CN101303366A - 硅基带锁止功能的阈值可调加速度开关传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硅基带锁止功能的阈值可调加速度开关传感器及制作方法，其特征在于所述的加速度开关传感器是由绝缘衬底上的锚区和硅框架、单端固支在锚区的低阻硅悬臂梁、绝缘衬底上的金属静电驱动导电定极板、悬臂梁下表面上的绝缘介质层、介质层上金属接触电极、固定金属接触电极以及信号驱动/检测回路组成。提供的传感器驱动电压与阀值加速度间存在一定关系且具有锁止功能。同时利用金属桥路通断检测传感器工作状态的信号输出方式，使利用MEMS制作的加速度开关传感器具有结构简单、体积小、功耗低、导通电阻小、接口电路方便、输入、输出隔离性好等特点。

Description

硅基带锁止功能的阈值可调加速度开关传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种带锁止功能的阈值可调加速度开关传感器及制作方法，更确切的说，一种基于机电耦合原理设计的，具有可调阈值和锁止功能的硅基微机械(MEMS)加速度开关，特别是涉及一种集成电子加速度阈值开关。

背景技术

一般来说，加速度计是利用检测质量块或振动块来测量加速度。外部加速度对质量块发生作用，然后通过测量质量块的位移、质量块对框架的作用力或保持位置其不变所需的力(对后者，即有源加速度计，需要有一个闭环控制系统)来得出加速度值。直接或间接地从作用在质量块m上所产生的力或位移就可以测量出加速度。然而，测量力或位移有多种方法，包括应变计、电容计、表面声波器件、应变敏感谐振两、磁力计、光学探测计(干涉仪等)、隧道探测计等。

其中加速度阈值开关为机械式加速度开关，是根据机械原理来控制开关的打开与闭合。机械式加速度开关主要是通过弹性结构连接一个质量块，并将质量块作为一个敏感质量和可动电极。根据牛顿第一定律F＝ma，当所受的加速度a达到一个预定阈值时，质量块受力F作用，克服弹性恢复力，发生位移达到一个预设位置，并与一个定电极接触，从而触发电信号，导通电路使开关工作。这种加速度阈值开关可以在单片上构建加速度计阵列，有着许多好处，包括增加动态范围和冗余。在阵列中，通过使给定时间内使测量加速度计处在最佳两层范围(即非线性很小的范围)，就可以增加测试的动态范围。使用加速度计的阵列并保证测试范围相邻的加速度计之间具有重复测试区，就可以使测试的加速度计总处于最佳范围，从而提供一个动态范围比单个加速度计更大的加速度计。但是这种开关对于工艺容差要求严格，精度较低，阈值范围局限在低频信号或缓变加速度范围内，测量能力和环境适应能力较弱，容易造成开关失灵或误操作。且此类开关由于测量阈值单一，难以实现智能化集成等缺点。

发明内容

本发明提供一种硅基带锁止功能的阈值可调加速度开关传感器及制作方法，提供的加速度传感器是基于机电耦Pull-in原理的MEMS加速度开关设计原理，以克服现有的现有技术不足。基本思想是利用静电力和惯性力、弹性力之间的耦合作用，通过控制电压来实现对信号加速度开关的闭合阈值的控制，使加速度开关具有阈值可调功能。并且基于这个原理的开关还具有锁定功能，即是冲击过程完成后，开关仍可以利用静电力长时间保持在闭合状态直至重新驱动电压降到足够小的幅值，相应提高了开关可靠性，并使开关具有开关逻辑功能。

本发明所提涉及的原理进一步描述如下：

在图1所示系统中，3为可动导电极板，质量为m，面积为A。可动导电极板3通过电绝缘的弹性结构4与固定的硅框架1形成机械连接，其中弹性结构弹性系数为k。恒压源通过导电回路5连接导电极板3和固定的导电定极板2，在极板间形成压降V的电势差。可动导电极板3和导电定极板2之间的空气阻尼作用等效为阻尼系数b的可变阻尼器，其中阻尼系数b随极板间隙d的减小而增大。在向下的惯性加速度a作用下，可动导电极板3受到向下的静电力F_e和惯性力F_i共同作用，克服弹性回复力F_k，产生位移，向导电定极板2靠近。电势差V一定，当加速度a大到超过一个定值时，可动导电极板3会在静电力F_e和惯性力F_i共同作用下摆脱弹性回复力F_k约束，与导电定极板2贴合即发生Pull-in，从而闭合开关。

作为开关的可导电动、极板3的运动方程为：

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+b\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{kx}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{2{(d-x)}^2}{V}^2+\mathrm{ma}\left(t\right)---\left(1\right)$

经归一化表示为

$\frac{m}{k}\frac{d^2\stackrel{\‾}{x}}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{b}{k}\frac{d\stackrel{\‾}{x}}{\mathrm{dt}}+\stackrel{\‾}{x}=\frac{4}{27(1-{\stackrel{\‾}{x}}^2)}{v}^2+\stackrel{\‾}{a}\left(t\right)---\left(2\right)$

