点，制作高电磁屏蔽或者好线性度的传感器。在这些传感器中，电容式加速度传感器，由于具有温度系数小，灵敏度高，稳定性好等优点，是目前研制得最多的一类加速度传感器。
微机械电容式传感器的制作方法有表面微机械加工方法和体硅微机械加工方法。采用表面微机械加工工艺可以和集成电路工艺兼容，从而集成传感器的外围电路，成本低，但是传感器的噪声大、稳定性差，量程和带宽小。采用体硅微机械加工工艺可以提高传感器芯片的质量，从而降低噪声，改善稳定性，提高灵敏度。缺点是体积稍大，但可以制作出超高进度的微机械惯性传感器。
为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂性，除采用增加电极面积和减小电极之间的间距来获得较高的等效电容的方法外，还可以通过增大测试信号电压的方法以减小电子噪声。而对于一般梳齿状的电容式传感器，测试信号电压增大产生的非线性静电力对传感器的线性度、量程等的影响变的很明显，从而影响了器件的性能。而双向(X-Y)敏感的惯性传感器有的采用两个单向器件惯性组合的方法，这种的方法组合时候容易产生误差；有的利用硅晶体的特性，加工倾斜面的支撑梁，从而达到双向敏感的目的，但是这种方式空气压膜阻尼噪声大，测试信号电压容易产生非线性。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种超高分辨率的结构完全对称的双向微惯性传感器，同时提供该传感器的制作方法。该双向微惯性传感器可以更加有效的测量X-Y方向上的微小加速度信号(或振动信号)。本发明可以通过调整测试信号电压来调整灵敏度和分辨率，并可以改变支撑量和质量块的尺寸来调整里程。
本发明的目的是通过下述技术方案具体实施的：双向微惯性传感器包括硅质量块、锚点、U形硅支撑梁、连接梁、玻璃衬底、铝电极、阻尼梳齿。当质量块敏感方向上加载加速度的时候，栅形条和衬底间的电容因叠加面积变化而变化，通过检测电容变化来检测所加载的加速度的大小。
所述的硅质量块通过四跟连接梁分别与四跟U形硅支撑梁相连，U形硅支撑梁与锚点固定连接；
所述的硅质量块上设置有用于X-Y方向敏感检测的栅形槽，并对称分布在X-Y敏感平面上；
所述的玻璃衬底上的铝电极为栅形，栅形铝电极组成检测模块，在X、Y方向上各设置有八个检测模块，各个检测模块间通过铝线连接；
所述的阻尼梳齿分布在硅质量块的边框四周，X方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接，Y方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接，根据精度的不同调整梳齿的个数和梳齿间的间距。
制作该双向微惯性传感器的具体步骤是：
(1)在玻璃衬底上通过蒸发或者溅射铝，并用光刻胶作为掩膜层，用浓磷酸溶液腐蚀铝，形成铝电极以及阻尼梳齿间的铝连接线；
(2)选取双面抛光的低电阻率的硅片，氧化后光刻形成传感器质量块的悬浮区域，并用氧化层作为掩膜层，用氢氧化钾溶液腐蚀硅片形成凹槽；
(3)硅片的有凹槽面和玻璃片键合，键合温度为T，键合电压为V，360℃≤T≤400℃，600v≤V≤1000v；
(4)用碱性溶液腐蚀硅片，根据腐蚀时间精确控制质量块的厚度；
(5)对硅片光刻形成质量块形状，并用厚光刻胶作为掩膜，用深反应离子刻蚀工艺在硅片上加工出传感器单元的形状；该工艺步骤精确的控制栅形槽、支撑梁的尺寸。
