CN107817364B - 一种mems直拉直压式两轴加速度计芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片及其制备方法，加速度计芯片采用SOI硅片制造，由四个相同的传感器子单元绕芯片中心旋转布置而成，每个子单元包括质量块、支撑梁、敏感梁、铰链梁、导线和焊盘，质量块通过支撑梁与芯片外框连接，两质量块通过铰链梁连接，两根敏感梁对称分布于铰链梁两侧，导线与焊盘连接组成半开环惠斯通全桥电路；芯片外框键合于底层玻璃板上。一组传感器子单元为一组测量x方向的加速度，另一组测量y方向的加速度。该加速度计芯片能够实现100g以下两轴加速度的分离测量，其固有频率大于25kHz，在无放大条件下灵敏度大于0.9mV/g/3V，具有良好的性能。
Description
技术领域
本发明属于微机械电子传感器计量领域，具体涉及一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片及其制备方法。
背景技术
MEMS加速度传感器的产量是仅次于压力传感器的力学测量传感器，是目前应用比较多的MEMS器件之一。MEMS压阻式加速度传感器结构简单，外形小巧，性能优越，尤其适用低频加速度的测量。它除了在航天方面用于飞行器风洞试验和飞行试验等多种过载与振动参数测量外，在工业方面可用于发动机试车台各阶段振动参数的测试。
MEMS压阻式加速度传感器的原理和传统的应变片式加速度传感器很相似，它们都是靠惯性质量使悬臂产生应变，再由压阻将应变转换成电信号。不同之处是压阻式加速度传感器的敏感元件包括惯性质量、悬臂和压阻电阻条等，完全由微加工技术加工单晶硅片制成。
加速度传感器的灵敏度与工作带宽始终是其最主要工作指标，因此在设计过程中常将这两个参数作为优化目标来设计加速度传感器结构。而固有频率与灵敏度之间存在相互制约关系，从而影响了加速度传感器的进一步提高。在加速度传感器的设计中，弱化加速度传感器灵敏度和固有频率的相互制约关系，同时得到灵敏度和固有频率的最优值显得尤为重要。
发明内容
本发明为了提高压阻式传感器的灵敏度和谐振频率，提出了一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片及其制备方法，该加速度计芯片将支撑元件与敏感元件分离，支撑梁支撑质量块运动，而应力主要集中于敏感梁，使得敏感梁上的压敏电阻条阻值发生变化，两者各司其职，极大地弱化了灵敏度与谐振频率之间的直接耦合关系；同时由于两质量块的同步运动，与其固定的敏感梁两端也同步运动，从而敏感梁始终满足直拉直压条件，在相同谐振频率下，传感器的灵敏度达到最优，使得该加速度计芯片具有良好的测量两个方向加速度的性能指标。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片，包括芯片外框，芯片外框内设置有两组传感器子单元，分别为第一组传感器子单元和第二组传感器子单元，第一组传感器子单元用于测量一个方向的加速度，第二组传感器子单元用于测量与第一组传感器子单元测量方向垂直的方向上的加速度；
每个传感器子单元包括第一质量块、第二质量块、第一支撑梁、第二支撑梁、铰链梁、敏感梁以及导线；
第一质量块与第二质量块之间通过铰链梁连接，第一质量块与第二质量块分别通过第一支撑梁和第二支撑梁与芯片外框连接，第一质量块、第二质量块、第一支撑梁、第二支撑梁和铰链梁同轴设置；
第一质量块与第二质量块之间设置至少两个敏感梁，所有敏感梁对称设置在铰链梁的两侧，敏感梁的两端分别与第一质量块与第二质量块连接；
敏感梁具有压敏电阻条，对称的两个敏感梁通过导线链接并形成半开环惠斯通全桥电路。
