CN104360102B - 无引线的压阻式mems高量程加速度传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及加速度传感器，具体是一种无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器及其制造方法。本发明解决了现有压阻式高量程加速度传感器适用范围受限的问题。无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器，包括衬底、封闭空腔、第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第四悬臂梁、质量块、平面螺旋电感、第一压敏电阻、第二压敏电阻、第一电容、第二电容、第一线孔、第二线孔、第三线孔、第四线孔、第一电连线、第二电连线、第三电连线、第四电连线、第五电连线。本发明适用于加速度测量。
Description
技术领域
本发明涉及加速度传感器，具体是一种无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器及其制造方法。
背景技术
压阻式高量程加速度传感器因其具有灵敏度高、过载能力强、对恶劣工作环境（例如高温、辐射、高冲击等）适应性好等优点，而逐渐成为加速度传感器研究领域的热点之一。在现有技术条件下，压阻式高量程加速度传感器均带有引线，导致其测量方式仅仅局限于接触式测量，由此导致其适用范围严重受限。具体而言，在某些恶劣环境（例如高温、高压、高冲击等）下，接触式测量极易引发电路失效、引线高温退化等问题，由此导致压阻式高量程加速度传感器无法正常工作，从而导致压阻式高量程加速度传感器的适用范围严重受限。基于此，有必要发明一种全新的压阻式高量程加速度传感器，以解决现有压阻式高量程加速度传感器适用范围受限的问题。
发明内容
本发明为了解决现有压阻式高量程加速度传感器适用范围受限的问题，提供了一种无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器及其制造方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器，包括衬底、封闭空腔、第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第四悬臂梁、质量块、平面螺旋电感、第一压敏电阻、第二压敏电阻、第一电容、第二电容、第一线孔、第二线孔、第三线孔、第四线孔、第一电连线、第二电连线、第三电连线、第四电连线、第五电连线；
其中，衬底由上层衬底、中层衬底、下层衬底键合形成；
封闭空腔设于衬底的内部；
第一悬臂梁的左端面与封闭空腔的左内腔壁固定；第二悬臂梁的右端面与封闭空腔的右内腔壁固定；第三悬臂梁的前端面与封闭空腔的前内腔壁固定；第四悬臂梁的后端面与封闭空腔的后内腔壁固定；
质量块的左表面与第一悬臂梁的右端面固定；质量块的右表面与第二悬臂梁的左端面固定；质量块的前表面与第三悬臂梁的后端面固定；质量块的后表面与第四悬臂梁的前端面固定；
平面螺旋电感位于封闭空腔的下外腔壁；
第一压敏电阻位于第一悬臂梁的上表面；第二压敏电阻位于第二悬臂梁的上表面；
第一电容的上极板位于封闭空腔的上内腔壁的左后部；第一电容的下极板位于封闭空腔的下内腔壁的左后部；第二电容的上极板位于封闭空腔的上内腔壁的右后部；第二电容的下极板位于封闭空腔的下内腔壁的右后部；
第一线孔的两端分别贯通封闭空腔的上内腔壁的左后部和左内腔壁；第二线孔的两端分别贯通封闭空腔的下内腔壁的左后部和下外腔壁的左后部；第三线孔的两端分别贯通封闭空腔的上内腔壁的右后部和右内腔壁；第四线孔的两端分别贯通封闭空腔的下内腔壁的右后部和下外腔壁的右后部；
第一电连线的一段溅射于第一线孔内，另一段淀积于第一悬臂梁的上表面；第一电连线的两端分别与第一电容的上极板和第一压敏电阻连接；第二电连线溅射于第二线孔内；第二电连线的两端分别与第一电容的下极板和平面螺旋电感的一端连接；第三电连线的一段溅射于第三线孔内，另一段淀积于第二悬臂梁的上表面；第三电连线的两端分别与第二电容的上极板和第二压敏电阻连接；第四电连线溅射于第四线孔内；第四电连线的两端分别与第二电容的下极板和平面螺旋电感的另一端连接；第五电连线同时淀积于第一悬臂梁的上表面、第二悬臂梁的上表面、质量块的上表面；第五电连线的两端分别与第一压敏电阻和第二压敏电阻连接。
