CN208443865U - 一种单片集成三轴加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单片集成三轴加速度传感器，其中，采用微电子机械加工技术方法，利用4个双L型梁、两个质量块、中间双梁作为弹性元件，所述两个质量块将感受的加速度信息(a_x、a_y、a_z)转换为弹性元件形变，引起所述由弹性元件根部12个压敏电阻构成的3个惠斯通电桥结构输出电信号发生变化，可分别实现三个方向加速度(a_x、a_y、a_z)检测；并且，通过优化4个双L型梁和两个质量块、中间双梁尺寸，优选后三个检测电路检测对应加速度具有较好一致性。

Description

一种单片集成三轴加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及加速度传感器，特别地，涉及一种单片集成三轴加速度传感器。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，传感器技术倍受重视，尤其在现代工业、汽车电子、航空航天、深海探测等领域得到广泛应用。

在现有技术中，用于检测三轴加速度的传感器包括电容式三轴加速度传感器、压电式三轴加速度传感器和压阻式三轴加速度传感器等。为实现空间三个方向加速度同时测量，通过组合封装相应敏感单元进行三轴加速度检测。

但是，在现有技术所公开的三轴加速度传感器中，因各方向敏感单元存在一定差异，在空间三个方向加速度同时测量过程中，传感器存在灵敏度、量程、准确度等特性不一致问题。尤其的，在现有技术的传感器中，x、y轴方向的灵敏度过低，而z轴方向的灵敏度过高。

实用新型内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，通过采用微电子机械加工技术(MEMS)方法，利用4个双L型梁、两个质量块中间双梁作为弹性元件，所述两个质量块(m₁、m₂)将感受的加速度信息(a_x、a_y、a_z)转换为弹性元件形变，引起所述由弹性元件根部12个压敏电阻构成的3个惠斯通电桥结构输出电信号(V_xout1、V_xout2、V_yout1、V_yout2、V_zout1、V_zout2)发生变化，可分别实现三个方向加速度(a_x、a_y、a_z)检测；通过优化4个双L型梁和两个质量块中间双梁尺寸，优选后三个检测电路检测对应加速度具有较好一致性，完成本实用新型。

本实用新型一方面提供了一种单片集成三轴加速度传感器，具体体现在以下几方面：

(1)一种单片集成三轴加速度传感器，其中，所述传感器以SOI片为载体，所述SOI片包括器件硅1和衬底硅2，其中，在所述传感器的中心位置刻蚀有悬空结构，所述悬空结构包括第一质量块m1、第二质量块m2、第一中间梁ZL1、第二中间梁ZL2和四个L型梁，其中，对所述四个L型梁沿纵向进行拆分，形成八个L小梁，分别为第一L小梁L1、第二L小梁L2、第三L小梁L3、第四L小梁L4、第五L小梁L5、第六L小梁L6、第七L小梁L7和第八L小梁L8。

(2)根据上述(1)所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，所述第一质量块m1和第二质量块m2位于所述悬空结构的中心，优选地，所述第一质量块m1和第二质量块m2沿传感器的x方向中心线或y方向中心线对称设置。

(3)根据上述(1)或(2)所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，所述第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2设置于所述第一质量块m1和第二质量块m2之间，用于连接第一质量块m1和第二质量块m2；

优选地，所述第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2沿传感器的y方向中心线或x方向中心线对称设置，且均与第一质量块m1和第二质量块m2垂直；

更优选地，所述第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2的厚度等于器件硅的厚度。

(4)根据上述(1)至(3)之一所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，

所述第一质量块m1背向第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2的一侧面与所述第二L小梁L2、第七L小梁L7、第四L小梁L4和第八L小梁L8连接；和/或

所述第二质量块m2背向第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2的一侧面与所述第一L小梁L1、第五L小梁L5、第三L小梁L3和第六L小梁L6连接。

(5)根据上述(1)至(4)之一所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，在所述第一L小梁L1、第二L小梁L2、第三L小梁L3和第四L小梁L4的根部分别设置有彼此平行的x向第一压敏电阻R_x1、x向第二压敏电阻R_x2、x向第三压敏电阻R_x3和x向第四压敏电阻R_x4；

