CN110531115B - 一种具有纯轴向变形敏感梁的mems压阻式三轴冲击加速度计芯片及其制备方法 - Google Patents

一种具有纯轴向变形敏感梁的mems压阻式三轴冲击加速度计芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片及其制备方法，该芯片包括X、Y、Z三个测量单元组成，分别用来测量X、Y、Z三个方向的加速度；无论是哪个测量单元，支撑量与敏感梁分离，支撑梁主要作用是支撑质量块运动，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，极大的弱化了灵敏度与谐振频率的相互制约关系，使得传感器的灵敏度和谐振频率都有了很大提高；无论是哪个测量单元，当受到某一方向的作用力时，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纯轴向变形条件，在相同谐振频率下，传感器的灵敏度达到最优。

Description

一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计 芯片及其制备方法
【技术领域】
本发明属于微机械电子系统传感器计量领域，具体涉及一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片及其制备方法。
【背景技术】
随着近年来侵彻武器的发展和对冲击爆炸现象的深入研究，测取弹体侵彻加速度-时间历程曲线显得尤为必要，同时，侵彻过程中所承受的冲击过载达到几万至数十万，在侵彻过程中，弹体恶劣的受力环境给过载测试传感器及测试系统的存活带来很大考验，对过载测试技术也提出了苛刻的要求，弹体侵彻过载测试技术已经成为制约侵彻武器发展的技术难点之一。多项实测多层侵彻信号的频谱和侵彻模型的仿真分析研究表明，多层侵彻加速度信号的基本特征有：(1)时域曲线表现为多峰性；(2)弹体侵彻每一层靶板时，其曲线特征与弹体侵彻单层同类型目标时的过载信号特征相一致；(3)加速度峰值高，量值达到数万以上，对测试装置的多次抗冲击提出更高的要求；(4)动态范围大，幅值变化快，因此，必须选择动态特性较好的传感器，即对固有频率和灵敏度都提出了较高的要求，但是固有频率和灵敏度本身为相互制约的关系，因此在保证固有频率的同时，需同时提高灵敏度；当加速度计芯片测量垂直于芯片的加速度时，因为其测量单元的变形方向垂直于芯片表面，使得固有频率和灵敏度的平衡更为不易。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片及其制备方法；该传感器利用分离功能结构的方法设计出MEMS压阻式三轴冲击加速度传感器的检测结构敏感梁和支撑结构支撑梁，其中支撑单元和敏感结构分离，极大的弱化了灵敏度与谐振频率的相互制约关系，使得传感器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。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片，包括芯片外框，所述芯片外框内固定设置有X测量单元、Y测量单元和Z测量单元；三个测量单元通过芯片外框隔离；Z测量单元的竖向中心线和Y测量单元的竖向中心线均平行于x轴，X测量单元的竖向中心线平行于y轴；Z测量单元包括第二子测量单元和第三子测量单元；
所述第二子测量单元包括第三质量块和第四质量块；第三质量块的两个侧边分别通过一个第二支撑梁和芯片外框固定连接，第四质量块的两个侧边分别通过一个第二支撑梁和芯片外框固定连接；第三质量块的内侧面和第四质量块的内侧面通过若干个第二敏感梁连接；
所述第三子测量单元包括第五质量块和第六质量块；第五质量块的两个侧边分别通过一个第三支撑梁和芯片外框固定连接，第六质量块的两个侧边分别通过一个第三支撑梁和芯片外框固定连接；第五质量块的内侧面和第六质量块的内侧面通过若干个第三敏感梁连接；
第二敏感梁和第三敏感梁上的压敏电阻通过第二金属引线连接形成惠斯通全桥；
芯片外框的下端面键合有玻璃板。
本发明的进一步改进在于：
优选的，第二子测量单元沿其竖向中心线设置有第一沟槽，第一沟槽将第三质量块和第四质量块隔开；第二子测量单元在其外侧面设置有两个第二沟槽，两个第二沟槽相对于第二子测量单元竖向中心线对称，每一个第二支撑梁的一侧和第一沟槽接触，另一侧和一个第二沟槽的一个端部接触；
第三子测量单元沿其竖向中心线设置有第四沟槽，第四沟槽将第五质量块和第六质量块隔开，第三子测量单元在其两个外侧面分别设置有一个第六沟槽，两个第六沟槽相对于第三子测量单元的竖向中心线对称，第四沟槽的端部各自设置有一个垂直的第五沟槽；每一个第三支撑梁的一侧和第六沟槽接触，另一侧和一个第五沟槽的端部接触。
优选的，所述第二沟槽包括第二侧边和设置在第二侧边两端的第一侧边；第二侧边平行于第一沟槽，第一侧边垂直于第二侧边；每一个第二支撑梁的一侧和第一沟槽接触，另一侧和一个第二侧边的端部接触。