工作时，将本发明所述的无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器置于测量载体中，将平面螺旋电感与外部数据读取装置（外部数据读取装置包括信号发生器、阻抗分析仪、以及由等效电容和等效电感串联而成的发射线圈组成）进行耦合，外部数据读取装置中的信号发生器通过发射线圈发射信号，使得发射线圈两端的阻抗在传感器RLC振荡电路的谐振频率处发生变化，如图4所示。具体工作过程如下：当测量载体进行加速运动时，质量块与封闭空腔之间发生相对位移，使得第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第四悬臂梁均发生形变，由此使得第一压敏电阻的阻值、第二压敏电阻的阻值均发生变化，从而使得外部数据读取装置中的发射线圈两端的阻抗发生变化。此时，可以得出阻抗的变化量。根据阻抗的变化量，即可计算出第一压敏电阻的阻值变化量、第二压敏电阻的阻值变化量，由此计算出第一悬臂梁的形变量、第二悬臂梁的形变量，从而根据悬臂梁的形变量推导出应力的大小，最后根据应力的大小计算出测量载体的加速度值。
基于上述过程，与现有压阻式高量程加速度传感器相比，本发明所述的无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器不带有引线，由此实现了非接触式测量，有效避免了因接触式测量而引发的电路失效、引线高温退化等问题，从而有效保证了压阻式高量程加速度传感器在各种恶劣工作环境下正常工作，极大地拓宽了压阻式高量程加速度传感器的适用范围。
无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器的制造方法（该方法用于制造本发明所述的无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器），该方法是采用如下步骤实现的：
a.选取上层衬底，并采用MEMS工艺在上层衬底的下表面开设凹腔；然后，在该凹腔的上内腔壁的左后部淀积金属形成第一电容的上极板，在该凹腔的上内腔壁的右后部淀积金属形成第二电容的上极板；然后，采用TSV（Through Silicon Vias，硅穿孔）工艺在该凹腔的上内腔壁的左后部和左内腔壁之间开设第一线孔，采用TSV工艺在该凹腔的上内腔壁的右后部和右内腔壁之间开设第三线孔；然后，在第一线孔内溅射金属形成第一电连线的一段，在第三线孔内溅射金属形成第三电连线的一段，第一电连线的一端由此与第一电容的上极板连接，第三电连线的一端由此与第二电容的上极板连接；
b.选取中层衬底，并采用MEMS工艺在中层衬底的上表面和下表面之间加工形成第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第四悬臂梁、质量块；然后，采用掺杂工艺在第一悬臂梁的上表面生成第一压敏电阻，采用掺杂工艺在第二悬臂梁的上表面生成第二压敏电阻；然后，在第一悬臂梁的上表面淀积金属形成第一电连线的另一段，在第二悬臂梁的上表面淀积金属形成第三电连线的另一端，在第一悬臂梁的上表面、第二悬臂梁的上表面、质量块的上表面淀积金属形成第五电连线，第一电连线的另一端由此与第一压敏电阻连接，第三电连线的另一端由此与第二压敏电阻连接，第五电连线的两端由此分别与第一压敏电阻和第二压敏电阻连接；
c.选取下层衬底，并采用MEMS工艺在下层衬底的上表面开设凹腔；然后，在该凹腔的下内腔壁的左后部淀积金属形成第一电容的下极板，在该凹腔的下内腔壁的右后部淀积金属形成第二电容的下极板；然后，在该凹腔的下外腔壁淀积金属形成平面螺旋电感；然后，采用TSV工艺在该凹腔的下内腔壁的左后部和下外腔壁的左后部之间开设第二线孔，采用TSV工艺在该凹腔的下内腔壁的右后部和下外腔壁的右后部之间开设第四线孔；然后，在第二线孔内溅射金属形成第二电连线，在第四线孔内溅射金属形成第四电连线，第二电连线的两端由此分别与第一电容的下极板和平面螺旋电感的一端连接，第四电连线的两端由此分别与第二电容的下极板和平面螺旋电感的另一端连接；