优选地，所述x向第一压敏电阻R_x1的一端和x向第二压敏电阻R_x2的一端相连，连接处形成x轴第一输出电压V_xout1；所述x向第三压敏电阻R_x3的一端和x向第四压敏电阻R_x4的一端相连，连接处形成x轴第二输出电压V_xout2；

更优选地，所述x向第一压敏电阻R_x1的另一端和x向第四压敏电阻R_x4的另一端共同连接电源V_DD，所述x向第二压敏电阻R_x2的另一端和x向第三压敏电阻R_x3的另一端接地。

(6)根据上述(1)至(5)之一所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，在所述第五L小梁L5、第六L小梁L6、第七L小梁L7和第八L小梁L8的根部设置有彼此平行的y向第一压敏电阻R_y1、y向第二压敏电阻R_y2、y向第三压敏电阻R_y3和y向第四压敏电阻R_y4；

优选地，y向第一压敏电阻R_y1的一端和y向第二压敏电阻R_y2的一端相连，连接处形成y轴第一输出电压V_yout1；y向第三压敏电阻R_y3的一端和y向第四压敏电阻R_y4的一端相连，连接处形成y轴第二输出电压V_yout2；

更优选地，y向第一压敏电阻R_y1的另一端和y向第四压敏电阻R_y4的另一端共同连接电源V_DD，y向第二压敏电阻R_y2的另一端和y向第三压敏电阻R_y3的另一端接地。

(7)根据上述(1)至(6)之一所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，

所述第一中间梁ZL1在与第一质量块m1和第二质量块m2连接的根部分别设置有相互垂直的z向第一压敏电阻R_z1和z向第二压敏电阻R_z2；和/或

所述第二中间梁ZL2在与第一质量块m1和第二质量块m2连接的根部分别设置有相互垂直的z向第四压敏电阻R_z4和z向第三压敏电阻R_z3。

(8)根据上述(1)至(7)之一所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，所述z向第一压敏电阻R_z1的一端和z向第二压敏电阻R_z2的一端相连，连接处形成z轴第一输出电压V_zout1；所述z向第三压敏电阻R_z3的一端和z向第四压敏电阻R_z4的一端相连，连接处形成z轴第二输出电压V_zout2；

优选地，所述z向第一压敏电阻R_z1的另一端和z向第四压敏电阻R_z4的另一端共同连接电源V_DD，所述z向第二压敏电阻R_z2的另一端和z向第三压敏电阻R_z3的另一端接地GND。

(9)一种上述(1)至(8)之一所述单片集成三轴加速度传感器的制作工艺，其中，所述工艺如下进行：

步骤1、清洗SOI片(如图4A所示)，在器件硅1上表面进行一次氧化，生长SiO₂层，作为绝缘介质层；

步骤2、清洗SOI片，采用等离子体化学气相沉积(PECVD)原位掺杂工艺在nc-Si:H(p^-)窗口上沉积nc-Si:H(p^-)薄膜，进行一次光刻，刻蚀形成nc-Si:H(p^-)薄膜压敏电阻；

步骤3、清洗SOI片，二次光刻，在SOI片器件硅1上表面进行离子注入，进行p⁺型掺杂，优选注入剂量为5E14cm^-2至5E15cm^-2；

步骤4、清洗SOI片，高温退火处理，形成12个压敏电阻(R_x1、R_x2、R_x3、R_x4、R_y1、R_y2、R_y3、R_y4、R_z1、R_z2、R_z3、R_z4)(如图4B所示)；