优选的，所述第二支撑梁和所述第三支撑梁的下端部均和玻璃板键合。
优选的，第一沟槽上阵列设置有若干个第二敏感梁，每一个第二敏感梁的一端第三质量块的内侧边固定连接，另一端和第四质量块的内侧边固定连接；
第四沟槽上阵列设置有若干个第三敏感梁，每一个第三敏感梁一端和第五质量块的内侧边固定连接，另一端和第六质量块的内侧边固定连接。
优选的，第二子测量单元的横向中心线两侧的第二敏感梁数量相等，第三子测量单元的横向中心线两侧的第三敏感梁数量相等。
优选的，X测量单元和Y测量单元的结构相同，各自由两个第一子测量单元组成，每一个第一子测量单元包括第一质量块和第二质量块，第一质量块的外侧面和第二质量块的外侧面各自通过一个第一支撑梁和芯片外框连接，第一质量块和第二质量块的内侧面通过铰链梁和第一敏感梁连接。
优选的，所述第一支撑梁和铰链梁均位于第一子测量单元横向的中心位置。
优选的，每一个铰链梁的一侧设置有两个第一敏感梁；其中接近铰链梁的两个第一敏感梁相对于铰链梁对称，远离铰链梁的两个第一敏感梁相对于铰链梁对称；第一敏感梁上设置有压敏电阻，四个第一敏感梁上的压敏电阻通过第一金属引线连接，组成半开环惠斯通全桥电路。
一种上述的具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对SOI硅片进行双面热氧化，在SOI硅片的上表面和下表面分别形成一层热氧二氧化硅层，分别为上层热氧二氧化硅层和底层热氧二氧化硅层；
步骤2，通过反应离子蚀刻方法去除SOI正面轻掺杂区域内的上层热氧二氧化硅层，在轻掺杂区域内掺杂硼离子后，形成轻掺杂区；
步骤3，在SOI硅片的正面涂覆一层光刻胶，然后通过反应离子蚀刻方法去除重掺杂区域内的上层热氧二氧化硅层，在重掺杂区域内进行重掺杂，形成欧姆接触区；
步骤4，在SOI片的正面使用等离子增强化学气相沉积方法形成一层沉积二氧化硅层，刻蚀引线孔；通过物理气相沉积法在二氧化硅层上沉积Ti/Al层，光刻出金属引线和焊盘的结构；
步骤5，通过反应离子蚀刻方法去除SOI片背面运动间隙区域内的底层热氧二氧化硅，然后在SOI硅片中衬底硅的背面运动间隙区域内通过电感耦合等离子体刻蚀方法刻蚀出空隙；
步骤6，在底层热氧二氧化硅的背面通过等离子体增强化学的气相沉积法形成底层氮化硅层；
步骤7，通过反应离子蚀刻方法去除背面刻蚀区域内的底层氮化硅层，所述刻蚀区域在运动间隙区域内；通过深反应离子刻蚀方法在刻蚀区域内刻蚀，刻蚀至埋氧层；形成支撑梁、铰链梁和所有质量块的下半部分；
步骤8，通过反应离子蚀刻方法去除正面刻蚀区域内的热氧二氧化硅层和沉积二氧化硅层，然后通过感应耦合等离子刻蚀方法刻蚀至埋氧层，形成支撑梁、铰链梁和所有质量块的上半部分，以及敏感梁的整体结构；
步骤9，将已刻蚀完成的SOI片正面利用光刻胶进行保护，然后利用缓冲液从背面刻蚀埋氧层，将SOI片漂洗后晾干，去除正面的光刻胶，制得芯片；
步骤10，在玻璃板上光刻玻璃金属区域，之后在玻璃板上溅射Cr/Au层，将步骤9制得的芯片通过阳极键合在玻璃板上，所述具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片制备完成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片，该芯片包括X、Y、Z三个测量单元组，分别用来测量x、y、z三个方向的加速度，可实现三个方向加速度的分离测量；所述Z测量单元，支撑梁与敏感梁分离，支撑梁主要作用是支撑质量块运动，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，极大的弱化了灵敏度与谐振频率的相互制约关系，使得传感器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；当受到Z方向的加速度时，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纯轴向变形条件，在相同谐振频率下，传感器的灵敏度达到最优，使得该传感器芯片具有良好的测量加速度的性能指标，因此该传感器的动态特性较好。该传感器芯片可以实现100000g以下三轴加速度的分离测量；其固有频率大于1.1MHz，在无放大条件下X、Y和Z方向灵敏度均大于1.2μV/g/3V。本发明通过改变传感器芯片的结构，优化了结构设计，以满足高冲击、大脉宽载荷的性能指标。
进一步的，Z测量单元中的两个子测量单元的支撑梁位置不同，一个位于子测量单元的中间位置，另一个位于子测量单元中的外侧，由于支撑梁的位置的不同，当第二子测量单元的质量块沿内侧转动时，第三子测量单元的质量块沿外侧转动；因此，两个子单元的敏感梁处于相反的应力状态，一个受拉一个受压，进而组成惠斯通全桥，来提高输出灵敏度。
进一步的，第二沟槽为弯折结构，保证第二支撑梁在第二子测量单元的中间位置。
进一步的，Z方向两个测量单元的支撑梁通过均阳极键合工艺键合于底层玻璃板，增加了整个传感器的刚度，极大地增加了传感器的固有频率。