其中 $\stackrel{\‾}{x}=\frac{x}{d_0},$ $v=\frac{V}{V_{\mathrm{pi}}},$ $\stackrel{\‾}{a}=\frac{\mathrm{ma}}{\mathrm{kd}},$ $V_{\mathrm{pi}}=\sqrt{\frac{8k{d_0}^3}{27{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}}$ 是Pull-in电压，d₀极板初始间距，ε₀为极板间介质的介电常数。

通过(2)式，可以解得加速度阈值与驱动电压间的函数关系；依状态不同分为：

1、准静态、低频加速度条件下，归一化加速度阈值和归一化驱动电压关系为：

${\stackrel{\‾}{a}}_{\mathrm{th}}=1-v^{\frac{2}{3}}---\left(3\right)$

式中，a_th为归一化加速度阀值，v为归一化驱动电压。

2.阶跃加速度条件下，归一化加速度阈值和归一化驱动电压关系如下：

${\stackrel{\‾}{a}}_{\mathrm{th}}=\frac{1}{2}({\stackrel{\‾}{x}}_m+{\stackrel{\‾}{x}}_0)-\frac{4}{27}\frac{v^2}{(1-{\stackrel{\‾}{x}}_m)(1-{\stackrel{\‾}{x}}_0)}---\left(4\right)$

其中 ${\stackrel{\‾}{x}}_m=1-\sqrt{\frac{8}{27(1-{\stackrel{\‾}{x}}_0)}{v}^2}$ 是可动导电极板稳定状态所能达到最大位移，x₀是施加归一化驱动电压v时导电动极板的自由位置位移。

式(3)(4)以及图2示出阈值加速度和驱动电压之间的一一对应关系；由此可见控制驱动电压即可控制可测阈值加速度。

诚然，开关其他的加速度输入条件下的响应也可以同样通过数值解析给出。

此外，当可动导电极板3与导电定极板2贴合后，从静电力 $F_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{2{(d_0-x)}^2}{V}^2$ 可以看出，当(d₀-x)→0，F_e→∞，即使惯性力消失，弹性力仍不能克服静电力使可动导电极板3回复自由平衡状态，使开关具有锁止功能。

为此，基于以上分析本发明设计了一种硅基冲击加速度阈值开关，如图3所示。其工作原理：首先驱动电压使悬臂梁产生初始形变，向下弯曲一定程度。当承受向下的加速度时，悬臂梁进一步发生形变。如果输入加速度足够超过由驱动电压决定的幅值，悬臂梁会发生吸合，与固定的极板贴合。其中悬臂梁的末端的金属电极会与其下的金属电极发生接触，接通电学回路产生电信号，完成关闭开关动作。

依图3所示，本发明提供一种悬臂梁型阈值可调加速度开关，其结构特征包括绝缘衬底上的锚区和硅框架6、单端固支在锚区的低阻硅悬臂梁7、绝缘衬底上的金属静电驱动导电定极板8、悬臂梁下表面上的绝缘介质层9、介质层上金属接触电极10、固定金属接触电极11以及信号驱动/检测回路12。其中，悬臂梁作为可动导电极板和弹性结构，同时也作为检测惯性加速度的惯性质量块；检测两个固定金属接触电极间的电信号导通与否，作为判断悬臂梁下表面上的金属接触电极与固定金属接触电极接触与否，也即是判断吸合与否的根据。

本发明所述的开关传感器制作步骤是：

(a)在低阻SOI硅片正面腐蚀出5μm-10μm深度的硅阱，作为可动结构的活动间隙；

(b)在步骤(a)的硅阱内形成悬臂梁结构，在SOI掩埋层处停止；

(c)在悬臂梁正面沉积介质绝缘层，作为开关闭合状态时的电介质绝缘层，接着在梁末端的绝缘层上沉积金属层，形成接触电极，同时在玻璃上沉积金属层，形成驱动极板、固定接触电极以及芯片走线；

(d)将步骤(c)的硅片与玻璃片对准键合；

(f)将步骤(d)键合后的SOI硅片进行背面减薄，减薄直至到介质掩埋层，然后去除介质绝缘层，完成悬臂梁释放。。

步骤(a)中所述低阻SOI硅片的电阻率为0.001-0.002Ωcm。

综上所述，本发明基于机电耦合的Pull-in原理设计的一种带锁止功能的加速度阈值可调MEMS开关。控制传感与驱动电压即可实现器件测量阀值可调的功能同时具有锁止功能，除具有加速度阈值可调和锁止功能外，还利用金属桥路通断检测传感器工作状态的信号输出方式，使传感器具有导通电阻小、工艺容差性好、输入/输出隔离性好、接口电路简单便于与数字逻辑系统集成等特点，同时利用微加工技术制作的这种开关具有体积小、低功耗、结构较为简单等特点，便于组成阵列与数字逻辑系统集成构成惯性测量逻辑微系统。