第一质量块与第二质量块形状和大小相同，第一质量块与第二质量块同轴，沿轴向在相邻和远离的位置均开设有凹槽；铰链梁设置在第一质量块与第二质量块相邻的凹槽处，铰链梁的两端分别与凹槽底部的中部连接；第一支撑梁的一端与第一质量块另一端的凹槽底部的中部连接，另一端与芯片外框连接，第二支撑梁的一端与第二质量块另一端的凹槽底部的中部连接，另一端与芯片外框连接。
每组传感器子单元分别设置两个传感器子单元，每组传感器子单元的两个传感器子单元关于芯片外框的中心中心对称。
芯片外框、第一质量块和第二质量块的外形均为矩形。
芯片外框的背面连接有玻璃板，传感器子单元的背面与玻璃板之间具有间隙。
玻璃板的正面除芯片外框对应的区域外均设有防静电吸附层。
芯片外框、第一质量块、第二质量块、第一支撑梁、第二支撑梁和铰链梁、敏感梁通过N型(100)晶面的SOI硅片制备而成。
所述芯片外框的尺寸为：长×宽＝4200μm×4200μm；第一支撑梁和第二支撑梁的尺寸均为：长×宽×厚＝300μm×50μm×510μm；铰链梁的尺寸为长×宽×厚＝600μm×20μm×510μm；敏感梁的尺寸为：长×宽×厚＝70μm×5μm×5μm；第一质量块和第二质量块的尺寸均为：长×宽×厚＝1200μm×800μm×510μm；导线的宽度为：20μm。
一种制备MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片的方法，包括如下步骤：
步骤1，对SOI硅片进行双面氧化，使SOI硅片的正面和背面均生成热氧二氧化硅层；
步骤2，在步骤1处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉敏感梁对应区域的热氧二氧化硅层，露出SOI硅片的器件层，然后再在露出的器件层上进行硼离子轻掺杂，硼离子轻掺杂区域作为敏感梁的压敏电阻条；
步骤3，再在步骤2处理完成的SOI硅片正面制作一层沉积二氧化硅层；
步骤4，再在步骤3处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，在敏感梁两端对应位置刻蚀掉热氧二氧化硅层和沉积二氧化硅层，露出SOI硅片的器件层，然后再在露出的器件层上进行硼离子重掺杂，得到欧姆接触区；
步骤5，再在步骤4处理完成的SOI硅片正面沉积一层导电金属层，然后对导电金属层进行刻蚀并形成导线和导线对应的焊盘；
步骤6，再在步骤5处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，直至刻蚀至SOI硅片的埋氧层的正面，以释放出芯片外框和传感器子单元处于埋氧层的正面以上的部位；
步骤7，再对SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出芯片外框和传感器子单元处于埋氧层的背面以下的部位，并将敏感梁处于埋氧层的背面以下的部位刻蚀掉；
步骤8，再将步骤7处理完成的SOI硅片上芯片外框和传感器子单元以外区域对应的埋氧层刻蚀掉。
所述步骤7中，对SOI硅片的背面进行刻蚀时，先刻蚀掉芯片外框和传感器子单元对应区域以外的热氧二氧化硅层，露出SOI硅片的衬底硅，再对衬底硅刻蚀一定深度，使刻蚀区域的表面低于外框的背面；
再在SOI硅片的背面制作一层氮化硅层；
然后再在SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出芯片外框和传感器子单元处于埋氧层的背面以下的部位并将敏感梁处于埋氧层的背面以下的部位刻蚀掉；
再进行步骤8；
再进行步骤9，步骤9的过程如下：
先对步骤处理完成的SOI硅片的背面进行刻蚀，刻蚀掉SOI硅片背面的氮化硅层和热氧二氧化硅层，露出SOI硅片背面的衬底硅；
再将正面设置有防静电吸附层的玻璃板的正面与SOI硅片背面的衬底硅进行阳极键合，SOI硅片背面的衬底硅上与玻璃板阳极键合的区域为外框对应的区域，玻璃板上除芯片外框阳极键合以外的区域均设置防静电吸附层。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的加速度计芯片在芯片外框内设置有两组传感器子单元，第一组传感器子单元用于测量一个方向的加速度，第二组传感器子单元用于测量与第一组传感器子单元测量方向垂直的方向上的加速度，因此能够实现两轴加速度的分离测量；
