CN1198116C - 一种硅微机械倾角传感器和制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于姿态监测和控制的硅微机械倾角传感器和制作方法，所述的传感器由两个大小不同的硅质量块和连接它们的两个相互平行的硅应变梁和下面的具有一级台阶的玻璃衬底构成。传感器上部的两个硅质量块表面均有电极，两个硅应变梁上的四个压敏电阻交叉对称，不同硅应变梁对应位置上的两个压敏电阻相互垂直，分别沿着硅晶体的两个不同晶向，可构成差动输出以提高灵敏度。硅应变梁两端的质量块采用不对称设计，可根据不同需要选择其中一个质量块作为自由端，另一个为固定质量块与玻璃衬底的上级台阶固定封接在一起。具有双应变梁的微机械倾角传感器，能够显著提高抗侧向冲击能力并减轻侧向耦合的干扰，结构简单，其制作工艺较容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及自动化机器人控制的传感器领域，特别涉及一种用于姿态监测和控制的硅微机械倾角传感器。
背景技术
倾角传感器是一种用于姿态监测和控制的传感器，在卫星、导弹、坦克、火炮、飞机、汽车、舰船、地质石油勘探、建筑施工、机器人的陆地和水下作业等各种军事及民用领域有极为广泛的应用。传统的倾角传感器尺寸较大，不适用于对体积和重量有一定限制的领域，目前国内外已经研制出一种热对流式硅倾角传感器，但这种传感器功耗较大，抗侧向耦合干扰能力弱，响应较慢。
发明内容
本发明的目的是研制出一种新的、抗侧向耦合干扰能力强、灵敏度高的微机械硅倾角传感器。
本发明的技术方案是：一种硅微机械倾角传感器，传感器包括硅质量块(1)A、硅质量块(1)B、具有一级台阶的玻璃衬底(2)、电极(3)、压敏电阻(4)A、压敏电阻(4)B、硅应变梁(5)，其特征在于：
传感器结构是由两个大小不同的硅质量块(1)A、硅质量块(1)B和连接它们的两个相互平行的硅应变梁(5)和下面的具有一级台阶的玻璃衬底(2)构成，玻璃台阶的高度等于硅应变梁的最大变形量；
其中传感器上面的硅质量块(1)A、硅质量块(1)B表面均有电极(3)，两个走向相互垂直的压敏电阻(4)A、压敏电阻(4)B分布在硅应变梁(5)的两端且四个压敏电阻交叉对称，传感器下面玻璃衬底(2)的上级台阶可选任一个硅质量块(1)A、硅质量块(1)B作为固定质量块与其固定封接在一起；
当选左质量块(1)A作为自由端时，右边的硅质量块(1)B作为固定质量块与玻璃衬底(2)的上级台阶固定封接，反之当选右质量块(1)B作为自由端时，左边的硅质量块(1)A作为固定质量块与玻璃衬底(2)的上级台阶固定封接；
由于硅质量块(1)A、硅质量块(1)B表面均有电极(3)，因此压敏电阻(4)A、压敏电阻(4)B的信号可以从选作固定硅质量块的一端上输出。
所述的硅质量块(1)A、硅质量块(1)B是两个平面尺寸不等、厚度相同、具有不同质量的硅质量块，硅质量块(1)A、硅质量块(1)B的厚度为300～500微米。
所述的两个硅应变梁(5)的厚度均为5～30微米，它们之间相距400微米～3毫米，其平面尺寸完全相同，相互平行且完全对称，均沿着硅晶体的方向。
所述的具有一级台阶的玻璃衬底(2)选用与硅的热膨胀系数较为接近的硼硅玻璃。
所述的硅微机械倾角传感器制作的方法是：
1)硅质量块(1)A、硅质量块(1)B所在硅片的清洗及双面热氧化；
2)硅质量块(1)A、硅质量块(1)B所在硅片正面光刻出两个硅应变梁(5)上的压敏电阻(4)A、压敏电阻(4)B的离子注入区窗口；
3)正面第一次离子注入形成电阻区；
4)正面匀胶并光刻出电阻头区窗口；
5)光刻胶作为掩膜，进行第二次离子注入以形成欧姆接触区；
6)采用LPCVD在双面上淀积一层氮化硅；
7)正面光刻出分离槽结构窗口和引线孔窗口；
8)背面光刻出分离槽结构窗口；
9)正面溅射Cr-Au复合金属；
10)正面光刻出Cr-Au引线和电极；
11)采用各向异性湿法腐蚀或干法硅深刻蚀技术加工出硅敏感单元结构；
12)采用掩模抛光技术加工出具有一级台阶的硼硅玻璃衬底，玻璃台阶的高度等于硅应变梁的最大变形量；
13)硅敏感单元结构与玻璃衬底(2)的上级台阶表面进行静电封接：
14)用金丝球焊机将作为固定端硅质量块表面的电极(3)用引线引出，并对传感器进行外壳封装。
本发明的有益效果是：该传感器是一种具有双应变梁的微机械倾角传感器，能够显著提高抗侧向冲击能力并减轻侧向耦合的干扰。硅应变梁两端的质量块采用不对称设计，可根据不同需要选择其中一个质量块作为自由端，另一个硅质量块与玻璃衬底封接在一起。不同硅应变梁对应位置上的两个压敏电阻相互垂直，分别沿着硅晶体的两个不同晶向，可构成差动输出以提高灵敏度。两个硅质量块上均有电极，压敏电阻的信号可从任一端的硅质量块上表面引出，降低了局部引线断裂造成信号断路的风险，因而可提高成品率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是硅微机械倾角传感器的结构图；