进一步的，无论是第二敏感梁还是第三敏感梁，其设置数量均根据加速度及芯片的压敏电阻的阻值设置，这些敏感梁均满足纯轴向变形条件，以增大压敏电阻阻值，增大输出；敏感梁长度越长，固有频率越高，但相对应的灵敏度会降低，因此本发明通过增加敏感梁的数量，使得在保证固有频率的同时，提高了敏感梁的灵敏度。
进一步的，两个子测量单元两侧敏感梁数量相等，使得在保证检测方向的灵敏度的同时，消除传感器非检测方向加速度引起的质量块偏转所造成的交叉干扰。
进一步的，X测量单元和Y测量单元同样包括质量块、支撑梁和敏感梁；无论是哪个测量单元，支撑梁与敏感梁分离，支撑梁主要作用是支撑质量块运动，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，极大的弱化了灵敏度与谐振频率的相互制约关系，使得传感器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；对于X测量单元或Y测量单元，当受到x方向的加速度或y方向的加速时，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纯轴向变形条件，在相同谐振频率下，传感器的灵敏度达到最优。
进一步的，支撑梁和铰链梁均位于第一子测量单元的中心位置，在保证检测方向的灵敏度的同时，消除传感器非检测方向加速度引起的质量块偏转所造成的交叉干扰；
进一步的，第一敏感梁相对于铰链梁对称，由于两质量块在受到加速度作用时会同步运动，使得与其固定的敏感梁两端在任何时刻的运动相同，无论是哪个单元，敏感梁的运动均相对于横向中心线对称，使得横向中心线两侧的敏感梁两端纵向位移相反，横向位移抵消，且由于敏感梁足够细，两端质量块弯曲对敏感梁的弯矩小到可以忽略，从而敏感梁始终满足纯轴向变形的条件。
本发明还公开了一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片的制备方法，该制备方法根据该芯片的结构特点，引入了反应离子蚀刻、等离子化学气相沉积、深反应离子刻蚀技术等方法，在保证传感器形状精度的情况下，简化工艺流程，降低加工成本。
【附图说明】
图1为本发明的整体结构正面的示意图；
图2为本发明的整体结构背面的示意图；
图3为图1中的B-B′部分放大剖面示意图；
图4为图1中的A-A′部分放大剖面示意图；
图5为第一子测量单元2-1的工作原理平面图；
图6为第二子测量单元2-2和第三子测量单元2-3的工作原理平面图；
图7为第一子测量单元2-1的工作原理立体图；
图8为第二子测量单元2-2和第三子测量单元2-3的工作原理立体图；
其中，(a)图为第三子测量单元；(b)图为第二子测量单元；
图9为惠斯通全桥工作原理图；
图10为本发明的制备工艺流程结构示意图；
其中，(a)图为步骤1；(b)图为步骤2；(c)图为步骤3；(d)图为步骤4；(e)图为步骤5；(f)图为步骤6；(g)图为步骤7；(h)图为步骤8；(i)图为步骤9；(j)图为步骤10。
图11为本发明的制备工艺流程图；
其中：1-芯片外框；2-子测量单元；3-铰链梁；4-支撑梁；5-敏感梁；6-金属引线；7-玻璃板；8-器件层；9-埋氧层；10-衬底硅；11-上层热氧化二氧化硅；12-底层热氧二氧化硅；13-轻掺杂区；14-光刻胶；15-重掺杂区；16-二氧化硅层；17-焊盘；18-底层氮化硅层；19-Cr/Au层；2-1-第一子测量单元；2-2-第二子测量单元；2-3-第三子测量单元；2-4-第一质量块；2-5-第二质量快；2-6-第三质量块；2-7-第四质量块；2-8-第五质量块；2-9-第六质量块；4-1-第一支撑梁；4-2-第二支撑梁；4-3-第三支撑梁；5-1-第一敏感梁；5-2-第二敏感梁；5-3-第三敏感梁；6-1第一金属引线；6-2-第二金属引线；18-1-第一沟槽；18-2-第二沟槽；18-4-第四沟槽；18-5-第五沟槽；18-6-第六沟槽；18-2-1-第一侧边；18-2-2-第二侧边。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开了一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片及其制备方法；参见图1和图2该加速度计芯片包括设置在芯片外框1中的X测量单元、Y测量单元和Z测量单元，每一个测量单元包括两个子测量单元2，所述子测量单元2包括第一子测量单元2-1、第二子测量单元2-2和第三子测量单元2-3；所述芯片外框1键合在玻璃板7上，X测量单元和Y测量单元中的四个子测量单元2结构相同，均为第一子测量单元2-1，Z测量单元中的两个子测量单元的结构不相同，分别为第二子测量单元2-2和第三子测量单元2-3。建立O-xyz坐标系，其中芯片外框1的长边平行于x轴，芯片外框1的短边平行于y轴，整个芯片外框1的平面平行于xoy平面，z轴垂直于xoy平面。