每个传感器子单元包括第一质量块和第二质量块，第一质量块与第二质量块之间通过铰链梁连接，第一质量块与第二质量块分别通过第一支撑梁和第二支撑梁与芯片外框连接，第一质量块与第二质量块之间设置至少两个敏感梁，所有敏感梁对称设置在铰链梁的两侧，因此，本发明的加速度计芯片结构将支撑元件(铰链梁、第一支撑梁和第二支撑梁)与敏感元件(敏感梁)分离，第一、第二支撑梁和铰链梁主要作用是支撑第一、第二质量块运动，而应力主要集中于敏感梁，使得敏感梁上的压敏电阻条阻值发生变化，极大地弱化了加速度计芯片的灵敏度与谐振频率的相互制约关系，使得加速度计芯片的灵敏度和谐振频率都有了很大提高，提高了传感器的性能；第一、第二质量块在受到加速度时会同步运动，使得与第一、第二质量块固定的敏感梁两端在任何时刻的运动相同，从而敏感梁始终满足直拉直压的条件，提高了传感器的灵敏度；由于敏感梁始终满足直拉直压条件，故能够通过仿真来找出使加速度计芯片综合性能最优的敏感梁的位置；通过设置多组敏感梁，能够满足不同的传感器性能要求。
进一步的，本发明的加速度计芯片采用SOI硅片制作，使得各种结构的厚度尺寸能够得到精确的控制，同时保证本加速度计芯片具有低噪声、高精度等优点。
本发明的制备方法通过SOI硅片来制备面内MEMS压阻式两轴加速度计芯片，因此能够减小寄生电容，降低传感器芯片的功耗，还能够减少加工步骤；通过对SOI硅片进行双面氧化，使生成热氧二氧化硅层能够充当掩膜，通过硼离子轻掺杂能够形成加速度计芯片敏感梁的压敏电阻条，通过硼离子重掺杂能够形成压敏电阻条与导线之间的欧姆接触区，因此使得本发明的压敏电阻条与导线之间接触可靠，保证了加速度计芯片测量的准确性。
进一步的，对SOI硅片的背面进行刻蚀时，先刻蚀掉芯片外框和传感器子单元对应区域以外的热氧二氧化硅层，露出SOI硅片的衬底硅，再对衬底硅刻蚀一定深度，使刻蚀区域的表面低于外框的背面，而且通过将加速度计芯片的芯片外框在衬底硅对应区域与玻璃板进行阳极键合，使加速度计芯片封装于玻璃板上，由于对衬底硅刻蚀了一定深度，刻蚀区域的表面低于芯片外框的背面，因此使得敏感梁、第一外支撑梁、第二外支撑梁、铰链梁和质量块与玻璃板之间存在运动间隙，保证了敏感梁、第一外支撑梁、第二外支撑梁、铰链梁和质量块的正常工作；并且在玻璃板上除与芯片外框阳极键合以外的区域均设置防静电吸附层，能够防止静电吸附。
附图说明
图1为本发明的加速度计芯片的整体结构示意图；
图2为图1中的A部放大示意图；
图3为图1中的B部(传感器子单元)放大示意图；
图4为本发明的加速度计芯片受X方向加速度时的工作原理图；
图5为本发明的加速度计芯片受Y方向加速度时的工作原理图；
图6为本发明加速度计芯片的制备工艺流程示意图。
图中，1-芯片外框，2-质量块，2-1-第一质量块，2-2-第二质量块，2-3-凹槽，3-1-第一支撑梁，3-2-第二支撑梁，4-铰链梁，5-敏感梁，6-导线，7-焊盘，8-热氧二氧化硅层，9-器件层，10-埋氧层，11-衬底硅，12-硼离子轻掺杂区，13-沉积二氧化硅层，14-欧姆接触区，15-运动间隙区域，17-氮化硅层，18-玻璃板，19-防静电吸附层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。
如图1至图3所示，本发明的MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片，包括芯片外框1，芯片外框1内设置有两组传感器子单元，分别为第一组传感器子单元和第二组传感器子单元，第一组传感器子单元用于测量一个方向的加速度，第二组传感器子单元用于测量与第一组传感器子单元测量方向垂直的方向上的加速度，每组传感器子单元分别设置两个传感器子单元，每组传感器子单元的两个传感器子单元关于芯片外框1的中心中心对称；
