CN109239399B - 基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计的结构、制作方法及工作原理，属于微电子机械系统领域。其结构特征在于谐振式加速度计由双股叉型谐振梁(1)、激励电阻(2)、压敏电阻(3)、蟹腿型支撑梁(4)、质量块(5)、框架(6)、金属内引线(7)组成，质量块(5)的重心位于蟹腿型支撑梁(4)的中性面内。本传感器在检测原理方面的特征在于在平行于芯片表面的加速度作用下，双股叉型谐振梁(1)的轴向应力变化，从而改变其谐振频率，通过检测谐振频率的变化就可以得到加速度的大小和方向。相对于双端固支直梁谐振器，基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计具有更大的检测灵敏度。

Description

基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计
技术领域
本发明涉及一种谐振式加速度计，特别是一种基于双股叉型谐振梁的高灵敏度体微机械谐振式加速度计的结构及工作机理，属于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)领域。
背景技术
微型加速度计是利用传感质量的惯性力测量加速度的传感器，具有体积小、重量轻、易集成、功耗和成本低、可批量生产等优点。按照敏感轴的数量可以分为单轴、双轴以及三轴加速度计。按照检测质量的运动方式可以分为线加速度计和扭摆式加速度计。按照有无反馈信号可以分为开环偏差式和闭环力平衡式加速度计。按照信号检测方式可以将微型加速度计分为压阻式、电容式、压电式、热对流式、隧道电流式、谐振式加速度计。其中谐振式加速度计可以将被测加速度直接转换为稳定性和可靠性较高的频率信号，分辨率高，稳定性好，测量精度高，不受电路噪声影响，在传输过程中不易产生失真误差，抗干扰能力强，无需A/D转换即可与数字系统接口。
谐振式加速度计常用双端调谐音叉(Double-ended tuning forks，DETF)谐振器检测面内加速度，用一级甚至二级微杠杆结构放大质量块所受惯性力后作用在双端调谐音叉谐振器两端，检测双端调谐音叉谐振器的谐振频率就可获得加速度的大小。然而，双端调谐音叉谐振器和微杠杆结构复杂、脆弱，且质量块厚度较小，灵敏度低。体微机械工艺可实现全硅片厚度的质量块，具有较高的测量灵敏度。本专利第一发明人之前申请的专利(一种双轴体微机械谐振式加速度计结构及工作机理，专利号：201210059387.9)采用两端固支单梁谐振器、两端固支双梁谐振器或两端固支三梁谐振器。谐振梁位于衬底上表面，以便于在谐振梁上表面光刻电阻、引线图形。蟹腿型支撑梁支撑全硅片厚度的质量块，支撑梁的中性面与质量块重心在同一平面，可以显著减小质量块在面内加速度作用下质量块的偏转和交叉灵敏度。但由于硅材料具有较大的杨氏模量，谐振梁的纵向刚度也会限制质量块在面内的位移，减小测量灵敏度。因此设计和制作柔性的谐振梁检测面内加速度信号是亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于发明一种柔性的谐振梁检测面内加速度信号，以提高测量面内加速度的灵敏度。
为实现上述目的，本发明所提出的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计的基本结构是：所述的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计由双股叉型谐振梁(1)、激励电阻(2)、压敏电阻(3)、蟹腿型支撑梁(4)、质量块(5)、框架(6)、金属内引线(7)组成。双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)位于质量块(5)和框架(6)之间的“口”字型腐蚀槽(8)内，一端固支在质量块(5)的侧面，另一端固支在框架(6)内壁。双股叉型谐振梁(1)位于传感器芯片上表面，在其中部制作激励电阻(2)，在靠近衬底的2个叉齿上制作压敏电阻(3)。质量块(5)的重心位于蟹腿型支撑梁(4)的中性面内。