d.将上层衬底、中层衬底、下层衬底键合在一起形成衬底，上层衬底的凹腔和下层衬底的凹腔由此共同形成封闭空腔。
本发明有效解决了现有压阻式高量程加速度传感器适用范围受限的问题，适用于加速度测量。
附图说明
图1是本发明的无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器的结构示意图。
图2是本发明的无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器的中层衬底的结构示意图。
图3是本发明的无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器的平面螺旋电感的结构示意图。
图4是本发明的无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器的工作状态参考图。
图中：1-衬底，2-封闭空腔，3-第一悬臂梁，4-第二悬臂梁，5-第三悬臂梁，6-第四悬臂梁，7-质量块，8-平面螺旋电感，9-第一压敏电阻，10-第二压敏电阻，11-第一电连线，12-第二电连线，13-第三电连线，14-第四电连线，15-第五电连线，16-第一电容的上极板，17-第一电容的下极板，18-第二电容的上极板，19-与第二电容的下极板，20-外部数据读取装置，21-信号发生器，22-阻抗分析仪，23-等效电容，24-等效电感。
具体实施方式
无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器，包括衬底1、封闭空腔2、第一悬臂梁3、第二悬臂梁4、第三悬臂梁5、第四悬臂梁6、质量块7、平面螺旋电感8、第一压敏电阻9、第二压敏电阻10、第一电容、第二电容、第一线孔、第二线孔、第三线孔、第四线孔、第一电连线11、第二电连线12、第三电连线13、第四电连线14、第五电连线15；
其中，衬底1由上层衬底、中层衬底、下层衬底键合形成；
封闭空腔2设于衬底1的内部；
第一悬臂梁3的左端面与封闭空腔2的左内腔壁固定；第二悬臂梁4的右端面与封闭空腔2的右内腔壁固定；第三悬臂梁5的前端面与封闭空腔2的前内腔壁固定；第四悬臂梁6的后端面与封闭空腔2的后内腔壁固定；
质量块7的左表面与第一悬臂梁3的右端面固定；质量块7的右表面与第二悬臂梁4的左端面固定；质量块7的前表面与第三悬臂梁5的后端面固定；质量块7的后表面与第四悬臂梁6的前端面固定；
平面螺旋电感8位于封闭空腔2的下外腔壁；
第一压敏电阻9位于第一悬臂梁3的上表面；第二压敏电阻10位于第二悬臂梁4的上表面；
第一电容的上极板16位于封闭空腔2的上内腔壁的左后部；第一电容的下极板17位于封闭空腔2的下内腔壁的左后部；第二电容的上极板18位于封闭空腔2的上内腔壁的右后部；第二电容的下极板19位于封闭空腔2的下内腔壁的右后部；
第一线孔的两端分别贯通封闭空腔2的上内腔壁的左后部和左内腔壁；第二线孔的两端分别贯通封闭空腔2的下内腔壁的左后部和下外腔壁的左后部；第三线孔的两端分别贯通封闭空腔2的上内腔壁的右后部和右内腔壁；第四线孔的两端分别贯通封闭空腔2的下内腔壁的右后部和下外腔壁的右后部；
第一电连线11的一段溅射于第一线孔内，另一段淀积于第一悬臂梁3的上表面；第一电连线11的两端分别与第一电容的上极板16和第一压敏电阻9连接；第二电连线12溅射于第二线孔内；第二电连线12的两端分别与第一电容的下极板17和平面螺旋电感8的一端连接；第三电连线13的一段溅射于第三线孔内，另一段淀积于第二悬臂梁4的上表面；第三电连线13的两端分别与第二电容的上极板18和第二压敏电阻10连接；第四电连线14溅射于第四线孔内；第四电连线14的两端分别与第二电容的下极板19和平面螺旋电感8的另一端连接；第五电连线15同时淀积于第一悬臂梁3的上表面、第二悬臂梁4的上表面、质量块7的上表面；第五电连线15的两端分别与第一压敏电阻9和第二压敏电阻10连接。
具体实施时，衬底1、第一悬臂梁3、第二悬臂梁4、第三悬臂梁5、第四悬臂梁6、质量块7均采用SiC制成。
无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器的制造方法（该方法用于制造本发明所述的无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器），该方法是采用如下步骤实现的：