附图说明

图1是本发明涉及的机电耦合系统集总模型。其中3为可动导电极板，质量为m，面积为A。4是弹性结构与固导电定极板1形成机械连接，其中弹性结构弹性系数为k。导电动极板3和固定导电极板2通过电学回路5与恒压源连接，极板间压降V。极板间空气阻尼作用等效为阻尼系数b的可变阻尼器，其中b随极板间隙(d₀-x)变化。

图2依式(3)和(4)给出在准静态/低频加速度输入条件、阶跃加速度输入条件下的归一化阈值加速度与归一化吸合电压的关系曲线

图3为本发明提供涉及的加速度开关结构局部视图

a.开关结构俯视图；

b.A-A’剖面图，示出开关结构；

c.B-B’剖面图，示出开关末端接触电极相互关系

图4是本发明涉及的加速度开关具体工艺流程图。其中，a)硅片正面腐蚀出硅阱，b)形成悬臂梁和驱动极板的结构，c)硅片和玻璃片对准键合，d)悬臂梁释放

具体实施方式

如发明内容所述的硅基冲击加速度阈值开关，其工艺过程如下：

a.在电阻率0.001Ωcm²的SOI硅片正面腐蚀出5um的硅阱，作为可动结构的活动间隙，如图4.a所示；

b.在步骤a的硅阱内形成悬臂梁结构，在SOI掩埋层停止，如图4.b所示；

c.在悬臂梁正面沉积介质绝缘层，作为开关闭合状态时的电介质绝缘层，接着在梁末端的绝缘层上沉积金属层，形成接触电极，同时在玻璃上沉积金属层，形成驱动极板、固定接触电极以及芯片走线，如图4.b所示；

d.将步骤c的硅片与玻璃片对准键合，如图4.c所示；；

f.将步骤d键合后的SOI硅片进行背面减薄，直至到介质掩埋层，然后去除介质绝缘层，完成悬臂梁释放，如图4.d所示。

所形成的加速度开关传感器如图3(a、b和c)所示，其中包括绝缘衬底上的锚区和硅框架6、单端固支在锚区的低阻硅悬臂梁7、绝缘衬底上的金属静电驱动导电定极板8、悬臂梁下表面上的绝缘介质层9、介质层上金属接触电极10、固定金属接触电极11以及信号驱动/检测回路12。

Claims (4)

1、一种硅基带锁止功能的阈值可调加速度开关传感器，其特征在于所述的加速度开关传感器是由绝缘衬底上的锚区和硅框架、单端固支在锚区的低阻硅悬臂梁、绝缘衬底上的金属静电驱动导电定极板、悬臂梁下表面上的绝缘介质层、介质层上金属接触电极、固定金属接触电极以及信号驱动/检测回路组成；所述传感器的驱动电压与阀值加速度之间关系依不同类型的关系式为：

i).准静态、低频加速度条件下，归一化加速度和归一化驱动电压关系符合关系式

${\stackrel{\‾}{a}}_{\mathrm{th}}=1-v^{\frac{2}{3}};$

ii).阶跃加速度条件下，归一化加速度和归一化驱动电压关系符合关系式

${\stackrel{\‾}{a}}_{\mathrm{th}}=\frac{1}{2}({\stackrel{\‾}{x}}_m+{\stackrel{\‾}{x}}_0)-\frac{4}{27}\frac{v^2}{(1-{\stackrel{\‾}{x}}_m)(1-{\stackrel{\‾}{x}}_0)}.$

式中a_th为归一化加速度，v为归一化驱动电压， ${\stackrel{\‾}{x}}_m=1-\sqrt{\frac{8}{27(1-{\stackrel{\‾}{x}}_0)}{v}^2},$ 为可动导电极板稳定状态所能达到最大位移，x₀为施加归一化驱动电压v时导电动板的自由位置的位移。

2、按权利要求1所述的硅基带锁止功能的阈值可调加速度开关传感器，其特征在于所述的加速度开关传感器组成形状陈列，结合相应的数字逻辑系统集成构成惯性测量逻辑微系统。

3、制作如权利要求1所述的硅基带锁止功能的阈值可调加速度开关传感器的方法，其特征在于制作步骤是：

(a)在低阻SOI硅片正面腐蚀出5μm-10μm深度的硅阱，作为可动结构的活动间隙；

(b)在步骤(a)的硅阱内形成悬臂梁结构，在SOI掩埋层处停止；

(c)在悬臂梁正面沉积介质绝缘层，作为开关闭合状态时的电介质绝缘层，接着在梁末端的绝缘层上沉积金属层，形成接触电极，同时在玻璃上沉积金属层，形成驱动极板、固定接触电极以及芯片走线；

(d)将步骤(c)的硅片与玻璃片对准键合；

(f)将步骤(d)键合后的SOI硅片进行背面减薄，减薄直至到介质掩埋层，然后去除介质绝缘层，完成悬臂梁释放。

4、按权利要求3所述的硅基带锁止功能的阈值可调加速度开关传感器的制作方法，其特征在于步骤(a)中所述低阻SOI硅片的电阻率为0.001-0.002Ωcm。

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