图2是硅微机械倾角传感器制作工艺流程图。
图中1.(1A、1B)硅质量块，2.具有一级台阶的玻璃衬底，3.电极，4.(4A、4B)压敏电阻，5.硅应变梁。
具体实施方式
硅微机械倾角传感器由两个不同大小的硅质量块1A、硅质量块1B和连接它们的两个相互平行的硅应变梁5和下面具有一级台阶的玻璃衬底2构成，玻璃台阶的高度等于硅应变梁的最大变形量。硅质量块1A、硅质量块1B表面均有电极3。
两个走向相互垂直的压敏电阻4A、压敏电阻4B，布置在硅应变梁5的两端，压敏电阻4A、压敏电阻4B的信号可以从任一端的硅质量块上输出，安装在两个硅应变梁5上的四个压敏电阻4A、压敏电阻4B交叉对称。
传感器上面的硅质量块1A、硅质量块1B其中任一个可与下面的玻璃衬底2的上级台阶封接在一起，玻璃衬底2选用与硅的热膨胀系数较为接近的硼硅玻璃。
当左质量块1A作为自由端时，右边的硅质量块1B与玻璃衬底2的上级台阶封接，反之当右质量块1B作为自由端时，左边的硅质量块1A与玻璃衬底2的上级台阶封接。即当一端的硅质量块悬空时，硅应变梁5处于应变状态，其应变大小及其分布随着倾角的不同而相应改变。
两个硅应变梁5的厚度均为5～30微米，其平面尺寸完全相同，它们之间相距400微米～3毫米，相互平行且完全对称，均沿着硅晶体的方向。
硅质量块1A、硅质量块1B是两个平面尺寸不等、厚度相同、具有不同质量的硅质量块，硅质量块1A、硅质量块1B的厚度为300～500微米。
硅微机械倾角传感器制作的方法是：
硅质量块(1)A、硅质量块1B所在硅片的清洗及双面热氧化；硅质量块1A、硅质量块1B所在硅片正面光刻出两个硅应变梁5上的压敏电阻4A、压敏电阻4B的离子注入区窗口；正面第一次离子注入形成电阻区；正面匀胶并光刻出电阻头区窗口；以光刻胶作为掩膜，进行第二次离子注入以形成欧姆接触区；采用LPCVD在双面上淀积一层氮化硅；正面光刻出分离槽结构窗口和引线孔窗口；背面光刻出分离槽结构窗口；正面溅射Cr-Au复合金属；正面光刻出Cr-Au引线和电极3；采用各向异性湿法腐蚀或干法硅深刻蚀技术加工出硅敏感单元结构；采用掩模抛光技术加工出具有一级台阶的硼硅玻璃衬底2，玻璃台阶的高度等于硅应变梁的最大变形量；硅敏感单元结构与玻璃衬底2的上级台阶表面进行静电封接；用金丝球焊机将作为固定端硅质量块表面的电极3用引线引出，并对传感器进行外壳封装。
Claims (2)
1、一种硅微机械倾角传感器，传感器包括硅质量块(1)A、硅质量块(1)B、具有一级台阶的玻璃衬底(2)、电极(3)、压敏电阻(4)A、压敏电阻(4)B、硅应变梁(5)，其特征在于：
传感器结构是由两个大小不同的硅质量块(1)A、硅质量块(1)B和连接它们的两个相互平行的硅应变梁(5)和下面的具有一级台阶的玻璃衬底(2)构成，玻璃台阶的高度等于硅应变梁的最大变形量；
其中传感器上面的硅质量块(1)A、硅质量块(1)B表面均有电极(3)，两个走向相互垂直的压敏电阻(4)A、压敏电阻(4)B，布置在硅应变梁(5)的两端且四个压敏电阻交叉对称，传感器下面的玻璃衬底(2)的上级台阶可选任一个硅质量块(1)A、硅质量块(1)B作为固定质量块与其固定封接在一起；
当选左质量块(1)A作为自由端时，右边的硅质量块(1)B作为固定质量块与玻璃衬底(2)的上级台阶固定封接，反之当选右质量块(1)B作为自由端时，左边的硅质量块(1)A作为固定质量块与玻璃衬底(2)的上级台阶固定封接；
由于硅质量块(1)A、硅质量块(1)B表面均有电极(3)，因此压敏电阻(4)A、压敏电阻(4)B的信号可以从选作固定封接硅质量块的一端上输出；
所述的硅质量块(1)A、硅质量块(1)B是两个平面尺寸不等、厚度相同、具有不同质量的硅质量块，硅质量块(1)A、硅质量块(1)B的厚度为300～500微米；
所述的两个硅应变梁(5)的厚度均为5～30微米，它们之间相距400微米～3毫米，其平面尺寸完全相同，相互平行且完全对称，均沿着硅晶体的方向；
所述的具有一级台阶的玻璃衬底(2)选用与硅的热膨胀系数较为接近的硼硅玻璃。
2、一种如权利要求1所述的硅微机械倾角传感器制作的方法，其特征在于：
1)硅质量块(1)A、硅质量块(1)B所在硅片的清洗及双面热氧化；
2)硅质量块(1)A、硅质量块(1)B所在硅片正面光刻出两个硅应变梁(5)上的压敏电阻(4)A、压敏电阻(4)B的离子注入区窗口；
3)正面第一次离子注入形成电阻区；
4)正面匀胶并光刻出电阻头区窗口；
5)光刻胶作为掩膜，进行第二次离子注入以形成欧姆接触区；
6)采用LPCVD在双面上淀积一层氮化硅；
7)正面光刻出分离槽结构窗口和引线孔窗口；
8)背面光刻出分离槽结构窗口；
9)正面溅射Cr-Au复合金属；
10)正面光刻出Cr-Au引线和电极(3)；
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