CN202093043U

CN202093043U - Saw-mems加速度传感器

Info

Publication number: CN202093043U
Application number: CN 201120158944
Authority: CN
Inventors: 杨增涛; 卜继军; 马晋毅; 肖凯; 陈小兵; 董加和; 杨正兵; 冷俊林; 赵建华; 王勇; 江黎
Original assignee: CETC 26 Research Institute
Current assignee: CETC 26 Research Institute
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2021-05-18

Abstract

本实用新型公开了SAW-MEMS加速度传感器，涉及微电子惯性器件领域，加速度传感器包括SAW金属叉指换能器、带有悬臂微梁的水晶片以及预设沟槽的硅基片，SAW金属插指换能器制作于水晶片内的悬臂微梁上，悬臂微梁键合在预设沟槽的硅基片上，水晶片先与另一片无沟槽硅基片通过键合，减薄后再通过键合工艺转移至预设沟槽的硅基片上；在水晶片上与预设沟槽相应的位置制作SAW插指换能器，并在水晶片上刻蚀出悬臂微梁结构，使SAW插指换能器在悬臂微梁上。所述加速度传感器采用MEMS工艺，器件尺寸小，适合批量生产；因此本实用新型提供的加速度传感器可靠性高、敏感范围大、功耗小、精度高、小尺寸且易于封装。

Description

SAW-MEMS加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及微电子器件领域，特别涉及到一种加速度传感器。

背景技术

加速度计又称为加速度传感器，是惯性测量系统的核心元件之一。加速度传感器通常是利用敏感质量块把被测加速度转换为其惯性力(牛顿第二定律)，进而达到测量加速度的目的。

1965年，美国的R．M．White和F．M．Voltmov发明了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器(简称为IDT)后，声表面波(Surface Acoustic Waves，简称SAW)技术得到了迅速发展。

SAW加速度计是一种新型的机械量传感器，SAW器件是SAW加速度计的关键部件，根据所用SAW器件的不同，可分为谐振器型和延迟线型。1988年底，法国Thomson-CSF研究中心已研制出拉一压式、非悬臂微梁式、双非悬臂微梁式及角形悬臂微梁式四种类型的SAW加速度计，美国Rockwell也在上世纪八十年代研究出用以形成二维锤形结构的悬臂水晶梁的独特工艺的SAW加速度计。在以上产品中，由于切割水晶片厚度的限制，制作出的悬臂微梁尺寸也受到很大的限制，另外悬臂微梁需要一个较大的支撑端，较难将加速计微型化。

我国在SAW加速度计的研究方面起步较晚，西北工业大学于1990年研制出悬臂微梁加速度传感器，其结构为在一个金属梁上下两侧贴两个SAW器件，用于感知梁运动时加速度的变化，此系统存在以下缺陷：（1）由于SAW谐振器的温度漂移及其封装的疲劳老化，现有悬臂微梁式SAW加速度传感器的测量准确度和稳定性不够高；（2）悬臂微梁式SAW加速度传感器的敏感范围(敏感闭和测量量程)较小，为避免过强加速度惯性力使其疲劳断裂等因素，悬臂微梁的尺寸限制了加速度传感器的敏感度；（3）由于采用了金属梁，系统很难实现微型化。

因此急需一种可靠性高、敏感范围大、功耗小、精度高、小尺寸且易于封装的加速度传感器及制作方法。

实用新型内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本实用新型提出一种可靠性高、敏感范围大、功耗小、精度高、小尺寸且易于封装的加速度传感器及制作方法。

本实用新型的目的是提出一种SAW-MEMS加速度传感器；

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

本实用新型提供的SAW-MEMS加速度传感器，包括SAW金属叉指换能器、悬臂微梁、水晶片、预设沟槽硅基片；所述悬臂微梁支撑端固定设置于水晶片上，所述悬臂微梁自由端悬空设置于预设沟槽硅基片的预设沟槽上方，所述SAW金属插指换能器设置于悬臂微梁上表面悬臂端，所述悬臂微梁下表面对应预设沟槽硅基片的预设沟槽，所述悬臂微梁上表面设置有输入电极和输出电极，所述金属叉指换能器与输入输出电极连接。