a.选取上层衬底，并采用MEMS工艺在上层衬底的下表面开设凹腔；然后，在该凹腔的上内腔壁的左后部淀积金属形成第一电容的上极板16，在该凹腔的上内腔壁的右后部淀积金属形成第二电容的上极板18；然后，采用TSV工艺在该凹腔的上内腔壁的左后部和左内腔壁之间开设第一线孔，采用TSV工艺在该凹腔的上内腔壁的右后部和右内腔壁之间开设第三线孔；然后，在第一线孔内溅射金属形成第一电连线11的一段，在第三线孔内溅射金属形成第三电连线13的一段，第一电连线11的一端由此与第一电容的上极板16连接，第三电连线13的一端由此与第二电容的上极板18连接；
b.选取中层衬底，并采用MEMS工艺在中层衬底的上表面和下表面之间加工形成第一悬臂梁3、第二悬臂梁4、第三悬臂梁5、第四悬臂梁6、质量块7；然后，采用掺杂工艺在第一悬臂梁3的上表面生成第一压敏电阻9，采用掺杂工艺在第二悬臂梁4的上表面生成第二压敏电阻10；然后，在第一悬臂梁3的上表面淀积金属形成第一电连线11的另一段，在第二悬臂梁4的上表面淀积金属形成第三电连线13的另一端，在第一悬臂梁3的上表面、第二悬臂梁4的上表面、质量块7的上表面淀积金属形成第五电连线15，第一电连线11的另一端由此与第一压敏电阻9连接，第三电连线13的另一端由此与第二压敏电阻10连接，第五电连线15的两端由此分别与第一压敏电阻9和第二压敏电阻10连接；
c.选取下层衬底，并采用MEMS工艺在下层衬底的上表面开设凹腔；然后，在该凹腔的下内腔壁的左后部淀积金属形成第一电容的下极板17，在该凹腔的下内腔壁的右后部淀积金属形成第二电容的下极板19；然后，在该凹腔的下外腔壁淀积金属形成平面螺旋电感8；然后，采用TSV工艺在该凹腔的下内腔壁的左后部和下外腔壁的左后部之间开设第二线孔，采用TSV工艺在该凹腔的下内腔壁的右后部和下外腔壁的右后部之间开设第四线孔；然后，在第二线孔内溅射金属形成第二电连线12，在第四线孔内溅射金属形成第四电连线14，第二电连线12的两端由此分别与第一电容的下极板17和平面螺旋电感8的一端连接，第四电连线14的两端由此分别与第二电容的下极板19和平面螺旋电感8的另一端连接；
d.将上层衬底、中层衬底、下层衬底键合在一起形成衬底1，上层衬底的凹腔和下层衬底的凹腔由此共同形成封闭空腔2。
Claims (3)
1.一种无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器，其特征在于：包括衬底（1）、封闭空腔（2）、第一悬臂梁（3）、第二悬臂梁（4）、第三悬臂梁（5）、第四悬臂梁（6）、质量块（7）、平面螺旋电感（8）、第一压敏电阻（9）、第二压敏电阻（10）、第一电容、第二电容、第一线孔、第二线孔、第三线孔、第四线孔、第一电连线（11）、第二电连线（12）、第三电连线（13）、第四电连线（14）、第五电连线（15）；
其中，衬底（1）由上层衬底、中层衬底、下层衬底键合形成；
封闭空腔（2）设于衬底（1）的内部；
第一悬臂梁（3）的左端面与封闭空腔（2）的左内腔壁固定；第二悬臂梁（4）的右端面与封闭空腔（2）的右内腔壁固定；第三悬臂梁（5）的前端面与封闭空腔（2）的前内腔壁固定；第四悬臂梁（6）的后端面与封闭空腔（2）的后内腔壁固定；
质量块（7）的左表面与第一悬臂梁（3）的右端面固定；质量块（7）的右表面与第二悬臂梁（4）的左端面固定；质量块（7）的前表面与第三悬臂梁（5）的后端面固定；质量块（7）的后表面与第四悬臂梁（6）的前端面固定；
平面螺旋电感（8）位于封闭空腔（2）的下外腔壁；
第一压敏电阻（9）位于第一悬臂梁（3）的上表面；第二压敏电阻（10）位于第二悬臂梁（4）的上表面；
第一电容的上极板（16）位于封闭空腔（2）的上内腔壁的左后部；第一电容的下极板（17）位于封闭空腔（2）的下内腔壁的左后部；第二电容的上极板（18）位于封闭空腔（2）的上内腔壁的右后部；第二电容的下极板（19）位于封闭空腔（2）的下内腔壁的右后部；
第一线孔的两端分别贯通封闭空腔（2）的上内腔壁的左后部和左内腔壁；第二线孔的两端分别贯通封闭空腔（2）的下内腔壁的左后部和下外腔壁的左后部；第三线孔的两端分别贯通封闭空腔（2）的上内腔壁的右后部和右内腔壁；第四线孔的两端分别贯通封闭空腔（2）的下内腔壁的右后部和下外腔壁的右后部；