综上所述，根据本发明可以实现由玻璃衬底及其上的固定栅形条固定电极、固定在玻璃衬底上的四个硅锚点、悬在玻璃衬底上方的硅质量块组成的超高分辨率的结构完全对称的双向微惯性传感器；硅质量块主要包括8个X方向栅形条和8个Y方向上栅形条以及各个栅形模块相连的小矩形质量块、用于控制阻尼大小的阻尼梳齿、4个锚点和质量块相连的U形支撑梁、质量块和支撑梁相连的连接梁。
本发明基本构思是通过合理布置质量块的位置使其在X-Y方向上完全对称，来实现了X-Y方向上性能的对称，并在质量块上开栅形槽以和衬底上的电极组成差分检测电容。检测电容极板间的差动表现为滑膜阻尼特性，从而减小了布朗噪声，由于敏感方向在X-Y平面，而测试信号电压产生的非线性静电力在Z方向，从而可以通过增大测试电压来增加传感器的灵敏度，而不会降低传感器的线性度。另外，通过改变支撑梁的尺寸还可以改变传感器的量程和响应特性。
本发明提供的结构完全对称的双向微惯性传感器在X-Y方向上性能完全一致，增大了测试信号电压提高了灵敏度和分辨率，检测电容极板间差分运动时空气阻尼表现为滑膜阻尼，从而降低了空气阻尼引起的布朗噪声。本发明涉及的双向微惯性传感器结构新颖，分辨率和灵敏度高，制作工艺简单，有利于降低成本和提高成品率，是一种可以实际应用的双向微惯性传感器。
下面通过附图说明和实施例进一步阐明本发明实质性特点和显著进步，但本发明决非仅限于所介绍的实施例。
附图说明
图1为玻璃衬底上的栅形铝电极及其各个检测模块结构示意图；
图2为双向微机械惯性传感器的俯视结构示意图；
图中1为质量块的外部连接锚点，2为阻尼梳齿间的铝连接线，3为铝电极间的铝连接线，4、6、7为X方向差分检测右端电容的外部连接锚点，5为Y方向差分检测上端电容的外部连接锚点，8、11.为X方向差分检测左端电容的外部连接锚点，9、10为Y方向差分检测下端电容的外部连接锚点，12为X方向差分检测铝电极13.Y方向差分检测铝电极，14为双向传感器质量块的支撑锚点，15为U形硅支撑梁，16为阻尼梳齿，17为X方向质量块上的差分检测硅电极，18为硅质量块和U形硅支撑梁间的连接梁，19为Y方向质量上的差分检测硅电极。
图3为双向微机械惯性传感器制作工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例阐述本发明涉及的超高分辨率的结构完全对称的双向微惯性传感器及其制作方法的实质性特点和显著进步，但本发明决非仅限于所介绍的实施例。
本发明的实施例涉及一种双向微惯性传感器，结合附图1以及图2进行说明。如图1所示，在衬底上形成X、Y方向的差分检测电容电极12、13，可动质量块的外部连接锚点1，阻尼梳齿和质量块铝连接引线2，X、Y方向上各个连接电极间铝连接线3，X、Y方向的差分检测电极的外部连接锚点4～11。如图2所示，与质量块相连的锚点14键合在衬底上，质量块和外部锚点的连接通过铝连接线2实现，可动质量块通过U形弹性梁15和中间连接梁18和支撑锚点14相连，X、Y方向上的栅形硅电极17、19分别位于衬底金属电极对12、13的正上方，质量块上的可动栅形电极17、18上各个栅之间的距离相同，X、Y方向上的阻尼用阻尼梳齿16控制。
本实施例涉及的双向微惯性传感器的制作方法，参考图3所示的工艺流程图进行说明，主要包括以下工艺步骤：
a.低阻硅氧化后形成氧化硅掩膜层；
b.氢氟酸腐蚀氧化硅形成腐蚀悬浮窗口；
c.用二氧化硅作掩膜，用碱性溶液如氢氧化钾溶液腐蚀质量块的悬浮区域，从而形成差分电容间距；
d.用氢氟酸去除氧化硅；
e.选用热膨胀系数与硅相近的绝缘极板如Pyrex7740玻璃片作为衬底，并在该衬底上通过蒸发或者溅射形成铝材料的X、Y方向的检测栅形电极及其各外部连接锚点；