X测量单元中的两个第一子测量单元2-1的竖向中心线平行于y轴，X测量单元中的两个第一子测量单元2-1沿x轴平行布置；Y测量单元中的两个第一子测量单元2-1的竖向中心线平行于x轴，Y测量单元中的两个第一子测量单元2-1沿x轴排列布置；Z测量单元中的第二子测量单元2-2和第三子测量单元2-3的竖向中心线均平行于x轴，第二子测量单元2-2和第三子测量单元2-3沿y轴平行布置。
每一个子测量单元2均包括各自的质量块、支撑梁和敏感梁，三个子测量单元分别用来测量x、y、z三个方向的加速度；每一个子测量单元和芯片外框1固定连接，每一个子测量单元相互之间不接触。
参见图3，所述第一子测量单元2-1包括第一质量块2-4和第二质量块2-5，第一质量块2-4和第二质量块2-5的外侧面分别和芯片外框1通过第一支撑梁4-1连接，两个第一支撑梁4-1均在第一子测量单元2-1的横向中心线上，每一个第一支撑梁4-1的一端和芯片外框1固定连接，另一端和第一质量块2-4的或第二质量块2-5的外侧面固定连接；第一质量块2-4和第二质量块2-5的内侧面之间通过铰链梁3连接，沿第一测量单元2-1的竖向，铰链梁3的两端分别位于第一质量块2-4和第二质量块2-5的中心位置；第一质量块2-4和第二质量块2-5之间的距离为第一敏感梁5-1之间的距离，铰链梁3的两侧分别设置有两个第一敏感梁5-1，每一个第一敏感梁5-1的一端和第一质量块2-4的内侧面连接，另一端和第二质量块2-5的内侧面连接；设定铰链梁3一侧的第一敏感梁5-1包括内侧的第一敏感梁5-1和外侧的第一敏感梁5-1，两个内侧的第一敏感梁5-1相对于铰链梁3对称，两个外侧的第一敏感梁5-1相对于铰链梁3对称；每一个第一敏感梁5-1上固定设置有单独压敏电阻，每一个第一子测量单元2-1上的四个第一敏感梁5-1上的压敏电阻通过第一金属引线6-1连接，组成半开环惠斯通全桥电路；本实施例中第一敏感梁5-1共设置为4个，但第一敏感梁5-1的设置数量根据实际压敏电阻的需求设定，敏感梁长度越长，固有频率越高，但相对应的灵敏度会降低，因此本发明通过增加敏感梁的数量，使得在保证固有频率的同时，提高了敏感梁的灵敏度；所述第一敏感梁5-1设置在两个质量块的接近侧边部，因为敏感梁越靠近质量块的中心处，其灵敏度越低。
参见图4，所述第二子测量单元2-2包括沿竖向中心线对称的第三质量块2-6和第四质量块2-7，第二子单元2-2沿其竖向中心线设置有第一沟槽18-1，第一沟槽18-1将第三质量块2-6和第四质量块2-7隔离开来；芯片外框1上设置有两个相对于第一沟槽18-1对称的第二沟槽18-2，一个第二沟槽18-2围绕第三质量块2-6的外围设置，将第三质量块2-6和芯片外框1隔离；另一个第二沟槽18-2围绕第四质量块2-7的外围设置，将第四质量块2-7和芯片外框1隔离；第二沟槽18-2为弯折结构，包括两个第一侧边18-2-1和一个第二侧边18-2-2，所述两个第一侧边18-2-1分别设置在第二侧边18-2-2的两端，且均和第二侧边18-2-2连通；第二侧边18-2-2平行于第一沟槽18-1，两个第一侧边18-2-1均垂直与第二侧边18-2-2；第三质量块2-6的两个侧边分别通过第二支撑梁4-2和芯片外框1固定连接，第四质量块2-7的两个侧边分别通过第二支撑梁4-2和芯片外框1固定连接，每一个第二支撑梁4-2的两侧分别为第一侧边18-2-1和第一沟槽18-1；设置在第二子测量单元2-2同一端部的，第三质量块2-6的第二支撑梁4-2和第四质量块2-7的第二支撑梁4-2，相对于第一沟槽18-1对称；所述第二支撑梁4-2通过阳极键合和玻璃板7键合；第三质量块2-6和第四质量块2-7之间设置有若干个第二敏感梁5-2，每一个第二敏感梁5-2一端和第三质量块2-6的内侧边固定连接，另一端和第四质量块2-7内侧边固定连接，第二敏感梁5-2的设置数量相对于横向中心线对称。
参见图4，所述第三子测量单元2-3包括沿竖向中心线对称的第五质量块2-8和第六质量块2-9，第三子测量单元2-3沿其竖向中心线设置有第四沟槽18-4，第四沟槽18-4设置在第五质量块2-8的内侧面和第六质量块2-9的内侧面之间，将第五质量块2-8和第六质量块2-9隔离；第四沟槽18-4的两端各自连接有一个第五沟槽18-5，所述第五沟槽18-5垂直于第四沟槽18-4，第五沟槽18-5和第四沟槽18-4相通，每一个第五沟槽18-5均和第五质量块2-8的一个侧边及第六质量块2-9的一个侧边接触，一个第四沟槽18-4和两个第五沟槽18-5共同组成一个“工”字型的结构；第三子测量单元2-3上开设有两个第六沟槽18-6，一个第六沟槽18-6设置在第五质量块2-8的外侧面，一个第六沟槽18-6设置在第六质量块2-9的外侧面；两个第六沟槽18-6均平行于第四沟槽18-4；对于第五质量块2-8或第六质量块2-9，均通过一个第六沟槽18-6和两个第五沟槽18-5与芯片外框1隔开；第五质量块2-8的两个侧边分别通过第三支撑梁4-3和芯片外框1连接，第六质量块2-9的两个侧边分别通过第三支撑梁4-3和芯片外框1连接；每一个第三支撑梁4-3的一端和芯片外框1连接，另一端和第五质量块2-8的侧边或第六质量块2-9的侧边连接，每一个第三支撑梁4-3的两个侧边分别和第四沟槽18-4及第六沟槽18-6接触；所述第三支撑梁4-3均通过阳极键合和玻璃板7键合；第五质量块2-8和第六质量块2-9之间设置有第三敏感梁5-3，每一个第三敏感梁5-3的一端和第五质量块2-8的内侧面固定连接，另一端和第六质量块2-9的内侧面固定连接。每一个第三敏感梁5-3一端和第五质量块2-8的内侧边固定连接，另一端和第六质量块2-9内侧边固定连接，第三敏感梁5-3的设置数量相对于横向中心线对称。
