CN104181331B - 一种压阻式加速度传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压阻式加速度传感器及其制造方法，属于传感器领域的加速度传感器装置。包括支撑边框1、弹性悬梁臂2、压敏电阻3、质量块4、玻璃基底6和玻璃盖板7，其特征在于，所述弹性悬梁臂2为蛇形的弹性悬梁臂，所述质量块上设有阵列排布的阻尼孔5。本发明压阻式加速度传感器中的弹性悬梁臂采用蛇形结构，可以使弹性悬梁臂的梁的长度更长，对加速度的响应更灵敏，可以有效增加传感器的灵敏度；质量块上设有阻尼孔，能有效降低空气阻力的影响，保证精确度，同时使传感器对于封装的真空度要求降低，降低生产成本。

Description

一种压阻式加速度传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及传感器领域的加速度传感器装置，具体涉及一种压阻式加速度传感器及其制造方法。

背景技术

微机械加速度传感器是一种重要的加速度测量器件，具有体积小、重量轻、响应快、易于加工等优点，大量应用于汽车安全气囊、新型玩具、机器人、工业自动化、探矿、地震监控、军事导航、生物医疗、智能手机、智能穿戴设备等领域。加速度传感器的类型主要有压阻式、压电式、谐振式、隧道电流式和电容式，其中压阻式加速度传感器因动态响应特性及输出线性较好，体积小，功耗低等优点，广泛运用于各个领域。

压阻式加速度传感器是利用单晶硅的压阻效应和集成电路技术制成的传感器，其工作原理是，质量块响应被检测的加速度运动，引起位于梁上的压敏电阻发生形变，使压敏电阻阻值发生变化，通过电路测量电阻变化即可得到被检测加速度的大小。传统的加速度传感器由于采用直梁结构而导致灵敏度较低，且质量块在工作中易受到空气阻力的影响，使传感器的精确度降低，而要克服空气阻力，则需要加强封装的真空度，这会提高成本、使工艺复杂。

加速度传感器通常采用微机械加工技术制造。微机械加工技术是在集成电路工艺的基础上发展起来的，主要包括体微加工技术和表面微加工技术。体微加工技术主要是利用刻蚀技术形成三维结构，分为湿法腐蚀和干法腐蚀。湿法腐蚀是将腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液体里进行的腐蚀。硅的各向同性腐蚀是在硅的各个腐蚀方向上的腐蚀速度相等，比如化学抛光等，常用的腐蚀液是HF-HNO₃腐蚀***，一般在HF和HNO₃中加H₂O或者CH₃COOH。而硅的各向异性腐蚀，是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率，比如，<100>与<111>面的腐蚀速率比为100：1，基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。

干法刻蚀是气体利用反应性气体或离子流进行的腐蚀。干法腐蚀可以腐蚀多种金属，也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性刻蚀，又可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或MEMS工艺常用方法。按刻蚀原理分，可分为等离子体刻蚀、反应离子刻蚀和电感耦合等离子体刻蚀。在等离子气体中，可实现各向同性的等离子腐蚀。

表面微机械加工技术是硅基上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工的技术。薄膜沉积一般采用常压化学气相淀积(APCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)和等离子体增强化学气相淀积(PECVD)。薄膜的加工通常采用光刻技术，通过光刻将设计好的微机械结构图形转移到硅片上，再用各种腐蚀工艺形成微结构。在表面微机械加工中,有时要形成各种悬空结构如微腔和微桥，通常采用牺牲层技术实现。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的压阻式传感器灵敏度不高、易受空气阻力影响、封装真空度要求高等问题。

本发明的技术方案如下：

一种压阻式加速度传感器，包括支撑边框1、弹性悬梁臂2、压敏电阻3、质量块4、玻璃基底6和玻璃盖板7，其特征在于，所述弹性悬梁臂2为蛇形的弹性悬梁臂，所述质量块上设有阵列排布的阻尼孔5。

进一步地，质量块位于支撑边框中并通过四个蛇形弹性悬梁臂与支撑边框连接，在靠近质量块一端的蛇形悬梁臂上设置有压敏电阻。

更进一步地，所述支撑边框1为正方形，其每条边的中点处分别固定一个蛇形弹性悬梁臂，蛇形弹性悬梁臂的一端固定在支撑边框上，另一端固定在质量块上，四个压敏电阻分别设置在蛇形弹性悬梁臂靠近质量块一端，支撑边框通过静电键合技术分别与玻璃基底和玻璃盖板键合，所述质量块的下表面与玻璃基底之间有间隔。

一种压阻式加速度传感器的制造方法，包括以下步骤：

1)在硅片双面沉积SiO₂；

2)正面光刻SiO₂，离子注入浓硼，做欧姆接触；

3)正面光刻SiO₂，离子注入淡硼，做压敏电阻；

4)去除SiO₂，双面沉积Si₃N₄；

5)背面光刻Si₃N₄，预腐蚀，减薄质量块的厚度；

6)背面沉积Si₃N₄，光刻Si₃N₄，湿法腐蚀出质量块的结构；

7)去除Si₃N₄，正面沉积SiO₂；

8)光刻SiO₂，溅射Al，光刻形成Al导线；

9)光刻SiO₂，光刻Si形成蛇形悬梁臂和阻尼孔；

10)静电键合玻璃基底和玻璃盖板。

其中，步骤3)中的压敏电阻通过离子注入和扩散工艺加工制成，步骤6)中采用各向异性湿法刻蚀出质量块的结构，步骤9)中所述的蛇形梁和阻尼孔均采用DRIE工艺加工制成。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的压阻式加速度传感器的结构简单，灵敏度高，可靠性高，易于加工。