如图2，每个传感器子单元包括第一质量块2-1、第二质量块2-2、第一支撑梁3-1、第二支撑梁3-2、铰链梁4、敏感梁5以及导线，
第一质量块2-1与第二质量块2-2之间通过铰链梁4连接，第一质量块2-1与第二质量块2-2分别通过第一支撑梁3-1和第二支撑梁3-2与芯片外框1连接，第一质量块2-1、第二质量块2-2、第一支撑梁3-1、第二支撑梁3-2和铰链梁4同轴设置；
第一质量块2-1与第二质量块2-2之间设置至少两个敏感梁5，所有敏感梁5对称设置在铰链梁4的两侧，敏感梁5的两端分别与第一质量块2-1与第二质量块2-2连接；
敏感梁5具有压敏电阻条，对称的两个敏感梁5通过导线链接并形成半开环惠斯通全桥电路；
芯片外框1的背面连接有玻璃板18，传感器子单元的背面与玻璃板18之间具有间隙，玻璃板18的正面除芯片外框1对应的区域外均设有防静电吸附层19。
第一质量块2-1与第二质量块2-2形状和大小相同，第一质量块2-1与第二质量块2-2同轴，沿轴向在相邻和远离的位置均开设有凹槽；铰链梁4设置在第一质量块2-1与第二质量块2-2相邻的凹槽处，铰链梁4的两端分别与凹槽底部的中部连接；第一支撑梁3-1的一端与第一质量块2-1另一端的凹槽底部的中部连接，另一端与芯片外框1连接，第二支撑梁3-2的一端与第二质量块2-2另一端的凹槽底部的中部连接，另一端与芯片外框1连接。
进一步的，本发明的芯片外框1、第一质量块2-1和第二质量块2-2的外形均为矩形；芯片外框1、第一质量块2-1、第二质量块2-2、第一支撑梁3-1、第二支撑梁3-2和铰链梁4、敏感梁5通过N型(100)晶面的SOI硅片制备而成。
结合图6，制备本发明的MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片的方法，包括如下步骤：
步骤1，对SOI硅片进行双面氧化，使SOI硅片的正面和背面均生成热氧二氧化硅层8；
步骤2，在步骤1处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉敏感梁5对应区域的热氧二氧化硅层8，露出SOI硅片的器件层9，然后再在露出的器件层9上进行硼离子轻掺杂，硼离子轻掺杂区12作为敏感梁5的压敏电阻条；
步骤3，再在步骤2处理完成的SOI硅片正面制作一层沉积二氧化硅层13；
步骤4，再在步骤3处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，在硼离子轻掺杂区12两端对应位置刻蚀掉热氧二氧化硅层8和沉积二氧化硅层13，露出SOI硅片的器件层9，然后再在露出的器件层9上进行硼离子重掺杂，得到欧姆接触区14；
步骤5，再在步骤4处理完成的SOI硅片正面沉积一层导电金属层，然后对导电金属层进行刻蚀并形成导线6和导线对应的焊盘7；
步骤6，再在步骤5处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，直至刻蚀至SOI硅片的埋氧层10的正面，以释放出芯片外框1和传感器子单元处于埋氧层10的正面以上的部位；
步骤7，再对SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出芯片外框1和传感器子单元处于埋氧层10的背面以下的部位，并将敏感梁5处于埋氧层10的背面以下的部位刻蚀掉；
步骤8，再将步骤7处理完成的SOI硅片上芯片外框1和传感器子单元以外区域对应的埋氧层10刻蚀掉。
当需要将加速度计芯片固定于玻璃片上时，在步骤7中，对SOI硅片的背面进行刻蚀时，先刻蚀掉芯片外框1和传感器子单元对应区域以外的热氧二氧化硅层8，露出SOI硅片的衬底硅11，再对衬底硅11刻蚀一定深度，使刻蚀区域的表面低于外框1的背面；
