CN2503487Y - 一种量程可达20万m/s2的微机械加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种量程可达20万m/s²的微机械加速度传感器,属于微电子机械系统领域,其特征在于它是由芯片和厚度比它稍厚的矩形框构成,芯片封装在框架中,并用玻璃盖板上下与其键合而成。芯片采用薄板－岛结构,主要由锚区、支撑质量块的悬空薄板、质量块、敏感电阻构成的。起弹性梁作用的薄板为单晶硅薄层,其厚度与量程有关;敏感电阻设计成单一直线状,长度可接近薄板宽。

Description

一种量程可达20万m/s2的微机械加速度传感器

本实用新型涉及一种量程可达20万m/s²的特高量程的微机械压阻式加速度传感器，属于微电子机械系统领域。

汽车防抱死系统、制导系统、机械振动监测、军用引信等市场的发展，加速度传感器需求增加，各种微机械加速度传感器正在不断发展研制中，其中硅微机械压阻式和电容式的加速度传感器的研究占了相当大的部分。

压阻式加速度传感器以半导体的压阻效应为基础，常用的压阻式加速度传感器的结构采用硅单晶梁(二梁或四梁)—岛结构，质量块一般通过悬臂梁或连接梁支撑悬挂，通过离子注入或扩散工艺在梁上沿<110>晶向制作压敏电阻。当传感器加速运动时，质量块产生偏移，带动支撑梁产生扭曲或弯曲等变形，在压敏电阻中发生应力变化，由于半导体硅的压阻效应，压敏电阻阻值发生变化，利用适当的外围电路将这种变化转化为可测量信号，如电压、电流，经过定标就可建立输出信号与被测加速度之间的关系，从而测量加速度。压阻式加速度传感器的研究正从目前中量程(百m/s²-1万m/s²)向小量程(如10m/s²左右)和特高量程(大于万m/s²)发展。设计特高量程加速度传感器必须考虑单晶硅的弯曲强度，因为加速度大到一定程度在梁中的应力会使梁断裂，所以技术上需加以改进。

本实用新型的目的在于提供一种量程可达20万m/s²的微机械压阻式特高量程加速度传感器。本实用新型的目的是通过下述方式实施的。提供的微机械压阻式特高量程加速度传感器主要由锚区1、支撑质量块的悬空薄板2、质量块3、压敏电阻4等部分组成。在加速运动中，质量块运动导致薄板发生变形，从而引起薄板上的压敏电阻发生变化，通过外围检测电路就可知道加速度的大小。其结构如附图1所示。

本实用新型提供的可达20万m/s²以上的微机械压阻式加速度传感器结构特征在于：

1.采用薄板—岛结构，起着弹性梁作用的薄板是单晶硅薄层，厚度由30μm-200μm，厚度与传感器的量程有关，薄板弹性梁不像通常结构分成两部分，而是宽度与敏感质量块相同，敏感部分的芯片(A)中的锚区不形成封闭式框架，这样，敏感芯片占满一个单元，避免了工艺上有很大难度的穿通、释放梁岛结构的过程，因此工艺简单、重复性好、成品率高。

2.与常规压阻式加速度传感器敏感电阻由多条矩形直线条状薄层电阻串联不同的是本实用新型提出的敏感电阻设计成单一直线条状，宽4-50μm，长可以接近薄板宽，且平行于薄板和锚区的交线，安置于薄板的根部，小部分与锚区或敏感质量块相交，因此可以获得较高的灵敏度。

3.本实用新型可达20万m/s²以上的微机械压阻式加速度传感器还包括厚度比芯片A稍厚8-10微米的矩形框，芯片A封装在框架之中，并用玻璃盖板上下与其键合在一起，该封装简单易行，工艺简单。

4.过载保护采用在上下玻璃盖板各粘上一小片金属膜岛作为限位，器件在加速运动时，当加速度上升将使薄板断裂时，质量块的质心正好碰到盖板上的限位岛，这样就起到了所需要的过载保护作用。