本发明所涉及的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计的检测机理：在激励电阻(2)上通过交流电，产生交变的温度场和弯矩，使双股叉型谐振梁(1)发生振动。叉齿上的压敏电阻(3)检测振动信号。在面内加速度作用下，双股叉型谐振梁(1)的轴向应力变化，从而改变其谐振频率，通过检测谐振频率的变化就可以得到加速度的大小和方向。
为实现上述目的，本发明所提出的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计的制作工艺是：双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)通过五次光刻和三次各向异性湿法腐蚀工艺制作在同一硅片上。首先，背面光刻双股叉型谐振梁(1)的背腐蚀窗口(9)，有掩膜腐蚀工艺从硅片背面腐蚀硅到一定深度。然后正反面光刻，湿法腐蚀或干法刻蚀腐蚀槽(8)中除双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)以外部分的腐蚀掩蔽层(10)，有掩膜腐蚀工艺腐蚀硅到另一深度。最后去除蟹腿型支撑梁(4)正反面的腐蚀掩蔽层(10)，掩膜-无掩膜腐蚀相结合实现双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)的同时成型。
本发明所涉及的双股叉型谐振梁的谐振式加速度计通过以下基本工艺步骤实现：
1)原始硅片是(100)面双面抛光硅片，厚度为H。热氧化、化学气相淀积法在硅片上制作腐蚀掩蔽层(10)。
2)光刻、刻蚀、掺杂工艺相结合在硅片正面制作激励电阻(2)、压敏电阻(3)，光刻、腐蚀及金属薄膜沉积工艺制作金属内引线(7)。
3)等离子增强化学气相沉积法在硅片正面制作PECVD氮化硅薄膜(11)。
4)背面光刻，形成双股叉型谐振梁(1)的背腐蚀窗口(9)，腐蚀背腐蚀窗口(9)中的腐蚀掩蔽层(10)，背腐蚀窗口(9)的长度和宽度分别为L和b+2(H-h)ctg54.7°，其中L是腐蚀槽(8)宽度，b是双股叉型谐振梁(1)的掩膜宽度，h是双股叉型谐振梁(1)的设计厚度。
5)氢氧化钾溶液中腐蚀硅，腐蚀深度为0.5H-h-H2+0.5d，其中H2是第(8)步各向异性腐蚀时的深度，d是蟹腿型支撑梁(4)的设计厚度。
6)正面光刻双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)的图形。去除腐蚀槽(8)正面中除双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)以外部分的PECVD氮化硅薄膜(11)和腐蚀掩蔽层(10)。
7)背面光刻蟹腿型支撑梁(4)的图形，缓释氢氟酸溶液腐蚀腐蚀槽(8)背面中除蟹腿型支撑梁(4)以外部分的腐蚀掩蔽层(10)。
8)氢氧化钾溶液中腐蚀硅，腐蚀深度H2＞d/2。
9)正面光刻，去除正面腐蚀槽(8)中除双股叉型谐振梁(1)以外区域的PECVD氮化硅薄膜(11)和腐蚀掩蔽层(10)；反面光刻，缓释氢氟酸溶液腐蚀背面腐蚀槽(8)中的腐蚀掩蔽层(10)。
10)氢氧化钾溶液中腐蚀硅，垂直腐蚀深度为H3＝0.5(H-d)时双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)同时达到设计厚度。
11)去除等离子增强化学气相沉积法在硅片正面制作的PECVD氮化硅薄膜(11)。
本发明所涉及的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计的优点在于：在面内加速度作用下双股叉型谐振梁(1)的叉齿发生的结构变形，相对于双端固支直梁谐振器具有更大的检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明所涉及的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计的结构示意图。
图2为本发明所涉及的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计沿图1中AA′视角的基本工艺流程图。
1-双股叉型谐振梁 2-激励电阻 3-压敏电阻
4-蟹腿型支撑梁 5-质量块 6-框架
7-金属内引线 8-腐蚀槽 9-背腐蚀窗口
10-腐蚀掩蔽层 11-PECVD氮化硅薄膜