再在SOI硅片的背面制作一层氮化硅层17；
然后再在SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出芯片外框1和传感器子单元处于埋氧层10的背面以下的部位，并将敏感梁5处于埋氧层10的背面以下的部位刻蚀掉；
再进行步骤8；
再进行步骤9，步骤9的过程如下：
先对步骤8处理完成的SOI硅片的背面进行刻蚀，刻蚀掉SOI硅片背面的氮化硅层17和热氧二氧化硅层8，露出SOI硅片背面的衬底硅11；
再将正面设置有防静电吸附层19的玻璃板18的正面与SOI硅片背面的衬底硅11进行阳极键合，SOI硅片背面的衬底硅11上与玻璃板18阳极键合的区域为外框对应的区域，玻璃板18上除芯片外框1阳极键合以外的区域均设置防静电吸附层19。
实施例
作为本发明的优选实施例，本实施例的加速度计芯片采用SOI(Silicon onInsulator)硅片制成：整个结构由四个相同的传感器子单元围绕加速度计芯片中心旋转阵列而成，两个同向的传感器单元为一组，测量垂直于该方向的面内加速度。芯片外框1通过键合工艺固定于底层的玻璃板18上。第一、第二两质量块之间间隔的距离为敏感梁5的长度；敏感梁5设置两根，并对称分布于铰链梁4两侧，其两端分别固定于第一、第二两质量块的一端。
制备本实施例的面内MEMS压阻式两轴加速度计芯片的工艺，包括以下步骤，结合图6：
步骤1，使用N型(100)晶面双面抛光SOI硅片，SOI硅片的器件层9的电阻率为3Ω·cm，厚度为5μm，埋氧层10的厚度为1μm，衬底硅11的厚度为504μm，SOI硅片总厚度为510μm；玻璃板18为Pyrex7740玻璃，厚度为500μm；在制备前，先使用HF酸溶液清洗SOI硅片，再在900℃-1200℃下进行双面氧化，使SOI硅片的背面和正面生成热氧二氧化硅层8；
步骤2，第一次光刻使正面热氧二氧化硅层8图案化，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺去除敏感梁5对应区域的二氧化硅层，其余区域的热氧二氧化硅层8充当掩模，然后进行硼离子轻掺杂，掺杂深度为1.5μm，形成硼离子轻掺杂区12，硼离子轻掺杂区12作为敏感梁5的压敏电阻条，该区域方块电阻为200～250Ω/□。再进行再分布的阱推扩散退火过程，以保证硼离子轻掺杂区12的杂质浓度均匀分布；
步骤3，再在硼离子轻掺杂区12两端对应区域使用等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺形成一层1μm厚的淀积二氧化硅层13，淀积二氧化硅层13用于保护硼离子轻掺杂区12在接下来的重掺杂步骤中不受影响；
步骤4，第二次光刻和反应离子蚀刻(RIE)工艺实现淀积二氧化硅层13图案化，去除敏感梁5两端对应位置的淀积二氧化硅层13和热氧二氧化硅层8，其余区域的淀积二氧化硅层13充当掩模，然后进行硼离子重掺杂，掺杂深度为1.5μm，使得该区域方块电阻为<10Ω/□，形成低阻值的欧姆接触区14，再进行再分布扩散退火过程，使得欧姆接触区14的杂质浓度均匀分布，以保证导线6与敏感梁5上的轻掺杂区12之间形成稳定接触；
步骤5，在SOI片正面整个表面物理气相沉积(PVD)Ti/Al层，Ti的厚度Al的厚度然后利用金属焊盘及导线版刻蚀除金属导线外其它区域的金属层，形成导线6和焊盘7结构，并在500℃条件下进行30分钟合金化过程。
步骤6，第三次光刻，在SOI片正面光刻正面刻蚀区域，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺去除正面芯片外框1和传感器子单元处于埋氧层10的正面以上的部位的所有二氧化硅层，然后利用感应耦合等离子(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀技术刻蚀至埋氧层10自停止，形成芯片外框1和传感器子单元的整体结构；