步骤5、清洗SOI片，二次氧化，化学气相沉积法在SOI片器件硅1上表面生长SiO₂层，作为绝缘介质层；

步骤6、三次光刻，BOE腐蚀SiO₂层，形成接触孔；

步骤7、清洗SOI片，在器件硅1上表面磁控溅射生长金属Al层，形成金属电极层；

步骤8、四次光刻，腐蚀金属Al层，形成金属电极；

步骤9、清洗硅片，在器件硅1上表面化学气相沉积生长SiO₂层，优选厚度3000～5000nm，作为钝化层；

步骤10、五次光刻，腐蚀钝化层，形成压焊点；

步骤11、清洗硅片，进行合金化处理形成欧姆接触(如图4C所示)；

步骤12、六次光刻，BOE腐蚀衬底硅2底部氧化层，深槽刻蚀技术(ICP)刻蚀衬底硅，刻蚀至二氧化硅层3处；

步骤13、七次光刻，BOE腐蚀器件硅1正面氧化层，深槽刻蚀技术(ICP)刻蚀器件硅1，刻蚀至二氧化硅层3处，释放L小梁结构(L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8)(如图4D所示)；

步骤14、键合工艺，SOI片与具有过载保护结构的玻璃片进行键合，实现过载保护功能。

(10)根据上述(9)所述的制作工艺，其中，

所述SOI片的器件硅1为<100>晶向单晶硅，导电类型为n型，优选地，所述SOI片的器件硅1的电阻率为0.01-10Ω·cm，优选为0.1-1Ω·cm；和/或

在步骤3中，沉积的nc-Si:H(p^-)薄膜的厚度为50～120nm，优选为60～100nm；和/或

在步骤5中，所述高温退火处理如下进行：于600-1200℃下真空环境处理20～50min，优选地，于800-1000℃下真空环境处理30～40min；和/或

在步骤12中，所述合金化处理如下进行：于350～500℃下处理10～50min，优选地，于400～450℃下处理20～40min，更优选地，于420℃下处理30min。

附图说明

图1示出本实用新型所述单片集成三轴传感器的俯视示意图；

图2示出本实用新型所述单片集成三轴传感器的仰视示意图；

图3A～图3B示出本实用新型所述单片集成三轴传感器的等效电路图，其中，图3A为无加速度时，图3B为有加速度时；

图4A～图4D示出本实用新型所述制作工艺的工艺示意图；

图5示出对比实验例采用的单片集成三轴加速度传感器的俯视示意图；

图6示出对比实验例采用的单片集成三轴加速度传感器的仰视示意图。

附图标记说明

1-器件硅；2-衬底硅；3-二氧化硅层；m1-第一质量块；m2-第二质量块；ZL1-第一中间梁；ZL2-第二中间梁；L1-第一L小梁；L2-第二L小梁；L3-第三L小梁；L4-第四L小梁；L5-第五L小梁；L6-第六L小梁；L7-第七L小梁；L8-第八L小梁；R_x1-x向第一压敏电阻；R_x2-x向第二压敏电阻；R_x3-x向第三压敏电阻；R_x4-x向第四压敏电阻；V_xout1-x轴第一输出电压；V_xout2-x轴第二输出电压；R_y1-y向第一压敏电阻；R_y2-y向第二压敏电阻；R_y3-y向第三压敏电阻；R_y4-y向第四压敏电阻；V_yout1-y轴第一输出电压；V_yout2-y轴第二输出电压；R_z1-z向第一压敏电阻；R_z2-z向第二压敏电阻；R_z3-z向第三压敏电阻；R_z4-z向第四压敏电阻；V_zout1-z轴第一输出电压；V_zout2-z轴第二输出电压；V_DD-电源；GND-接地。

具体实施方式

下面通过对本实用新型进行详细说明，本实用新型的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本实用新型一方面提供了一种单片集成三轴加速度传感器，如图1～2所示，所述传感器以SOI片为载体，所述SOI片包括器件硅1和衬底硅2，其中，在所述传感器的中心位置刻蚀有悬空结构，所述悬空结构包括第一质量块m1、第二质量块m2、第一中间梁ZL1、第二中间梁ZL2和四个L型梁，其中，对所述四个L型梁沿纵向进行拆分，形成八个L小梁，分别为第一L小梁L1、第二L小梁L2、第三L小梁L3、第四L小梁L4、第五L小梁L5、第六L小梁L6、第七L小梁L7和第八L小梁L8。

其中，将四个L型梁进行拆分，形成八个L小梁，可以明显提高x轴方向和y轴方向的灵敏度，使x轴方向、y轴方向的灵敏度几乎接近z轴方向的灵敏度，促进x、y、z各方向的敏感一致性。