进一步，所述悬臂微梁自由端设置有悬挂质量块，所述悬挂质量块位于预设沟槽上方的悬臂微梁自由端的上表面；

进一步，所述预设沟槽深度介于2微米至500微米之间；

进一步，所述悬臂微梁的形状为四边形或多边形，所述悬臂微梁的厚度介于5微米至200微米之间，长度介于50微米至1厘米之间；

进一步，所述SAW金属叉指换能器为谐振型或延迟型；

进一步，所述SAW金属叉指换能器为Al、Cu或Au材质的换能器。

本实用新型的优点在于：本实用新型采用在预设沟槽的硅基片上设置水晶片并在水晶片上刻蚀出悬臂微梁，在悬臂微梁上与预设沟槽相应的位置制作SAW插指换能器，制作加速度传感器时采用MEMS工艺，器件尺寸小，适合批量生产；因此本实用新型提供的加速度传感器可靠性高、敏感范围大、小尺寸且易于封装。

本实用新型的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中：

图1为本实用新型提供的实施例的俯视平面图；

图2为本实用新型提供的实施例中的A-A’剖面图；

图3(a)至图3(e)为本实用新型提供的实施例1制作工艺流程图；

图4(a)至图4(d)为本实用新型提供的实施例2制作工艺流程图；

图5为悬臂微梁的结构及受力示意图。

图中标号所代表的名称为：1为带预设沟槽的硅基片，2为预设沟槽，3为水晶片，4为无沟槽的硅基片，5为插指换能器（IDT），6为悬挂质量块，7为悬臂微梁。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。

SAW加速度计是一种新型的机械量传感器，SAW器件是SAW加速度计的关键部件，SAW在所处环境改变或受到物理、化学、生物量的作用时，其工作频率或延迟时间也会变化。根据这些变化与被测量量的对应关系，就可以确定被测量的大小。根据这种原理制作的加速度传感器，可以测量机械量、温度、气体、湿度、生物量等。

下面介绍传感器的原理：

图5为悬臂微梁的结构及受力示意图，如图所示，对于自由端悬挂质量块m的各向同性材料的悬臂微梁，悬臂微梁的最大应变分量在梁的上下表面，其水平方向应变分量为：

Figure 2011201589443100002DEST_PATH_IMAGE001

其中E为梁材料的弹性模量，L表示悬臂梁长度，h表示悬臂梁厚度，b表示悬臂梁宽度，x表示长度方向x轴，y表示厚度方向y轴，F表示质量块m的惯性力。

由此可见，悬臂微梁最大应变分量在支撑端，且与厚度的平方成反比，加速度的灵敏度与梁的厚度有重要相关性，只要将梁厚度降低一个数量级，将会带来加速度灵敏度两个数量级的提升，同时对加速度的体积将会带来数个数量级的减小。

图1为本实用新型的实施例的俯视平面图；图2为本实用新型的实施例中的A-A’剖面图；如图所示：本实用新型提供的SAW-MEMS加速度传感器，包括SAW金属叉指换能器5、悬臂微梁7、水晶片3、预设沟槽硅基片1；所述悬臂微梁7支撑端固定设置于水晶片3上，所述悬臂微梁自由端悬空设置于预设沟槽硅基片的预设沟槽上方，所述SAW金属插指换能器5设置于悬臂微梁7上表面悬臂端，所述悬臂微梁下表面对应预设沟槽硅基片的预设沟槽，所述悬臂微梁上表面设置有输入电极和输出电极，所述金属叉指换能器与输入输出电极连接。