步骤7，第四次光刻和反应离子蚀刻(RIE)工艺去除SOI片背面运动间隙区域15内的热氧二氧化硅层8，其余区域的热氧二氧化硅层8充当掩膜，运动间隙区域15为芯片外框1以外的区域，运动间隙区域15的表面低于SOI硅片背面的，运动间隙区域15用于使加速度计芯片固定在玻璃片18上后，传感器子单元与玻璃片18的正面之间具有可自由运动的间隙，然后在SOI硅片的衬底硅11上通过ICP刻蚀技术制备出6μm深的空隙，以保证加速度计芯片在工作状态下正常运动；
步骤8，再在SOI片背面使用PECVD工艺形成一层1μm厚的氮化硅层17，氮化硅层17作为接下来背面刻蚀的掩膜层；
步骤9，第五次光刻，在SOI片光刻背面进行刻蚀，使用RIE工艺刻蚀掉SOI硅片背面的氮化硅层17和热氧二氧化硅层8，刻蚀的区域为芯片外框1和传感器子单元对应的区域，露出SOI硅片背面的衬底硅11，在接下来的刻蚀步骤中为了保证所成型的传感器子单元中的质量块、支撑梁、铰链梁和敏感梁具有良好的边沿垂直度和深宽比，本实施例利用深反应离子刻蚀技术(Deep Reactive Ion Etching,DRIE)进行刻蚀，直至刻蚀至埋氧层10自停止，刻蚀时，将敏感梁5处于埋氧层10的背面以下的部位刻蚀掉；
步骤10，将已刻蚀完成的SOI片正面利用光刻胶进行保护，然后利用缓冲液HF从背面刻蚀除芯片外框1和传感器子单元中质量块、支撑梁、铰链梁和敏感以外区域对应的埋氧层10，再利用去离子水与丙酮进行漂洗后自然晾干，最后再将SOI硅片正面的光刻胶去除；
步骤11，用RIE工艺对SOI片背面作为掩模的热氧二氧化硅层8和氮化硅层17进行刻蚀，以露出SOI片背面的衬底硅11，然后利用键合玻璃片版，在Pyrex7740玻璃片上除芯片外框1以外区域对应的区域光刻玻璃金属区域，之后在玻璃片18上除芯片外框1以外区域对应的区域溅射Cr/Au层制作出防止静电吸附电极，最后通过阳极键合在将加速度计芯片封装在玻璃片18上。
本实施例制作的加速度计芯片的相关结构尺寸如下：
芯片外框1的尺寸为：长×宽＝4200μm×4200μm；
第一支撑梁3-1和第二支撑梁3-2的尺寸均为：长×宽×厚＝300μm×50μm×510μm；
铰链梁4的尺寸为长×宽×厚＝600μm×20μm×510μm；
敏感梁5的尺寸为：长×宽×厚＝70μm×5μm×5μm；
第一质量块2-1和第二质量块2-2的尺寸均为：
长×宽×厚＝1200μm×800μm×510μm；
导线的宽度为：20μm。
参照图4和图5，本发明的加速度计芯片的工作原理如下：
如图4和图5所示，以加速度计芯片的中心为坐标原点，建立直角坐标系xoy，其中，x轴与一组传感器子单元的敏感梁垂直，y轴与另一组传感器子单元的敏感梁垂直，由牛顿第二定律F＝ma可得，参照图4，当加速度计芯片受到芯片面内x方向的加速度ax作用时，传感器子单元x1和x2的中的质量块2由于惯性而发生面内移动，引起第一、第二支撑梁的变形，从而引起敏感梁5的变形，根据硅的压阻效应，敏感梁5上的压敏电阻条在应力作用下发生阻值变化，其阻值变化率与其所受应力之间的关系如下：
ΔR＝πσR
其中：R为压敏电阻的初始阻值；
π为压敏电阻的压阻系数；
σ为压敏电阻中的应力；
此时，同一工作方向上的四个压敏电阻构成的半开环惠斯通全桥失去平衡，输出与外部加速度ax成正比的电信号，实现对加速度的检测。传感器的灵敏度S与外部加速度ax的关系如下式：
其中：Uout——惠斯通电桥的输出电压；
E——硅的杨氏模量；
π——压阻系数；
Uapply——惠斯通电桥的供电电压；
ε——压阻微梁的应变；
π44——剪切压阻系数；
l——敏感梁的长度；
Δl——敏感梁的轴向变形；