根据本实用新型一种优选的实施方式，所述器件硅1的厚度为20-50μm，所述衬底硅2的厚度为420～550μm。

在进一步优选的实施方式中，所述器件硅1的厚度为30-40μm，所述衬底硅2的厚度为420～550μm，例如450～525μm。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1～2所示，所述第一质量块m1和第二质量块m2位于所述悬空结构的中心。

在进一步优选的实施方式中，如图1～2所示，所述第一质量块m1和第二质量块m2沿传感器的x方向中心线或y方向中心线对称设置。

在更进一步优选的实施方式中，所述第一质量块m1和第二质量块m2的厚度均等于所述传感器的最大厚度。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1～2所示，所述第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2设置于所述第一质量块m1和第二质量块m2之间，用于连接第一质量块m1和第二质量块m2。

在进一步优选的实施方式中，如图1～2所示，所述第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2沿传感器的y方向中心线或x方向中心线对称设置，且均与第一质量块m1和第二质量块m2垂直。

在更进一步优选的实施方式中，所述第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2的厚度等于器件硅的厚度。

这样，使得所述第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2设置在作为SOI片的器件硅上。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1～2所示，所述第一质量块m1背向第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2的一侧面与所述第二L小梁L2、第七L小梁L7、第四L小梁L4和第八L小梁L8连接。

在进一步优选的实施方式中，如图1～2所示，所述第二质量块m2背向第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2的一侧面与所述第一L小梁L1、第五L小梁L5、第三L小梁L3和第六L小梁L6连接。

这样，形成所述悬空结构。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，在所述第一L小梁L1、第二L小梁L2、第三L小梁L3和第四L小梁L4的根部分别设置有彼此平行的x向第一压敏电阻R_x1、x向第二压敏电阻R_x2、x向第三压敏电阻R_x3和x向第四压敏电阻R_x4。

在进一步优选的实施方式中，如图1和图3A～3B所示，所述x向第一压敏电阻R_x1的一端和x向第二压敏电阻R_x2的一端相连，连接处形成x轴第一输出电压V_xout1；所述x向第三压敏电阻R_x3的一端和x向第四压敏电阻R_x4的一端相连，连接处形成x轴第二输出电压V_xout2。

在更进一步优选的实施方式中，如图1和图3A～3B所示，所述x向第一压敏电阻R_x1的另一端和x向第四压敏电阻R_x4的另一端共同连接电源V_DD，所述x向第二压敏电阻R_x2的另一端和x向第三压敏电阻R_x3的另一端接地。

这样，第一L小梁L1、第二L小梁L2、第三L小梁L3和第四L小梁L4根部的四个压敏电阻形成惠斯通电桥，用于检测x方向的加速度。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，在所述第五L小梁L5、第六L小梁L6、第七L小梁L7和第八L小梁L8的根部设置有彼此平行的y向第一压敏电阻R_y1、y向第二压敏电阻R_y2、y向第三压敏电阻R_y3和y向第四压敏电阻R_y4。

在进一步优选的实施方式中，如图1和图3A～3B所示，y向第一压敏电阻R_y1的一端和y向第二压敏电阻R_y2的一端相连，连接处形成y轴第一输出电压V_yout1；y向第三压敏电阻R_y3的一端和y向第四压敏电阻R_y4的一端相连，连接处形成y轴第二输出电压V_yout2。

在更进一步优选的实施方式中，如图1和图3A～3B所示，y向第一压敏电阻R_y1的另一端和y向第四压敏电阻R_y4的另一端共同连接电源V_DD，y向第二压敏电阻R_y2的另一端和y向第三压敏电阻R_y3的另一端接地。

这样，第五L小梁L5、第六L小梁L6、第七L小梁L7和第八L小梁L8根部的四个压敏电阻形成惠斯通电桥，用于检测y方向的加速度。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，所述第一中间梁ZL1在与第一质量块m1和第二质量块m2连接的根部分别设置有相互垂直的z向第一压敏电阻R_z1和z向第二压敏电阻R_z2。