f.用酸性溶液如浓磷酸腐蚀铝电极；
g.采用温度380摄氏度，电压800V，阳极键合玻璃衬底和硅质量块；
h.用碱性溶液如氢氧化钾减薄硅至合适的厚度；
i.利用深反应离子刻蚀工艺(DRIE)刻蚀硅，形成悬浮在绝缘衬底上的可动质量块，固定在绝缘衬底上的的支撑锚点14，弹性梁15和中间连接梁18，X、Y方向上的等间距栅形条17、19，控制阻尼用阻尼梳齿16。
由以上工艺步骤制作出本发明涉及的双向微惯性传感器。结合图1和图2对传感器原理进行说明。用外部金丝球焊技术用金线把X方向惯性检测用的电极4、7相连，用XA描述，8、11相连，用XB描述，Y方向惯性检测用的电极5、10相连，用YA描述，6、9相连，用YB描述。在XA、XB、YA、YB上分别加载波信号，可动质量块通过锚点1连接至地。当在X方向上有加速度信号作用时，由于惯性力的作用，在X方向产生位移，从而引起由12、17组成的差分电容的叠加面积变化，进而引起电容变化，该变化电容和外部惯性信号的大小成线性关系，通过检测电容变化便可以得到X方向上加速度的大小。当在Y方向上有加速度信号作用时，惯性力引起Y方向位移，从而引起由13、19组成的差分电容的叠加面积变化，和X方向相同的原理可以得到Y方向上加速度信号的大小。本发明涉及的双向微传感器结构X、Y方向上完全对称，所以两个方向上性能完全相同。由于在XA、XB、YA、YB上所加载波信号的幅值电压越大，则传感器的灵敏度越大，电路噪声越小，而本发明结构中载波信号产生的静电力和敏感方向是垂直的，从而消除了静电力的影响，所以可以通过增大载波信号幅值来提高传感器灵敏度和分辨率。
如上所述，可动质量块和衬底电极间运动时阻尼表现微滑膜阻尼，而滑膜阻尼比压膜阻尼小的多，从而可以控制传感器的布朗噪声，而增大测试信号电压又降低了电子噪声。同时本发明采用微机械技术制作，工艺简单，有利于提高成品率和降低制造成本。
Claims (2)
1.双向微惯性传感器，包括硅质量块、锚点、U形硅支撑梁、连接梁、玻璃衬底、铝电极、阻尼梳齿，其特征在于：
所述的硅质量块通过四跟连接梁分别与四跟U形硅支撑梁相连，U形硅支撑梁与锚点固定连接；
所述的硅质量块上设置有用于X-Y方向敏感检测的栅形槽，并对称分布在X-Y敏感平面上；
所述的玻璃衬底上的铝电极为栅形，栅形铝电极组成检测模块，在X、Y方向上各设置有八个检测模块，各个检测模块间通过铝线连接；
所述的阻尼梳齿分布在硅质量块的边框四周，X方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接，Y方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接。
2.制作如权利要求1所述的双向微惯性传感器的方法，其特征在于该方法的具体步骤是：
(1)在玻璃衬底上通过蒸发或者溅射铝，并用光刻胶作为掩膜层，用浓磷酸溶液腐蚀铝，形成铝电极以及阻尼梳齿间的铝连接线；
(2)选取双面抛光的低电阻率的硅片，氧化后光刻形成传感器质量块的悬浮区域，并用氧化层作为掩膜层，用氢氧化钾溶液腐蚀硅片形成凹槽；
(3)硅片的有凹槽面和玻璃片键合，键合温度为T，键合电压为V，360℃≤T≤400℃，600v≤V≤1000v；
(4)用碱性溶液腐蚀硅片；
(5)对硅片光刻形成质量块形状，并用厚光刻胶作为掩膜，用深反应离子刻蚀工艺在硅片上加工出传感器单元的形状。
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