CN2076240U - 双岛五梁结构单块硅加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于半导体硅加速度传感器的领 域。硅芯片采用双岛五梁的微机械结构，力敏元件集 中在二维图形对称中心的梁区上，因而可消除或显著 减小横向效应，得到横向效应小，灵敏度高而工艺可 控性好的单块硅加速度传感器。

Description

本实用新型属物理测量技术领域，是一种测量加速度的半导体硅传感器。

利用固态物性效应制成的加速度传感器主要有压电式和压阻式两大类。压电式加速度传感器利用石英晶体、压电陶瓷等材料的压电效应制成，它具有灵敏度高的优点，但不能用来测量直流或低频的信号；又由于它的输出阻抗很高，因此对使用条件的要求也甚为严格。压阻式加速度传感器使用硅和锗等半导体材料的压阻效应制成，因此可测量静态信号，它的输出阻抗很低，应用十分方便。

早期的压阻式加速度传感器是在机械加工的悬臂梁上黏贴应变电阻而构成。这种方法不利于批量生产，质量也不易控制。近年来，随着硅微机械加工技术的成熟，出现了单块硅压阻式加速度传感器，即用微机械加工技术制成的支架、梁和质量块为由硅材料构成的整体式结构。力敏元件（力敏电阻全桥或四端单元件力敏电阻）用扩散或离子注入的方法制作在梁上。早期的单块硅加速度传感器也是简易的悬臂梁式结构。这种器件有显著的横向效应，即在梁平面方向上的加速度也会引起输出，造成横向灵敏度。悬臂梁器件的横向灵敏度因梁的厚度、长度等参数的不同而异，一般可达到梁法向灵敏度的百分之五左右。

为了减小横向效应，有人提出了一种用四个梁支承一个岛的结构（H.U.Allen，S.C.Terry，D.W.DeBruin，Accelerometer  Systems  with  Self－testable  Features  Sensors  and  Actuators，Vol.20（1989）pp153－161），其正视图如图6所示。图中斜线部分为穿透区，中间的岛区与四周边框通过四个梁连接。当存在有垂直于器件平面方向的加速度时，中心质量块受力而在连接梁与框架的四个梁上引起应力。在梁上适当位置制作力敏电阻并联成全桥（或用单个四端力敏电阻器）就可以获得加速度信号。这样的器件在横向有加速度时，四个梁上也会产生应力，因而出现横向灵敏度。为了消除横向效应，一种设计是在四个梁上制作八个电阻，将这些电阻以特定的方式两串联再构成全桥。这样就可以达到消除横向效应保留法向效应的效果。但在这种结构中梁上应力从正到负变化很大，因此力敏电阻的特性对位置很敏感，难以准确控制。另外，四个梁上八个电阻之间复杂的交叉连接也引起失调增大、温漂增加和成品率下降等问题。

本实用新型的目的在于提供一种能用简单的力敏元件，实现消除横向效应的、芯片为硅梁、岛微机械结构的加速度传感器。

本实用新型提出的加速度传感器，由梁、岛结构的矩形硅芯片、力敏元件（力敏电阻）按通常工艺制作、封装而成。其中硅芯片设计成如下形状：芯片中间部分为两个位置对称的、相同的、形似长方形的岛区（质量块），两个岛区之间由位于图形对称中心的硅梁（中心梁）连接，岛区与四周边框由岛两角处的4个硅梁连接，岛区与边框之间、岛与岛之间除连接梁外，其余部分为穿透区。力敏元件可以是力敏电阻全桥，也可以是四端单元件力敏电阻，采用扩散或离子注入的方法集中制作在中心梁上。图1是硅片为正方形时的正面形状示意图。其中虚线表示硅芯片背面的形状轮廓，图2、3、4分别为图1中硅芯片在A－A′、B－B′、C－C′几个典型部位的剖面示意图。硅芯片的大小根据实际使用需要选定，一般为3－8mm，厚度为200～400μm，芯片的边框部分2厚度为原始硅片厚度，正面宽度为0.5～1μm，岛区1的厚度略小于边框的厚度，一般相差5－10μm，图中斜线部分为岛区2与边框1之间的穿透区3，左右两边成狭条形区域，上、下两边成丁字形区域，穿透区的宽度为50－100μm，连接梁4和5的厚度是一致的，一般在10－80μm之间，为原始硅片厚度的1／10左右，具体根据器件的灵敏度要求和量程确定。力敏元件6制作在中心梁5上。