参照图5，当加速度计芯片受到芯片面内y方向的加速度ay作用时，此时传感器子单元y1和y2的质量块由于惯性而发生面内移动，加速度计芯片的工作原理与灵敏度计算方法与上述加速度计芯片受到加速度ax时相同。
本发明制备的加速度计芯片所能达到的主要技术指标如下：
1、量程：0～100g(两轴)；
2、灵敏度：>0.9mV/g/3V；
3、固有频率：>25kHz；
4、工作温度：-40℃～125℃。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片，其特征在于，包括芯片外框(1)，芯片外框(1)内设置有两组传感器子单元，分别为第一组传感器子单元和第二组传感器子单元，第一组传感器子单元用于测量一个方向的加速度，第二组传感器子单元用于测量与第一组传感器子单元测量方向垂直的方向上的加速度；
每个传感器子单元包括第一质量块(2-1)、第二质量块(2-2)、第一支撑梁(3-1)、第二支撑梁(3-2)、铰链梁(4)、敏感梁(5)以及导线；
第一质量块(2-1)与第二质量块(2-2)之间通过铰链梁(4)连接，第一质量块(2-1)与第二质量块(2-2)分别通过第一支撑梁(3-1)和第二支撑梁(3-2)与芯片外框(1)连接，第一质量块(2-1)、第二质量块(2-2)、第一支撑梁(3-1)、第二支撑梁(3-2)和铰链梁(4)同轴设置；
第一质量块(2-1)与第二质量块(2-2)之间设置至少两个敏感梁(5)，所有敏感梁(5)对称设置在铰链梁(4)的两侧，敏感梁(5)的两端分别与第一质量块(2-1)与第二质量块(2-2)连接；
敏感梁(5)具有压敏电阻条，对称的两个敏感梁(5)通过导线链接并形成半开环惠斯通全桥电路。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片，其特征在于，第一质量块(2-1)与第二质量块(2-2)形状和大小相同，第一质量块(2-1)与第二质量块(2-2)同轴，沿轴向在相邻和远离的位置均开设有凹槽；铰链梁(4)设置在第一质量块(2-1)与第二质量块(2-2)相邻的凹槽处，铰链梁(4)的两端分别与凹槽底部的中部连接；第一支撑梁(3-1)的一端与第一质量块(2-1)另一端的凹槽底部的中部连接，另一端与芯片外框(1)连接，第二支撑梁(3-2)的一端与第二质量块(2-2)另一端的凹槽底部的中部连接，另一端与芯片外框(1)连接。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片，其特征在于，每组传感器子单元分别设置两个传感器子单元，每组传感器子单元的两个传感器子单元关于芯片外框(1)的中心中心对称。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片，其特征在于，芯片外框(1)、第一质量块(2-1)和第二质量块(2-2)的外形均为矩形。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片，其特征在于，芯片外框(1)的背面连接有玻璃板(18)，传感器子单元的背面与玻璃板(18)之间具有间隙。
6.根据权利要求5所述的一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片，其特征在于，玻璃板(18)的正面除芯片外框(1)对应的区域外均设有防静电吸附层(19)。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片，其特征在于，芯片外框(1)、第一质量块(2-1)、第二质量块(2-2)、第一支撑梁(3-1)、第二支撑梁(3-2)和铰链梁(4)、敏感梁(5)通过N型(100)晶面的SOI硅片制备而成。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的一种MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片，其特征在于，所述芯片外框(1)的尺寸为：长×宽＝4200μm×4200μm；第一支撑梁(3-1)和第二支撑梁(3-2)的尺寸均为：长×宽×厚＝300μm×50μm×510μm；铰链梁(4)的尺寸为长×宽×厚＝600μm×20μm×510μm；敏感梁(5)的尺寸为：长×宽×厚＝70μm×5μm×5μm；第一质量块(2-1)和第二质量块(2-2)的尺寸均为：长×宽×厚＝1200μm×800μm×510μm；导线的宽度为：20μm。