参见图5和图6，本发明中根据压敏电阻总阻值和空间，第二敏感梁5-2和第三敏感梁5-3的各设置6个，因为每一个第二敏感梁5-2或第三敏感梁5-3上各自设置有一个压敏电阻，因此即横向中心线的每一侧各设置有3个压敏电阻，该布置方式使得子测量单元在受到z方向加速度时第二敏感梁5-2和第三敏感梁5-3的变形方式为纯轴向变形，所述纯轴向变形为沿着敏感梁的长度方向变形；与第一敏感梁5-1的设计思路相近，第二敏感梁5-2和第三敏感梁5-3的设置数量根据实际压敏电阻的需求设定，敏感梁长度越长，固有频率越高，但相对应的灵敏度会降低，因此本发明通过增加敏感梁的数量，使得在保证固有频率的同时，提高了敏感梁的灵敏度；因为Z测量单元用于测量z方向的加速度，因此无需将第三敏感梁5-3设置在侧边部，而是设置在中心处，以提高测量的敏感度；第二敏感梁5-2上的压敏电阻和第三敏感梁5-3上的压敏电阻通过第二金属引线6-2连接，形成惠斯通全桥。
从上述描述可知，对于Z测量单元中的第二子测量单元2-2和第三子测量单元2-3，第二子测量单元2-2中的四个第二支撑梁4-2设置在第二子测量单元2-2横向的中间位置，均和第三质量块2-6的内侧面或第四质量块2-7的内侧面接触，但是第三子测量单元2-3中的四个第三支撑梁4-3设置在第三子测量单元2-3横向的边部位置，均和第五质量块2-8的外侧面或第六质量块2-9的外侧面接触；如图6和图8所示，两个子测量单元中支撑梁的布置位置不同，由于支撑梁的位置的不同，当第二子测量单元2-2的质量块沿内侧转动，第三子测量单元2-3的质量块沿外侧转动；因此，两个子单元的敏感梁处于相反的应力状态，一个受拉一个受压，进而组成惠斯通全桥；如图9所示第二敏感梁5-2一共六个，三个为一组，共两组，分别对应图9中的R1和R3,；同理，第三敏感梁5-3共六个，三个为一组，共两组，分别对应图9中的R2和R4，这样第二敏感梁5-2和第三敏感梁5-3就通过导线连接为图9所示的半开环惠斯通全桥电路，来提高输出灵敏度。
如图5-图8所示，无论是X测量单元、Y测量单元还是Z测量单元，每一个测量单元中的两个质量块在受到加速度作用时会同步运动，使得与其固定的敏感梁两端在任何时刻的运动相同，敏感梁两端纵向位移相反，横向位移抵消，且由于敏感梁足够细，两端质量块弯曲对敏感梁的弯矩小到可以忽略，从而敏感梁始终满足纯轴向变形的条件；参见图5和图7，对于X测量单元，在受到沿x方向的加速度时，铰链梁3两侧的第一敏感梁5-1，一个被挤压，一个被拉伸，横向位移抵消，两个第一子测量单元2-1中敏感梁上的压敏电阻通过金属引线连接形成惠斯通全桥，进行加速度的测量；对于Y测量单元同理。
由于敏感梁始终满足纯轴向变形条件，故可以在两质量块之间添加多组敏感梁，即根据实际的阻值要求进行设置，这些敏感梁均满足纯轴向变形条件，以增大压敏电阻阻值，增大输出；但是对于X测量单元和Y测量单元，敏感梁越靠近铰链梁，敏感度越低，因此敏感梁的设置需靠近外侧边处。
本实施例中，
传感器芯片的总体尺寸为：长×宽×厚＝4800μm×3600μm×410μm；
X、Y测量单元中第一支撑梁4-1的尺寸为：长×宽×厚＝520μm×150μm×405μm；
第二子测量单元2-2中第二支撑梁4-2的尺寸为：长×宽×厚＝1050μm×150μm×410μm；
第三子测量单元2-3中第三支撑梁4-3的尺寸为：长×宽×厚＝1050μm×160μm×410μm；
X、Y测量单元中铰链梁3的尺寸为：长×宽×厚＝150μm×50μm×405μm；
X、Y、Z测量单元中敏感梁的尺寸均为：长×宽×厚＝70μm×10μm×5μm；
X、Y测量单元中第一质量块2-4和第二质量块2-5尺寸为：长×宽×厚＝900μm×350μm×405μm；
第二子测量单元2-2中第三质量块2-6和第四质量块2-7的尺寸为：长×宽×厚＝950μm×450μm×405μm；
第三子测量单元2-3中第五质量块2-8和第六质量块2-9的尺寸为：长×宽×厚＝950μm×450μm×405μm。
该实施例中的芯片能够达到的技术指标如下：
1、量程：100～100000g(三轴加速度)；
2、灵敏度：≥1.2μV/g/3V；
3、固有频率：≥1.1MHz；
4、工作温度：-35℃～130℃；
从上述指标可以看出，该传感器的适用于量程为100～100000g的测量范围，可测量程宽，且灵敏度和固有频率均高出一般的传感器。