在进一步优选的实施方式中，如图1所示，所述第二中间梁ZL2在与第一质量块m1和第二质量块m2连接的根部分别设置有相互垂直的z向第四压敏电阻R_z4和z向第三压敏电阻R_z3。

在更进一步优选的实施方式中，如图1所示，所述z向第一压敏电阻R_z1与所述z向第四压敏电阻R_z4垂直设置，所述z向第二压敏电阻R_z2与所述z向第三压敏电阻R_z3垂直设置。

其中，在第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2上设置的四个压敏电阻(z向第一压敏电阻R_z1、z向第二压敏电阻R_z2、z向第三压敏电阻R_z3、z向第四压敏电阻R_z4)用于检测z轴方向的加速度。

根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1和图3A～3B所示，所述z向第一压敏电阻R_z1的一端和z向第二压敏电阻R_z2的一端相连，连接处形成z轴第一输出电压V_zout1；所述z向第三压敏电阻R_z3的一端和z向第四压敏电阻R_z4的一端相连，连接处形成z轴第二输出电压V_zout2。

在进一步优选的实施方式中，如图1和图3A～3B所示，所述z向第一压敏电阻R_z1的另一端和z向第四压敏电阻R_z4的另一端共同连接电源V_DD，所述z向第二压敏电阻R_z2的另一端和z向第三压敏电阻R_z3的另一端接地GND。

这样，设置于第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2上的四个压敏电阻形成惠斯通电桥，用于检测z方向的加速度。

根据本实用新型一种优选的实施方式，设置的12个压敏电阻均为纳米硅薄膜电阻nc-Si:H(p^-)。

其中，所述12个压敏电阻包括x向第一压敏电阻R_x1、x向第二压敏电阻R_x2、x向第三压敏电阻R_x3、x向第四压敏电阻R_x4、y向第一压敏电阻R_y1、y向第二压敏电阻R_y2、y向第三压敏电阻R_y3、y向第四压敏电阻R_y4、z向第一压敏电阻R_z1、z向第二压敏电阻R_z2、z向第三压敏电阻R_z3和z向第四压敏电阻R_z4。

在本实用新型中，优选采用纳米硅薄膜压敏电阻，其中，所述纳米硅(nc-Si:H)薄膜是一种由大量的硅细微晶粒(几个纳米大小)和包围着它的晶粒界面构成的一种新型纳米电子材料。所述纳米硅(nc-Si:H)薄膜具有高的压阻系数，其压阻系数高于单晶硅材料和多晶硅，大概为单晶硅的4～6倍，能够实现高灵敏度的压敏测试。

根据本实用新型一种优选的实施方式，所述第一质量块m1的长或第二质量块m2的长与所述SOI片的边长的比为(0.5～0.65)：1。

在进一步优选的实施方式中，所述第一质量块m1的宽或第二质量块m2的宽与所述SOI片的边长的比为(0.2～0.3)：1。

其中，在本实用新型中，优选所述SOI片的横向切面呈正方形。

根据本实用新型一种优选的实施方式，所述第一中间梁ZL1的长或第二中间梁ZL2的长与所述SOI片的边长的比为(0.05～0.1)：1。

在进一步优选的实施方式中，所述第一中间梁ZL1的宽或第二中间梁ZL2的宽与所述SOI片的边长的比为(0.05～0.2)：1。

在本实用新型中，通过重新调控质量块和中间梁相对于传感器的尺寸大小，降低了z轴方向的灵敏度。再加上之前将4个L梁拆分成8个小梁，这样，相同加速度作用下，提高了L梁根部应力分布，有效提高了x轴和y轴的灵敏度，这样，在提高x、y轴灵敏度的同时，降低z轴灵敏度，使得x、y和z三轴方向的灵敏度趋于一致。