2、本发明提供的压阻式加速度传感器中的弹性悬梁臂采用蛇形结构，可以使弹性悬梁臂的梁的长度更长，对加速度的响应更灵敏，可以有效增加传感器的灵敏度。

3、本发明提供的压阻式加速度传感器的质量块上设有阻尼孔，能有效降低空气阻力的影响，保证精确度，同时使传感器对于封装的真空度要求降低，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明压阻式加速度传感器的俯视图。

图2为本发明压阻式加速度传感器的剖面图。

图3为本发明压阻式加速度传感器的压敏电阻组成的惠斯通电桥电路。

图4为制作本发明压阻式加速度传感器的工艺步骤。

其中，1为支撑边框，2为蛇形弹性悬梁臂，3为压敏电阻，4为质量块，5为阻尼孔，6为玻璃基底，7为玻璃盖板，8为Al导线，9为二氧化硅薄膜，10为氮化硅薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的介绍。

图1为本发明压阻式加速度传感器的俯视图，如图1所示，本发明压阻式加速度传感器包括支撑边框1、四个蛇形弹性悬梁臂2、压敏电阻3、质量块4、阻尼孔5、玻璃基底6和玻璃盖板7。支撑边框1通过蛇形弹性悬梁臂将质量块4支撑，质量块4的下表面高于支撑边框1的下表面，便于质量块在惯性作用下上下移动；弹性悬梁臂2采用蛇形结构，可以使梁的长度更长，对加速度的响应更敏感，能有效增加传感器的灵敏度；压敏电阻3分布于弹性悬梁臂靠近质量块4一端，当质量块4响应加速度发生位移时，压敏电阻3发生形变，电阻变化；阻尼孔5阵列排布分布于质量块上，能降低空气阻力对质量块4的影响，增加了传感器的线性特性。

图2为本发明压阻式加速度传感器的剖面图，玻璃基底6和玻璃盖板7通过静电键合工艺与加速度传感器的支撑边框贴合，起保护和封装作用。

图3为四个压敏电阻3通过Al导线8组成的惠斯通电桥电路，用于检测加速度。因为四个压敏电阻对称分布于质量块4四边的蛇形弹性悬梁臂上2，能降低对X，Y方向加速度的耦合和温度漂移影响。

图4为本发明压阻式加速度传感器的具体工艺步骤：

1)图4-a为在n型<100>双面抛光硅片上通过PECVD工艺双面沉积SiO₂薄膜9；

2)图4-b为正面刻蚀SiO₂薄膜开出离子注入窗口，然后通过离子注入在硅基表面注入浓硼，用于欧姆接触；

3)图4-c为正面刻蚀SiO₂薄膜开出离子注入窗口，然后通过离子注入在硅基表面注入淡硼，形成压敏电阻；

4)图4-d为去除SiO₂薄膜，然后通过PECVD双面积淀Si₃N₄薄膜10；

5)图4-e为背面刻蚀Si₃N₄薄膜，通过湿法腐蚀减薄质量块厚度；

6)图4-f为背面PECVD沉积Si₃N₄薄膜，刻蚀Si₃N₄，再通过湿法腐蚀得到质量块结构；

7)图4-g为去除Si₃N₄薄膜，正面通过PECVD沉积SiO₂薄膜；

8)图4-h为刻蚀SiO₂薄膜，溅射Al，光刻Al生成导线；

9)图4-i为刻蚀SiO₂薄膜，通过深反应离子刻蚀硅生成阻尼孔和蛇形梁结构；

10)图4-j为通过静电键合技术将玻璃基板和玻璃盖板与硅基键合。

Claims (4)

1.一种压阻式加速度传感器，包括支撑边框(1)、弹性悬梁臂(2)、压敏电阻(3)、质量块(4)、玻璃基底(6)和玻璃盖板(7)，其特征在于，所述弹性悬梁臂(2)为蛇形的弹性悬梁臂，所述质量块上设有阵列排布的阻尼孔(5)；所述质量块位于支撑边框中并通过四个蛇形弹性悬梁臂与支撑边框连接，在靠近质量块一端的蛇形悬梁臂上设置有压敏电阻。

2.根据权利要求1所述的压阻式加速度传感器，其特征在于，所述支撑边框为正方形，其每条边的中点处分别固定一个蛇形弹性悬梁臂，蛇形弹性悬梁臂的一端固定在支撑边框上，另一端固定在质量块上，四个压敏电阻分别设置在蛇形弹性悬梁臂靠近质量块一端，支撑边框通过静电键合技术分别与玻璃基底和玻璃盖板键合，所述质量块的下表面与玻璃基底之间有间隔。

3.一种如权利要求1所述压阻式加速度传感器的制造方法，包括以下步骤：

1)在硅片双面沉积SiO₂；

2)正面光刻SiO₂，离子注入浓硼，做欧姆接触；

3)正面光刻SiO₂，离子注入淡硼，做压敏电阻；

4)去除SiO₂，双面沉积Si₃N₄；

5)背面光刻Si₃N₄，预腐蚀，减薄质量块的厚度；

6)背面沉积Si₃N₄，光刻Si₃N₄，湿法腐蚀出质量块的结构；

7)去除Si₃N₄，正面沉积SiO₂；

8)光刻SiO₂，溅射Al，光刻形成Al导线；

9)光刻SiO₂，光刻Si形成蛇形梁和阻尼孔；

10)静电键合玻璃基底和玻璃盖板。

4.根据权利要求3所述的压阻式加速度传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤3)中的压敏电阻通过离子注入和扩散工艺加工制成，步骤6)中采用各向异性湿法刻蚀出质量块的结构，步骤9)中所述的蛇形梁和阻尼孔均采用DRIE工艺加工制成。