9.一种制备如权利要求1-8任意一项所述的MEMS直拉直压式两轴加速度计芯片的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对SOI硅片进行双面氧化，使SOI硅片的正面和背面均生成热氧二氧化硅层(8)；
步骤2，在步骤1处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉敏感梁(5)对应区域的热氧二氧化硅层(8)，露出SOI硅片的器件层(9)，然后再在露出的器件层(9)上进行硼离子轻掺杂，硼离子轻掺杂区域作为敏感梁(5)的压敏电阻条；
步骤3，再在步骤2处理完成的SOI硅片正面制作一层沉积二氧化硅层(13)；
步骤4，再在步骤3处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，在敏感梁(5)两端对应位置刻蚀掉热氧二氧化硅层(8)和沉积二氧化硅层(13)，露出SOI硅片的器件层(9)，然后再在露出的器件层(9)上进行硼离子重掺杂，得到欧姆接触区(14)；
步骤5，再在步骤4处理完成的SOI硅片正面沉积一层导电金属层，然后对导电金属层进行刻蚀并形成导线和导线对应的焊盘；
步骤6，再在步骤5处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，直至刻蚀至SOI硅片的埋氧层(10)的正面，以释放出芯片外框(1)和传感器子单元处于埋氧层(10)的正面以上的部位；
步骤7，再对SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出芯片外框(1)和传感器子单元处于埋氧层(10)的背面以下的部位，并将敏感梁(5)处于埋氧层(10)的背面以下的部位刻蚀掉；
步骤8，再将步骤7处理完成的SOI硅片上芯片外框(1)和传感器子单元以外区域对应的埋氧层(10)刻蚀掉。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤7中，对SOI硅片的背面进行刻蚀时，先刻蚀掉芯片外框(1)和传感器子单元对应区域以外的热氧二氧化硅层(8)，露出SOI硅片的衬底硅(11)，再对衬底硅(11)刻蚀一定深度，使刻蚀区域的表面低于外框(1)的背面；
再在SOI硅片的背面制作一层氮化硅层(17)；
然后再在SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出芯片外框(1)和传感器子单元处于埋氧层(10)的背面以下的部位，并将敏感梁(5)处于埋氧层(10)的背面以下的部位刻蚀掉；
再进行步骤8；
再进行步骤9，步骤9的过程如下：
先对步骤8处理完成的SOI硅片的背面进行刻蚀，刻蚀掉SOI硅片背面的氮化硅层(17)和热氧二氧化硅层(8)，露出SOI硅片背面的衬底硅(11)；
再将正面设置有防静电吸附层(19)的玻璃板(18)的正面与SOI硅片背面的衬底硅(11)进行阳极键合，SOI硅片背面的衬底硅(11)上与玻璃板(18)阳极键合的区域为外框对应的区域，玻璃板(18)上除芯片外框(1)阳极键合以外的区域均设置防静电吸附层(19)。
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