根据本实用新型一种优选的实施方式，所述传感器还包括具有中空凹槽结构的玻璃片。

在进一步优选的实施方式中，所述玻璃片与SOI片的衬底硅2进行键合。

在更进一步优选的实施方式中，所述玻璃片为硼硅玻璃片，其厚度为(0.5～1)μm。

这样，避免了对质量块进行减薄的复杂处理，而是采用与具有凹槽的玻璃片键合，使得第一质量块和第二质量块可以在凹槽内自由移动。

本实用新型第二方面提供了一种本实用新型第一方面所述单片集成三轴加速度传感器的制作工艺，所述工艺如下进行：

步骤1、清洗SOI片(如图4A所示)，在器件硅1上表面进行一次氧化，生长SiO₂层，作为绝缘介质层；

步骤2、清洗SOI片，采用等离子体化学气相沉积(PECVD)原位掺杂工艺在nc-Si:H(p^-)窗口上沉积nc-Si:H(p^-)薄膜，进行一次光刻，刻蚀形成nc-Si:H(p^-)薄膜压敏电阻；

步骤3、清洗SOI片，二次光刻，在SOI片器件硅1上表面进行离子注入，进行p⁺型掺杂，优选注入剂量为5E14cm^-2至5E15cm^-2；

步骤4、清洗SOI片，高温退火处理，形成12个压敏电阻(R_x1、R_x2、R_x3、R_x4、R_y1、R_y2、R_y3、R_y4、R_z1、R_z2、R_z3、R_z4)(如图4B所示)；

步骤5、清洗SOI片，二次氧化，化学气相沉积法在SOI片器件硅1上表面生长SiO₂层，作为绝缘介质层；

步骤6、三次光刻，BOE腐蚀SiO₂层，形成接触孔；

步骤7、清洗SOI片，在器件硅1上表面磁控溅射生长金属Al层，形成金属电极层；

步骤8、四次光刻，腐蚀金属Al层，形成金属电极；

步骤9、清洗硅片，在器件硅1上表面化学气相沉积生长SiO₂层，优选厚度3000～5000nm，作为钝化层；

步骤10、五次光刻，腐蚀钝化层，形成压焊点(pad)；

步骤11、清洗硅片，进行合金化处理形成欧姆接触(如图4C所示)；

步骤12、六次光刻，BOE腐蚀衬底硅2底部氧化层，深槽刻蚀技术(ICP)刻蚀衬底硅，刻蚀至二氧化硅层3处；

步骤13、七次光刻，BOE腐蚀器件硅1正面氧化层，深槽刻蚀技术(ICP)刻蚀器件硅1，刻蚀至二氧化硅层3处，释放L小梁结构(L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8)(如图4D所示)；

步骤14、键合工艺，SOI片与具有过载保护结构的玻璃片进行键合，实现过载保护功能。

根据本实用新型一种优选的实施方式，所述SOI片的器件硅1为为<100>晶向单晶硅，导电类型为n型。

在进一步优选的实施方式中，所述SOI片的器件硅1的电阻率为0.01-10Ω·cm，优选为0.1-1Ω·cm。

在更进一步优选的实施方式中，所述SOI片的器件硅1的厚度为20-50μm，例如30-40μm。

根据本实用新型一种优选的实施方式，所述SOI片的衬底硅2的厚度为420～550μm。

在进一步优选的实施方式中，所述SOI片的衬底硅2的厚度为450～525μm。

在更进一步优选的实施方式中，所述SOI片的衬底硅2的厚度为475～500μm。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤1和步骤6中，生长SiO₂层的厚度为200-600nm。

在进一步优选的实施方式中，在步骤1和步骤6中，生长SiO₂层的厚度为300-500nm。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤3中，沉积的nc-Si:H(p^-)薄膜的厚度为50～120nm。

在进一步优选的实施方式中，在步骤3中，沉积的nc-Si:H(p^-)薄膜的厚度为60～100nm。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤8中，生长的金属Al层的厚度为500～1000nm。

在进一步优选的实施方式中，在步骤8中，生长的金属Al层的厚度为600～800nm。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤5中，所述高温退火处理如下进行：于600-1200℃下真空环境处理20～50min。

在进一步优选的实施方式中，在步骤5中，所述高温退火处理如下进行：于800-1000℃下真空环境处理30～40min。

根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤12中，所述合金化处理如下进行：于350～500℃下处理10～50min。

