CN1544952A - 真空微电子加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

真空微电子加速度传感器，包括有动极板、绝缘层、真空微腔、上下两个阳极板和信号检测电路。动极板中空，上下两个阳极板与之键合在中间形成真空微腔。其中，动极板具有基板，基板通过悬臂梁将质量块支撑在中央，质量块的上下两面布置有硅微场致发射阴极锥尖阵列和过载保护环，基板上设有动极板输出电极，阳极板上设有阳极板输出电极。上述电极经线路连接信号检测电路。本发明的优点是抗辐射、温度稳定性好、快响应、高灵敏、高分辨率、过载自保护、信号处理电路简单，具有极为广泛的用途。

Description

真空微电子加速度传感器
技术领域
本发明属于加速度传感器技术领域，特别涉及一种集成真空微电子加速度传感器及其制造方法。
背景技术
现有技术中的加速度传感器种类很多，由力平衡叉指式电容式、扭摆式电容式、悬臂梁电容式、隧道击穿式、压阻式、压电式等各种结构和原理的加速度传感器，压阻式加速度传感器的特点是：加工工艺简单、线性度好，但温度效应严重、工作状态不稳定、灵敏度较低；电容式加速度传感器的特点是：温度效应小、灵敏度相对较高、噪声特性好、漂移低、功耗低，但小电容测试方法复杂、受分布电容和电磁干扰的影响；隧道式加速度传感器的特点是：高灵敏度、电流检测，抗干扰能力很强、温度效应小、线性度高，但加工难度大，成品率不高，低频噪声高。以上各种加速度传感器很难同时满足抗辐射、高灵敏、高分辨率等要求。所以，研究高灵敏、高分辨率、高过载能力、抗恶劣环境等高性能的新型集成化微型加速度传感器—直是世界各国研究的热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗辐射、温度稳定性好、快响应、高灵敏、高分辨率、过载自保护、信号处理电路简单的集成真空微电子加速度传感器。
本发明通过以下技术方案加以实现：集成真空微电子加速度传感器，包括有动极板、绝缘层、真空微腔、上下两个阳极板和信号检测电路。动极板中空，上下两个阳极板与之键合在中间形成真空微腔。其中，动极板具有基板，基板通过悬臂梁将质量块支撑在中央，质量块的上下两面布置有硅微场致发射阴极锥尖阵列和过载保护环，基板上设有动极板输出电极，阳极板上设有阳极板输出电极。上述电极经线路连接信号检测电路。
所述的锥尖阵列的锥体表面覆盖着的金刚石薄膜。
所述的信号检测电路由I-V转换电路、差分电路和信号滤波放大电路组成。输出为差分电流，经放大电路输出。
集成真空微电子加速度传感器的工作原理是：在上下两个阳极板及上下硅微场致发射阴极锥尖阵列上施加一定的正电压，阴阳极间将形成电场，当阴极锥尖的电场达到一定强度时，电子将克服表面势垒逸出阴极被阳极收集，从而形成正向电流。当阴阳极间的电压恒定时，动极板在加速度作用下上下偏移时，使阴极锥尖与阳极板的距离发生变化，阴极锥尖表面附近的电场发生变化。从而使阴阳极间的电流发生变化，动极板与上下两个阳极板之间形成一个差分电流输出。通过测量两个阴阳极间的电流变化便能检测到动极板(即质量块)的位移，从而检测到加速度，其直接输出量是电流信号。当加速度超过量程时，上下两个阳极板将和动极板上下两面的过载保护环(2)的顶部绝缘层接触，从而达到过载自保护。
本发明的优点是：
1、该加速度传感器的工作依靠冷阴极发射，工作“媒质”是真空，电子在“真空”中渡越，辐照和高低温对其没有影响，因而不会象半导体那样易受温度或辐照等影响致使器件性能变坏。
2、电子在真空中传输，真空中的电子速度比Si中的电子速度要快100倍，比速度最快的现代半导体材料(Gdh，Inp)还要快20倍，因而其响应速度快。
3、由于采用场发射原理，器件不需要预热，功率低。
4、锥尖阵列的锥体表面覆盖一层金刚石薄膜，从而解决了锥尖随时间的老化，提高了传感器的长期稳定及温度稳定性。