具体实施方式：
下面结合图2和实施例1对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。
实施例1：原始硅片厚度为389微米，双股叉型谐振梁(1)厚度为3微米，蟹腿型支撑梁(4)厚度为25微米，腐蚀槽(8)宽度660微米。依据上述数据来确定的制作工艺流程如下：
1)原始硅片是(100)面双面抛光硅片，厚度389微米。热氧化，在(100)晶向的硅片正反两面制作厚度0.6微米的二氧化硅薄膜，低压化学气相沉积法在硅片正反两面制作厚度0.3微米的氮化硅薄膜。(见图2[1])
2)光刻、腐蚀、掺杂工艺相结合在硅片正面制作双股叉型谐振梁(1)的激励电阻(2)、压敏电阻(3)，光刻、腐蚀及金属薄膜沉积工艺制作金属内引线(7)。(见图2[2])
3)等离子增强化学气相沉积法在硅片正面淀积PECVD氮化硅薄膜(11)。(见图2[3])
4)背面光刻，形成双股叉型谐振梁(1)背腐蚀窗口(9)。背腐蚀窗口(9)的长度(沿双股叉型谐振梁(1)长度方向)为660微米。干法刻蚀背腐蚀窗口(9)中的PECVD氮化硅薄膜(11)，缓释氢氟酸溶液腐蚀背腐蚀窗口(9)中的二氧化硅掩膜。(见图2[4])
5)40％氢氧化钾溶液中腐蚀硅，垂直腐蚀深度179微米。(见图2[5])
6)正面光刻双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)的图形，刻蚀正面腐蚀槽(8)中除双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)以外部分的PECVD氮化硅薄膜(11)和腐蚀掩蔽层(10)。(见图2[6])7)背面光刻蟹腿型支撑梁(4)的图形，刻蚀腐蚀槽(8)背面中除蟹腿型支撑梁(4)以外部分的腐蚀掩蔽层。(见图2[7])
8)40％氢氧化钾溶液中腐蚀硅，腐蚀深度等于25微米。(见图2[8])
9)正面光刻，刻蚀正面腐蚀槽(8)中除双股叉型谐振梁(1)以外的腐蚀掩蔽层。反面光刻，刻蚀背面腐蚀槽(8)中的腐蚀掩蔽层(10)。(见图2[9])
10)各向异性溶液中腐蚀硅，腐蚀深度等于182微米时双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)同时达到设计厚度。(见图2[10])
11)去除等离子增强化学气相沉积法在硅片正面制作的PECVD氮化硅薄膜(11)。(见图2[11])。

Claims (3)

1.一种基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计，其特征在于：所述的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计由双股叉型谐振梁(1)、激励电阻(2)、压敏电阻(3)、蟹腿型支撑梁(4)、质量块(5)、框架(6)、金属内引线(7)组成；双股叉型谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(4)位于质量块(5)和框架(6)之间的“口”字型腐蚀槽(8)内，一端固支在质量块(5)的侧面，另一端固支在框架(6)内壁；双股叉型谐振梁(1)位于传感器芯片上表面，在其中部制作激励电阻(2)，在靠近衬底的2个叉齿上制作压敏电阻(3)；质量块(5)的重心位于蟹腿型支撑梁(4)的中性面内，用于检测平行于芯片表面的加速度信号。
2.根据权利要求1所述的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计，其特征在于：在激励电阻(2)上通过交流电，产生交变的温度场和弯矩，使双股叉型谐振梁(1)发生振动，叉齿上的压敏电阻(3)检测双股叉型谐振梁(1)的振动信号；在平行于芯片表面的加速度作用下，双股叉型谐振梁(1)的轴向应力变化，从而改变其谐振频率，通过检测谐振频率的变化就可以得到加速度的大小和方向。
3.根据权利要求1所述的基于双股叉型谐振梁的谐振式加速度计结构，其特征在于：在面内加速度作用下双股叉型谐振梁(1)的叉齿发生结构变形，相对于双端固支直梁谐振器具有更大的检测灵敏度。
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