该传感器芯片的工作原理为：
参照图5所示，由牛顿第二定律F＝ma可得，当传感器芯片受到面内X方向的加速度ax作用时，X测量单元中的两个第一子测量单元2-1中的质量块由于惯性而发生面内移动，引起第一支撑梁1的变形，从而引起第一敏感梁5-1的变形，根据硅的压阻效应，第一敏感梁5-1上的压敏电阻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：
Figure BDA0002145860860000141
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为压敏电阻的应力；
ΔR为压敏电阻的阻值变化。
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：
Figure BDA0002145860860000142
其中：Uout为惠斯通电桥的输出电压；
E为硅的杨氏模量；
π为压阻系数；
Uapply为惠斯通电桥的供电电压；
ε为压阻微梁的应变；
π44为剪切压阻系数；
l为敏感梁的长度；
Δl——敏感梁的轴向变形；
当传感器芯片受到面内Y方向的加速度ay作用时，此时Y测量单元中的两个第第一子测量单元2-1中的第一质量块2-4和第二质量块2-5由于惯性而发生面内移动，传感器芯片的工作原理与灵敏度计算方法与上述传感器芯片受到加速度ax时相同，这里不再赘述。
参照图6，Z轴的工作原理与X、Y轴的工作原理基本相同，所不同的是当受到Z轴加速度时，由于第二子测量单元2-2和第三子测量单元2-3中支撑梁的位置不同，第二子测量单元2-2的质量块沿内侧转动，第三子测量单元2-3沿外侧转动。因此，两个子单元的敏感梁处于相反的应力状态，一个受拉一个受压进而组成惠斯通全桥，来进行输出。
参见图10和图11，其中图11中框图中的字母对应图10中的步骤标记，该芯片的制备方法，包括以下过程：
步骤1，参见图10中的(a)图，使用N型(100)晶面双面抛光SOI硅片，所述硅片从下到包括依次堆叠的衬底硅10、埋氧层9和器件层8，衬底硅10的厚度为400μm，埋氧层9的厚度为1μm，器件层8的厚度为10μm，硅片总厚度为411μm；使用HF酸溶液清洗SOI硅片，在900℃-1200℃下进行双面氧化，在衬底硅10的下部形成底层热氧二氧化硅层12，在器件层8的上部形成上层热氧二氧化硅层11。
步骤2，参见图10中的(b)图，第一次光刻使正面热氧二氧化硅层11图案化，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺去除正面轻掺杂区域内的热氧二氧化硅层11，其余区域的热氧二氧化硅层11充当掩模；在图案化处的正面热氧二氧化硅层11进行硼离子轻掺杂，掺杂深度为1.5μm，形成轻掺杂区13；再进行再分布的阱推扩散退火过程，以保证轻掺杂区13的杂质浓度均匀分布；所述轻掺杂区13即为敏感梁5上的压敏电阻。
步骤3，参见图10中的(c)图，在SOI硅片正面涂覆一层光刻胶14，目的在于保护轻掺杂区域在接下来的重掺杂步骤中不受影响，然后进行第二次光刻并去除SOI硅片正面重掺杂区域内的热氧二氧化硅层11和光刻胶14，然后进行硼离子重掺杂，形成低阻值的欧姆接触区15，并进行再分布扩散退火过程，使得欧姆接触区15的杂质浓度均匀分布，以保证之后的金属导线6与敏感梁5上的轻掺杂区13之间形成稳定接触；
步骤4，参见图10中的(d)图，在SOI片正面使用等离子增强化学气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺形成一层沉积二氧化硅层16，之后第三次光刻，刻蚀引线孔，之后整个表面物理气相沉积(PVD)Ti/Al层，然后第四次光刻利用金属焊盘及导线版刻蚀除金属导线外其他区域的金属层，形成金属引线6和焊盘17的结构，并在500℃条件下进行30分钟合金化过程。
步骤5，参见图10中的(e)图，第五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内的底层热氧二氧化硅12，其余区域的底层热氧二氧化硅12充当掩膜，然后在衬底硅10上通过电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术制备出5μm的空隙，以保证加速度传感器在工作状态下正常运动。
步骤6，参见图10中的(f)图，在SOI片背面使用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)工艺形成底层氮化硅层18，作为接下来背面刻蚀的掩膜层。