作为上述实施例的进一步改进，所述悬臂微梁自由端设置有悬挂质量块6，所述悬挂质量块6位于预设沟槽上方的悬臂微梁7自由端的上表面。

作为上述实施例的进一步改进，所述预设沟槽2深度介于2微米至500微米之间。

作为上述实施例的进一步改进，所述悬臂微梁的形状为四边形或多边形，所述悬臂微梁的厚度介于5微米至200微米之间，长度介于50微米至1厘米之间。

作为上述实施例的进一步改进，所述SAW金属叉指换能器为谐振型或延迟型。

作为上述实施例的进一步改进，所述SAW金属叉指换能器为Al、Cu或Au材质的换能器。

图3为本实用新型提供的实施例1制作工艺流程图；

本实用新型提供的SAW-MEMS加速度传感器制作方法，包括以下步骤：

(1)如图3中3（a），在硅基片的上表面刻蚀出沟槽，形成带有预设沟槽的硅基片；

(2)如图3中3（b），将带沟槽的硅基片与另一水晶片键合；

(3)如图3中3（c），将水晶片减薄并抛光形成预设空腔；

(4)如图3中3（d），在水晶基片上制作SAW叉指换能器和电极；

(5)如图3中3（g），在水晶基片上刻蚀出悬臂微梁。

图4为本实用新型提供的实施例2制作工艺流程图；图4为图3（c）步骤的另一实施方案，与图3相比，图4制作出的悬臂微梁厚度均匀可控，且制作出的微梁厚度更薄。作为上述实施例的进一步改进，所述步骤(3)中具体包括以下步骤：

如图4中4（b），将硅基片与水晶片通过键合工艺形成无沟槽硅片4-水晶双层结构基片；

如图4中4（c），将带预设沟槽的硅基片的带沟槽一侧与无沟槽硅片4-水晶双层结构的水晶片一侧键合形成预设空腔；

如图4中4（d），将无沟槽硅基片进行初步机械减薄，通过化学腐蚀将无沟槽绝缘体硅层全部除去，完成顶层硅由无沟槽硅基片向有沟槽硅基片的转移。

作为上述实施例的进一步改进，还包括在悬臂微梁上设置悬挂质量块，所述悬挂质量块是通过镀膜、焊接或刻蚀方式附加到悬臂微梁上。

作为上述实施例的进一步改进，所述步骤(1)至(5)中的衬底硅基片可用水晶或熔融石英材料代替。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1. SAW-MEMS加速度传感器，其特征在于：包括SAW金属叉指换能器、悬臂微梁、水晶片、预设沟槽硅基片；所述悬臂微梁支撑端固定设置于水晶片上，所述悬臂微梁自由端悬空设置于预设沟槽硅基片的预设沟槽上方，所述SAW金属插指换能器设置于悬臂微梁上表面悬臂端，所述悬臂微梁下表面对应预设沟槽硅基片的预设沟槽，所述悬臂微梁上表面设置有输入电极和输出电极，所述金属叉指换能器与输入电极和输出电极连接。

2. 根据权利要求1所述的SAW-MEMS加速度传感器，其特征在于：所述悬臂微梁自由端设置有悬挂质量块，所述悬挂质量块位于预设沟槽上方的悬臂微梁自由端的上表面。

3. 根据权利要求2所述的SAW-MEMS加速度传感器，其特征在于：所述预设沟槽深度介于2微米至500微米之间。

4. 根据权利要求3所述的SAW-MEMS加速度传感器，其特征在于：所述悬臂微梁的形状为四边形或多边形，所述悬臂微梁的厚度介于5微米至200微米之间，长度介于50微米至1厘米之间。

5. 根据权利要求4所述的SAW-MEMS加速度传感器，其特征在于：所述SAW金属叉指换能器为谐振型或延迟型。

6. 根据权利要求5所述的SAW-MEMS加速度传感器，其特征在于：所述SAW金属叉指换能器为Al、Cu或Au材质的换能器。