在进一步优选的实施方式中，在步骤12中，所述合金化处理如下进行：于400～450℃下处理20～40min。

在更进一步优选的实施方式中，在步骤12中，所述合金化处理如下进行：于420℃下处理30min。

根据本实用新型一种优选的实施方式，所述玻璃片为中空的凹槽结构。

这样，具有中空凹槽结构的玻璃片与步骤1～13处理后的SOI片键合后，使得第一质量块和第二质量块可以移动。这样，避免了对SOI片的处理，因此，采用简单的玻璃片键合避免了复杂的SOI片处理。

在进一步优选的实施方式中，所述玻璃片与SOI片的衬底硅2进行键合。

在更进一步优选的实施方式中，所述玻璃片为硼硅玻璃片，其厚度为(0.5～1)μm。

本实用新型第三方面提供了一种根据本实用新型第二方面所述制作工艺得到的单片集成三轴加速度传感器。

本实用新型所具有的有益效果：

(1)本实用新型所述单片集成三轴加速度传感器将4个双L型梁、12个压敏电阻、质量块中间双梁及两个质量块进行有效结合并单片集成化，分别构成三对测试电路，实现了三轴加速度(a_x、a_y、a_z)检测；

(2)本实用新型所述单片集成三轴加速度传感器将4个L型梁进行拆分，形成八个L小梁，这样，显著提高了x轴方向和y轴方向的灵敏度，促进了x、y和z三方向的灵敏度一致性；

(3)本实用新型所述单片集成三轴加速度传感器结构简单，实现了芯片的小型化和集成化；

(4)本实用新型所述制作工艺简单，易于实现，适合规模化工业应用。

实验例

采用标准振动台(Dongling ESS-050)、可编程线性直流电源(RIGOL DP832A)、数字万用表(Agilent 34410A)和示波器(Agilent DSO-X4145A)等仪器搭建加速度传感器特性测试系统，对本实用新型所述单片集成三轴加速度传感器(如图1)进行特性测试，分析单片集成三轴加速度传感器灵敏度特性等。

当电源电压5.0V时，本实用新型所述传感器的x轴方向加速度传感器灵敏度为0.85mV/g，y轴方向加速度传感器灵敏度为0.84mV/g，z轴方向加速度传感器灵敏度为0.82mV/g。

可知，本实用新型所述传感器可以实现对三轴加速度的检测，并且得到的x、y和z三个方向的灵敏度接近一致。

对比实验例

采用标准振动台(Dongling ESS-050)、可编程线性直流电源(RIGOL DP832A)、数字万用表(Agilent 34410A)和示波器(Agilent DSO-X4145A)等仪器搭建加速度传感器特性测试系统，对图5～6所示单片集成三轴加速度传感器进行特性测试，分析单片集成三轴加速度传感器灵敏度特性等。其中，在图5～6中，未对4个L型梁进行拆分。

当电源电压5.0V时，图5～6所示传感器的x轴方向加速度传感器灵敏度为0.60mV/g，y轴方向加速度传感器灵敏度为0.74mV/g，z轴方向加速度传感器灵敏度为2.60mV/g。

可知，图5～6所示传感器可以实现对三轴加速度的检测，单得到的x、y和z三个方向的灵敏度一致非常差。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本实用新型进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本实用新型的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本实用新型精神和范围的情况下，可以对本实用新型技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本实用新型的范围内。本实用新型的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，所述传感器以SOI片为载体，所述SOI片包括器件硅(1)和衬底硅(2)，其中，在所述传感器的中心刻蚀有悬空结构，所述悬空结构包括第一质量块(m1)、第二质量块(m2)、第一中间梁(ZL1)、第二中间梁(ZL2)和四个L型梁，其中，对所述四个L型梁沿纵向进行拆分，形成八个L小梁，分别为第一L小梁(L1)、第二L小梁(L2)、第三L小梁(L3)、第四L小梁(L4)、第五L小梁(L5)、第六L小梁(L6)、第七L小梁(L7)和第八L小梁(L8)；