步骤7，参见图10中的(g)图，第六次光刻在SOI片光刻背面刻蚀区域，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺去除背面刻蚀区域内的氮化硅层18，其余区域的氮化硅层18作为掩膜，在接下来的刻蚀步骤中为了保证所成型的支撑梁4、铰链梁3及质量块2具有良好的边沿垂直度和深宽比，这里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9停止；通过该步骤形成支撑梁4、铰链梁3和所有质量块的下半部分。
步骤8，参见图10中的(h)图，第七次光刻在SOI片正面光刻正面刻蚀区域，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺去除正面刻蚀区域内的热氧二氧化硅层11和沉积二氧化硅层16。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9停止，形成支撑梁4、铰链梁3以及质量块2的上半部分，形成敏感梁5的整体结构。
步骤9，参见图10中的(i)图，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从背面刻蚀埋氧层9，分别利用去离子水与丙酮进行漂洗后自然晾干，最后再将正面的光刻胶去除。
步骤10，参见图10中的(j)图，在玻璃板7上光刻玻璃金属区域，之后在玻璃板7上溅射Cr/Au层19，以防止静电吸附；最后通过阳极键合在将芯片封装在玻璃板7上；玻璃为BF33玻璃，厚度为500μm。
本项目针对高速侵彻武器的姿态测量需求，开展关于新型传感和测量技术的研究。目标研制出一种适用于高弹速侵彻武器的可满足超高载荷冲击信号测量要求的新型高性能MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)压阻式三轴冲击加速度传感器，以提高侵彻多层硬目标引信自适应起爆控制能力和作用可靠性。其关键技术是利用分离功能结构的方法设计出MEMS压阻式三轴冲击加速度传感器的检测结构和支撑结构，理论分析检测结构和支撑结构的相关参数以保证检测结构产生最大的应变能，基于检测结构的纯轴向变形和支撑结构的高刚度，从而使传感器同时具有高灵敏度和高固有频率的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片，其特征在于，包括芯片外框(1)，所述芯片外框(1)内固定设置有X测量单元、Y测量单元和Z测量单元；三个测量单元通过芯片外框(1)隔离；Z测量单元的竖向中心线和Y测量单元的竖向中心线均平行于x轴，X测量单元的竖向中心线平行于y轴；Z测量单元包括第二子测量单元(2-2)和第三子测量单元(2-3)；
所述第二子测量单元(2-2)包括第三质量块(2-6)和第四质量块(2-7)；第三质量块(2-6)的两个侧边分别通过一个第二支撑梁(4-2)和芯片外框(1)固定连接，第四质量块(2-7)的两个侧边分别通过一个第二支撑梁(4-2)和芯片外框(1)固定连接；第三质量块(2-6)的内侧面和第四质量块(2-7)的内侧面通过若干个第二敏感梁(5-2)连接；
所述第三子测量单元(2-3)包括第五质量块(2-8)和第六质量块(2-9)；第五质量块(2-8)的两个侧边分别通过一个第三支撑梁(4-3)和芯片外框(1)固定连接，第六质量块(2-9)的两个侧边分别通过一个第三支撑梁(4-3)和芯片外框(1)固定连接；第五质量块(2-8)的内侧面和第六质量块(2-9)的内侧面通过若干个第三敏感梁(5-3)连接；
第二敏感梁(5-2)和第三敏感梁(5-3)上的压敏电阻通过第二金属引线(6-2)连接形成惠斯通全桥；
芯片外框(1)的下端面键合有玻璃板(7)；
第二子测量单元(2-2)沿其竖向中心线设置有第一沟槽(18-1)，第一沟槽(18-1)将第三质量块(2-6)和第四质量块(2-7)隔开；第二子测量单元(2-2)在其外侧面设置有两个第二沟槽(18-2)，两个第二沟槽(18-2)相对于第二子测量单元(2-2)竖向中心线对称，每一个第二支撑梁(4-2)的一侧和第一沟槽(18-1)接触，另一侧和一个第二沟槽(18-2)的一个端部接触；
第三子测量单元(2-3)沿其竖向中心线设置有第四沟槽(18-4)，第四沟槽(18-4)将第五质量块(2-8)和第六质量块(2-9)隔开，第三子测量单元(2-3)在其两个外侧面分别设置有一个第六沟槽(18-6)，两个第六沟槽(18-6)相对于第三子测量单元(2-3)的竖向中心线对称，第四沟槽(18-4)的端部各自设置有一个垂直的第五沟槽(18-5)；每一个第三支撑梁(4-3)的一侧和第六沟槽(18-6)接触，另一侧和一个第五沟槽(18-5)的端部接触。
2.根据权利要求1所述的一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片，其特征在于，所述第二沟槽(18-2)包括第二侧边(18-2-2)和设置在第二侧边(18-2-2)两端的第一侧边(18-2-1)；第二侧边(18-2-2)平行于第一沟槽(18-1)，第一侧边(18-2-1)垂直于第二侧边(18-2-2)；每一个第二支撑梁(4-2)的一侧和第一沟槽(18-1)接触，另一侧和一个第二侧边(18-2-2)的端部接触。