第一电连线（11）的一段溅射于第一线孔内，另一段淀积于第一悬臂梁（3）的上表面；第一电连线（11）的两端分别与第一电容的上极板（16）和第一压敏电阻（9）连接；第二电连线（12）溅射于第二线孔内；第二电连线（12）的两端分别与第一电容的下极板（17）和平面螺旋电感（8）的一端连接；第三电连线（13）的一段溅射于第三线孔内，另一段淀积于第二悬臂梁（4）的上表面；第三电连线（13）的两端分别与第二电容的上极板（18）和第二压敏电阻（10）连接；第四电连线（14）溅射于第四线孔内；第四电连线（14）的两端分别与第二电容的下极板（19）和平面螺旋电感（8）的另一端连接；第五电连线（15）同时淀积于第一悬臂梁（3）的上表面、第二悬臂梁（4）的上表面、质量块（7）的上表面；第五电连线（15）的两端分别与第一压敏电阻（9）和第二压敏电阻（10）连接。
2.根据权利要求1所述的无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器，其特征在于：衬底（1）、第一悬臂梁（3）、第二悬臂梁（4）、第三悬臂梁（5）、第四悬臂梁（6）、质量块（7）均采用SiC制成。
3.一种无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器的制造方法，该方法用于制造如权利要求1所述的无引线的压阻式MEMS高量程加速度传感器，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
a.选取上层衬底，并采用MEMS工艺在上层衬底的下表面开设第一凹腔；然后，在该第一凹腔的上内腔壁的左后部淀积金属形成第一电容的上极板（16），在该第一凹腔的上内腔壁的右后部淀积金属形成第二电容的上极板（18）；然后，采用TSV工艺在该第一凹腔的上内腔壁的左后部和左内腔壁之间开设第一线孔，采用TSV工艺在该第一凹腔的上内腔壁的右后部和右内腔壁之间开设第三线孔；然后，在第一线孔内溅射金属形成第一电连线（11）的一段，在第三线孔内溅射金属形成第三电连线（13）的一段，第一电连线（11）的一端由此与第一电容的上极板（16）连接，第三电连线（13）的一端由此与第二电容的上极板（18）连接；
b.选取中层衬底，并采用MEMS工艺在中层衬底的上表面和下表面之间加工形成第一悬臂梁（3）、第二悬臂梁（4）、第三悬臂梁（5）、第四悬臂梁（6）、质量块（7）；然后，采用掺杂工艺在第一悬臂梁（3）的上表面生成第一压敏电阻（9），采用掺杂工艺在第二悬臂梁（4）的上表面生成第二压敏电阻（10）；然后，在第一悬臂梁（3）的上表面淀积金属形成第一电连线（11）的另一段，在第二悬臂梁（4）的上表面淀积金属形成第三电连线（13）的另一端，在第一悬臂梁（3）的上表面、第二悬臂梁（4）的上表面、质量块（7）的上表面淀积金属形成第五电连线（15），第一电连线（11）的另一端由此与第一压敏电阻（9）连接，第三电连线（13）的另一端由此与第二压敏电阻（10）连接，第五电连线（15）的两端由此分别与第一压敏电阻（9）和第二压敏电阻（10）连接；
c.选取下层衬底，并采用MEMS工艺在下层衬底的上表面开设第二凹腔；然后，在该第二凹腔的下内腔壁的左后部淀积金属形成第一电容的下极板（17），在该第二凹腔的下内腔壁的右后部淀积金属形成第二电容的下极板（19）；然后，在该第二凹腔的下外腔壁淀积金属形成平面螺旋电感（8）；然后，采用TSV工艺在该第二凹腔的下内腔壁的左后部和下外腔壁的左后部之间开设第二线孔，采用TSV工艺在该第二凹腔的下内腔壁的右后部和下外腔壁的右后部之间开设第四线孔；然后，在第二线孔内溅射金属形成第二电连线（12），在第四线孔内溅射金属形成第四电连线（14），第二电连线（12）的两端由此分别与第一电容的下极板（17）和平面螺旋电感（8）的一端连接，第四电连线（14）的两端由此分别与第二电容的下极板（19）和平面螺旋电感（8）的另一端连接；
d.将上层衬底、中层衬底、下层衬底键合在一起形成衬底（1），上层衬底的第一凹腔和下层衬底的第二凹腔由此共同形成封闭空腔（2）。
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