所述第一质量块m1背向第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)的一侧面与所述第二L小梁(L2)、第七L小梁(L7)、第四L小梁(L4)和第八L小梁(L8)连接；

所述第二质量块(m2)背向第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)的一侧面与所述第一L小梁(L1)、第五L小梁(L5)、第三L小梁(L3)和第六L小梁(L6)连接。

2.根据权利要求1所述的单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，所述第一质量块(m1)和第二质量块(m2)位于所述悬空结构的中心，优选地，所述第一质量块(m1)和第二质量块(m2)沿传感器的x方向中心线或y方向中心线对称设置。

3.根据权利要求2所述的单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，所述第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)设置于所述第一质量块(m1)和第二质量块(m2)之间，用于连接第一质量块(m1)和第二质量块(m2)。

4.根据权利要求3所述的单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，所述第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)沿传感器的y方向中心线或x方向中心线对称设置，且均与第一质量块(m1)和第二质量块(m2)垂直；

优选地，所述第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)的厚度等于器件硅的厚度。

5.根据权利要求4所述的单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，在所述第一L小梁(L1)、第二L小梁(L2)、第三L小梁(L3)和第四L小梁(L4)的根部分别设置有彼此平行的x向第一压敏电阻(R_x1)、x向第二压敏电阻(R_x2)、x向第三压敏电阻(R_x3)和x向第四压敏电阻(R_x4)；

优选地，所述x向第一压敏电阻(R_x1)的一端和x向第二压敏电阻(R_x2)的一端相连，连接处形成x轴第一输出电压(V_xout1)；所述x向第三压敏电阻(R_x3)的一端和x向第四压敏电阻(R_x4)的一端相连，连接处形成x轴第二输出电压(V_xout2)；

更优选地，所述x向第一压敏电阻(R_x1)的另一端和x向第四压敏电阻(R_x4)的另一端共同连接电源(V_DD)，所述x向第二压敏电阻(R_x2)的另一端和x向第三压敏电阻(R_x3)的另一端接地。

6.根据权利要求5所述的单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，在所述第五L小梁(L5)、第六L小梁(L6)、第七L小梁(L7)和第八L小梁(L8)的根部设置有彼此平行的y向第一压敏电阻(R_y1)、y向第二压敏电阻(R_y2)、y向第三压敏电阻(R_y3)和y向第四压敏电阻(R_y4)；

优选地，y向第一压敏电阻(R_y1)的一端和y向第二压敏电阻(R_y2)的一端相连，连接处形成y轴第一输出电压(V_yout1)；y向第三压敏电阻(R_y3)的一端和y向第四压敏电阻(R_y4)的一端相连，连接处形成y轴第二输出电压(V_yout2)；

更优选地，y向第一压敏电阻(R_y1)的另一端和y向第四压敏电阻(R_y4)的另一端共同连接电源(V_DD)，y向第二压敏电阻(R_y2)的另一端和y向第三压敏电阻(R_y3)的另一端接地。

7.根据权利要求1至6之一所述的单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，

所述第一中间梁(ZL1)在与第一质量块(m1)和第二质量块(m2)连接的根部分别设置有相互垂直的z向第一压敏电阻(R_z1)和z向第二压敏电阻(R_z2)；和/或

所述第二中间梁(ZL2)在与第一质量块(m1)和第二质量块(m2)连接的根部分别设置有相互垂直的z向第四压敏电阻(R_z4)和z向第三压敏电阻(R_z3)。

8.根据权利要求7所述的单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，所述z向第一压敏电阻(R_z1)的一端和z向第二压敏电阻(R_z2)的一端相连，连接处形成z轴第一输出电压(V_zout1)；所述z向第三压敏电阻(R_z3)的一端和z向第四压敏电阻(R_z4)的一端相连，连接处形成z轴第二输出电压(V_zout2)；

优选地，所述z向第一压敏电阻(R_z1)的另一端和z向第四压敏电阻(R_z4)的另一端共同连接电源(V_DD)，所述z向第二压敏电阻(R_z2)的另一端和z向第三压敏电阻(R_z3)的另一端接地(GND)。