本实用新型提供的量程可达20万m/s²以上的微机械压阻式加速度传感器采用硅微机械加工工艺，系一般微机械加工工艺。其工艺步骤如下：

1.一次氧化，做扩散掩膜

2.一次光刻，刻电阻图形

3.扩淡硼，再分布

4.二次光刻，刻浓硼窗口

5.扩浓硼，再分布

6.背面光刻，再用四甲基氢氧化铵腐蚀约10微米，用于制作质量块运动的范围

7.二次氧化

8.光刻引线孔

9.光刻薄板岛区域

10.蒸铝

11.反刻铝

12.蒸Cr

13.腐蚀出薄板区，用KOH溶液腐蚀约300微米

14.去掉Cr

对于本实用新型可达20万m/s²以上的微机械压阻式加速度传感器的封装采用框架与玻璃键合的方法。其结构如图2所示。框架的制作工艺如下：

1.氧化

2.双面光刻

3.KOH腐蚀穿通

将传感器芯片放入框架中，与所选用的钾玻璃(1GG7)上下盖板进行键合。

这样就完成了本实用新型可达20万m/s²以上的微机械压阻式加速度传感器芯片的制作。

本实用新型的结构特征通过下述附图和较佳实施例予以进一步阐明其特点和进步，但本实用新型绝非仅限于实施例。

图1是本实用新型可达20万m/s²以上的微机械压阻式加速度传感器敏感芯片A的结构示意图。

图2是本实用新型微机械压阻式加速度传感器芯片级封装截面图。

图中：

A.敏感芯片                                     1.锚区

2.悬空薄板                                     3.质量块

4.压敏电阻条                                   5.框架

6.玻璃上盖板                                   7.玻璃下盖板

实施例1

用一般硅微机械加工工艺制成薄板—岛结构的敏感芯片A，起弹性梁作用的薄板的单晶硅薄层，其厚度为120微米，敏感芯片的锚区不形成封闭式结构，此敏感芯片放在矩形框中，矩形框的高度比敏感芯片的厚度略大8微米，上下用钾玻璃盖板与框架采用常规方法进行键合，构成量程为20万m/s²的微机械加速度传感器。芯片A的敏感电阻设计成四条单一直线状，宽度为20微米，长度接近薄板宽度。

实施例2

敏感芯片A，单晶硅薄层厚度为140微米，敏感电阻设计成单一直线条状，宽度为10微米，其余同实施例1，构成的量程为30万m/s²的微机械加速度传感器。

实施例3

敏感芯片单晶硅薄层厚度为180微米，敏感电阻为单一直线条状，宽度为40微米，可构成量程为50万m/s²的微机械加速度传感器，其余同实施例1。

Claims (6)

1.一种量程可达20万m/s²的微机械加速度传感器，其特征在于：

(1)它由敏感部分的芯片和厚度比该芯片稍厚8-10微米的矩形框构成，芯片封装在框架中，并用玻璃盖板上下与其键合；

(2)敏感部分的芯片是采用薄板—岛结构，主要由锚区、支撑质量块的悬空薄板、质量块、敏感电阻组成。

2.按权利要求1所述的量程可达20万m/s²的微机械加速度传感器，其特征在于所述的薄板—岛结构中，起着弹性梁作用的薄板是单晶硅薄层，厚度为30-200微米，与传感器的量程有关。

3.按权利要求1所述的量程可达20万m/s²的微机械加速度传感器，其特征在于所述的敏感电阻设计成多条单一直线状，宽4-50微米，长度接近薄板宽度；且平行于薄板和锚区的交线，安置于薄板的根部，小部分与锚区或敏感质量块相交。

4.按权利要求1所述的量程可达20万m/s²的微机械加速度传感器，其特征在于所述的起弹性梁作用的薄板宽度与敏感质量块的宽度相同。

5.按权利要求1所述的量程可达20万m/s²的微机械加速度传感器，其特征在于所述的敏感部分的芯片中的锚区不形成封闭式框架，敏感芯片占满一个单元。

6.按权利要求1所述的量程可达20万m/s²的微机械加速度传感器，其特征在于所述的上下玻璃盖板各粘上一小片金属膜岛；当加速度上升质量块的质心正好碰到盖板上的金属膜岛，起限位作用。

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