5、输出的差分电流经过信号放大后输出。电流的差分可以提高加速度传感器的灵敏度和分辨率。在工作电压下，差分电流可以达到几十微安以上，其信号只需简单放大即可输出。
因此本发明是一种抗辐射、温度稳定性好、快响应、高灵敏、高分辨率、过载自保护、信号处理电路简单的集成真空微电子加速度传感器，具有极为广泛的用途。
附图说明
图1是本传感器的截面图(不含信号处理电路部分)；
图2是图1的A部放大视图；
图3是本传感器动极板的顶视图；
图4是本传感器的信号处理电路部分的电路框图。
图5是电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案中进一步说明：
图中，1为动极板悬臂梁，2为过载保护环，3为质量块的上下两面的硅微场致发射阴极锥尖阵列，4为金刚石薄膜，5为真空微腔，6为绝缘层，7为阳极板输出电极，8为阳极板，9为动极板输出电极，10为质量块，11为基板、12为I-V转换电路、13为差分电路、14为信号滤波放大电路。
参见图1、图2、图3和图4，集成真空微电子加速度传感器主要包括动极板、绝缘层6、真空微腔5、上下两个阳极板8和信号检测电路。动极板中空，由上下两个阳极板8与之键合，在中间形成真空微腔5，上下阳极板8与动极板之间通过绝缘层6绝缘。动极板具有基板11，基板通过设有四根悬臂梁1将质量块10支撑在真空微腔5中央，质量块10的上下两面布置有硅微场致发射阴极锥尖阵列3和过载保护环2，锥尖阵列的锥体表面覆盖着的金刚石薄膜4。基板11上设有动极板输出电极9，上下阳极板8上都设有阳极板输出电极7。上述电极经线路连接信号检测电路。
参见图5，信号检测电路由I-V转换电路12、差分电路13、信号滤波放大电路14组成。
下面简述集成真空微电子加速度传感器的制作工艺，其主要工艺包括两部分：核心是真空微电子加速度传感器芯片的制造，然后是信号检测电路。具体描述如下：
A、集成真空微电子加速度传感器芯片的制作
(1)预处理0.5～5Ω·cm的n型(100)双面抛光单晶硅片；
(2)双面热氧化生长1.5μm的SiO2；
(3)双面光刻、腐蚀完成过载保护环与锥尖的一定高差；
(4)双面热氧化生长SiO2随后LPCVD淀积Si3N4；
(5)双面光刻、干法腐蚀和湿法腐蚀相结合的方法，腐蚀阴极锥尖阵列；
(6)双面对阴极锥尖阵列进行氧化锐化处理，随后用HF漂去SiO2；
(7)双面阴极锥尖阵列溅射金刚石薄膜；
(8)双面PECVD淀积SiO2/Si3N4复合膜；
(9)双面光刻、干法腐蚀和湿法腐蚀相结合完成悬臂梁的制造；
(10)用0.5～2Ω·cm的n型(100)双面抛光单晶硅片与动极板硅片单面真空键合；
(11)在键合上的硅片背面光刻，形成对位标记；
(12)再用0.5～2Ω·cm的n型(100)双面抛光单晶硅片与动极板硅片的另一面真空键合；
(13)用深刻蚀方法在上极板刻蚀出动极板；
(14)蒸镀Al，返刻、合金形成电极压焊点。
B、用成熟的厚膜集成电路工艺完成信号检测电路。

Claims (3)

1、真空微电子加速度传感器，其特征在于：包括有动极板、绝缘层、真空微腔、上下两个阳极板和信号检测电路；动极板中空，上下两个阳极板与之键合，在中间形成真空微腔，并通过绝缘层绝缘；其中，动极板具有基板，基板通过设有悬臂梁将质量块支撑在真空微腔中央，质量块的上下两面布置有硅微场致发射阴极锥尖阵列和过载保护环，基板上设有动极板输出电极；阳极板上设有阳极板输出电极；上述电极经线路连接信号检测电路。
2、根据权利要求1所述的真空微电子加速度传感器，其特征在于：锥尖阵列的锥体表面覆盖有金刚石薄膜。
3、根据权利要求1或2所述的真空微电子加速度传感器，其特征在于：其特征在于信号检测电路由I-V转换电路、差分电路、信号滤波放大电路组成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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