3.根据权利要求1所述的一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片，其特征在于，所述第二支撑梁(4-2)和所述第三支撑梁(4-3)的下端部均和玻璃板(7)键合。
4.根据权利要求1所述的一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片，其特征在于，第一沟槽(18-1)上阵列设置有若干个第二敏感梁(5-2)，每一个第二敏感梁(5-2)的一端和第三质量块(2-6)的内侧边固定连接，另一端和第四质量块(2-7)的内侧边固定连接；
第四沟槽(18-4)上阵列设置有若干个第三敏感梁(5-3)，每一个第三敏感梁(5-3)一端和第五质量块(2-8)的内侧边固定连接，另一端和第六质量块(2-9)的内侧边固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片，其特征在于，第二子测量单元(2-2)的横向中心线两侧的第二敏感梁(5-2)数量相等，第三子测量单元(2-3)的横向中心线两侧的第三敏感梁(5-3)数量相等。
6.根据权利要求1所述的一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片，其特征在于，X测量单元和Y测量单元的结构相同，各自由两个第一子测量单元(2-1)组成，每一个第一子测量单元(2-1)包括第一质量块(2-4)和第二质量块(2-5)，第一质量块(2-4)的外侧面和第二质量块(2-5)的外侧面各自通过一个第一支撑梁(4-1)和芯片外框(1)连接，第一质量块(2-4)和第二质量块(2-5)的内侧面通过铰链梁(3)和第一敏感梁(5-1)连接。
7.根据权利要求6所述的一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片，其特征在于，所述第一支撑梁(4-1)和铰链梁(3)均位于第一子测量单元(2-1)横向的中心位置。
8.根据权利要求7所述的一种具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片，其特征在于，每一个铰链梁(3)的一侧设置有两个第一敏感梁(5-1)；其中接近铰链梁(3)的两个第一敏感梁(5-1)相对于铰链梁(3)对称，远离铰链梁(3)的两个第一敏感梁(5-1)相对于铰链梁(3)对称；第一敏感梁(5-1)上设置有压敏电阻，四个第一敏感梁(5-1)上的压敏电阻通过第一金属引线(6-1)连接，组成半开环惠斯通全桥电路。
9.一种权利要求8所述的具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对SOI硅片进行双面热氧化，在SOI硅片的上表面和下表面分别形成一层热氧二氧化硅层，分别为上层热氧二氧化硅层(11)和底层热氧二氧化硅层(12)；
步骤2，通过反应离子蚀刻方法去除SOI正面轻掺杂区域内的上层热氧二氧化硅层(11)，在轻掺杂区域内掺杂硼离子后，形成轻掺杂区(13)；
步骤3，在SOI硅片的正面涂覆一层光刻胶(14)，然后通过反应离子蚀刻方法去除重掺杂区域内的上层热氧二氧化硅层(11)，在重掺杂区域内进行重掺杂，形成欧姆接触区(15)；
步骤4，在SOI片的正面使用等离子增强化学气相沉积方法形成一层沉积二氧化硅层(16)，刻蚀引线孔；通过物理气相沉积法在沉积二氧化硅层(16)上沉积Ti/Al层，光刻出金属引线(6)和焊盘(17)的结构；
步骤5，通过反应离子蚀刻方法去除SOI片背面运动间隙区域内的底层热氧二氧化硅层(12)，然后在SOI硅片中衬底硅(10)的背面运动间隙区域内通过电感耦合等离子体刻蚀方法刻蚀出空隙；
步骤6，在底层热氧二氧化硅层(12)的背面通过等离子体增强化学的气相沉积法形成底层氮化硅层(18)；
步骤7，通过反应离子蚀刻方法去除背面刻蚀区域内的底层氮化硅层(18)，所述刻蚀区域在运动间隙区域内；通过深反应离子刻蚀方法在刻蚀区域内刻蚀，刻蚀至埋氧层(9)；形成支撑梁(4)、铰链梁(3)和所有质量块的下半部分；
步骤8，通过反应离子蚀刻方法去除正面刻蚀区域内的上层热氧二氧化硅层(11)和沉积二氧化硅层(16)，然后通过感应耦合等离子刻蚀方法刻蚀至埋氧层(9)，形成支撑梁(4)、铰链梁(3)和所有质量块的上半部分，以及敏感梁(5)的整体结构；
步骤9，将已刻蚀完成的SOI片正面利用光刻胶进行保护，然后利用缓冲液从背面刻蚀埋氧层(9)，将SOI片漂洗后晾干，去除正面的光刻胶(14)，制得芯片；
步骤10，在玻璃板(7)上光刻玻璃金属区域，之后在玻璃板(7)上溅射Cr/Au层(19)，将步骤9制得的芯片通过阳极键合在玻璃板(7)上，所述具有纯轴向变形敏感梁的MEMS压阻式三轴冲击加速度计芯片制备完成。
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