本实用新型提出的加速度传感器有如下一些特点：

1、对沿x方向（器件平面内、沿梁的方向上）的加速度，由于二个质量块在中心梁的二边对称分布，所以它们产生的惯性力在中心梁上相抵消，不产生应力；因此无横向效应。

2、对沿y方向（器件平面内，垂直梁的方向上）的加速度，由于每个质量块由两个分得很开的二个梁与框架相连，这两个梁在y方向上的合成刚度很大，质量块在y方向上几乎不产生位移。因此，y方向的加速度引起的横向效应也非常小。

3、对于z方向的加度度，两个质量块的惯性力将在梁上产生较大的应力。每一个梁上的应力有相同的符号，但中心梁上的应力与四个边缘梁上的应力有相反的符号。由于梁上应力，特别是中心梁上的应力，随位置变化缓慢，因此光刻对准偏差引起电阻的压阻灵敏度的变化很小。

4、一般设计中将力敏电阻全桥的四个电阻或四端单元件力敏电阻设计在中心梁上。由于力敏器件在空间上很集中，器件及布线又十分简洁，因此有利于减小器件失调，提高温度稳定性和成品率。此外，由于应力集中效应，有利于器件灵敏度的提高。

上述硅微机械结构，一般在（100）晶向的硅单晶抛光片上实现。硅芯片为长方形（包括正方形），边沿〈110〉方向。硅片厚度可以比用于压力传感器的硅片厚，以增大岛的质量，但一般不超过400微米，否则为了腐蚀穿通区所需的腐蚀时间就十分长。另外，为了使质量块尽可能大，实际上背面岛区的掩膜图形要加以扩大并在凸角区增加补偿图形，这可参考有关文献即知。

实施例及制作工艺如下：材料为（100）n型硅片，电阻率为1Ω－cm左右，单个芯片尺寸为5mm×5mm方形，厚度220微米。两面用热氧化方法生长SiO2层，厚约5000A；在硅片正面光刻出穿透区，去除该区域内的SiO2。光刻时注意使芯片的边沿〈110〉晶向；从正面腐蚀硅，深度约为20μm；用集成电路的常规工艺形成位于中心梁上的力敏器件和布线；背面光刻，在与正面图形对准的情况下留下边框和岛区的SiO2。在保护正面的条件下，从背面腐蚀硅片，直至穿透为止，这时梁的厚度就为20μm左右。将合格的芯片进行封装后测试。图5为封装后器件的剖示图（示意），其7为外壳，8为玻璃基片，9为硅芯片，10为限位盖板，11为内引线，12为外引线，13为引线架。

用该实用新型实现的加速度传感器，其量程一般为几十个g（重力加速度单位），可在汽车、航空等工业中用作加速度测量，也可用于某些工业振动测试。

图1为硅芯片正面示意图。图2、3、4为图1中在硅芯片的A－A′、B－B′、C－C′处的剖示图。图5为封装后器件剖示图。图6为单块硅四梁的芯片正面图。

Claims (2)

1、一种由矩形硅芯片、力敏元件(力敏电阻)按通常工艺制作、封装而成的微机械结构加速度传感器，其特征在于硅芯片中间部分为两个位置对称的、相同的、形似长方形的岛区(质量块)，两个岛区之间由位于图形对称中心的硅梁(中心梁)连接，两岛区与四周边框由岛两角处的4个硅梁连接，岛区与边框之间，岛与岛之间除连接梁外，其余部分为穿透区，力敏元件集中制作在中心梁上。

2、根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于矩形硅芯片边长为3～8mm，正面的边框宽度为0.5～1mm，边框厚度为原始硅片的厚度：200～400μm，岛区的厚度比边框厚度小5～10μm，5个连接梁厚度在10～80μm范围内，穿透区宽度为50～100μm。

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