CN107907710B - 一种mems压阻式两轴加速度传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片及其制备方法，包括四组相同的子结构，四个子结构均匀对称分布于固定岛周围。固定岛与质量块之间通过内支撑梁连接，质量块与外框之间通过外支撑梁连接。敏感梁对称分布于外支撑梁两侧，敏感梁的一端与质量块的一端连接，另一端与外框连接。关于固定岛相对的两组子结构为一组，构成了测量一个加速度方向的完整工作结构两组子结构能够分别测量X轴和Y轴方向的加速度。每个子结构的两个敏感梁上具有压敏电阻，并通过金属引线和焊盘连接组成半开环惠斯通全桥电路。该传感器芯片可实现200g以下两轴加速度的分离测量，固有频率达到20kHz以上，灵敏度大于0.5mV/g/3V，具有较高的谐振频率和灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于微机械电子传感器计量领域，具体涉及一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片及其制备方法。
背景技术
振动在人们的日常生活以及工业生产中广泛存在，测量振动信号最普遍的方法是进行加速度信号的测量，振动加速度传感器被广泛用于工业控制、汽车监控、环境监测、消费类电子产品以及军事等领域，用于满足不同领域对振动信号与冲击信号的测量要求，然而体积庞大的传统传感器已经越来越难以满足各个领域的实际应用需求。随着微机械电子***(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)的兴起，加速度传感器也变得越来越微型化。
MEMS加速度传感器所采用的测量原理有许多，主要有压阻式、压电式、电容式、热对流式、隧道式、光纤式以及谐振式。与其他类型的MEMS加速度传感器相比，MEMS压阻式加速度传感器因其测量范围广，加工工艺简单，可测量动态和静态信号，动态响应好，测试方便，后续处理电路简单，成本低廉等优点而得到广泛的应用。
无论采用何种检测方式，加速度传感器的灵敏度与工作带宽始终是其最主要工作指标，因此在设计过程中常将这两个参数作为优化目标来设计加速度传感器结构。压阻式传感器的工作原理都是基于弹簧-质量块***，位移与***刚度存在直接依赖关系，两者此消彼长，无法同时提高，而***刚度恰恰在一定程度上决定了***的固有频率，固有频率决定了***的工作带宽。因此固有频率与灵敏度之间存在相互制约关系，从而影响了加速度传感器的进一步提高。在加速度传感器的设计中，减弱加速度传感器灵敏度和固有频率的相互制约关系，同时得到灵敏度和固有频率的最优值显得尤为重要。
发明内容
本发明为了弱化传感器灵敏度与谐振频率的直接耦合关系，提出了一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片及其制备方法，该传感器芯片将支撑元件(即支撑梁)与敏感元件分离，支撑梁主要作用是支撑质量块运动，而应力主要集中于敏感梁，使得敏感梁上的压敏电阻条阻值发生变化，两者各司其职，极大地弱化了灵敏度与谐振频率之间的直接耦合关系，从而具有良好的测量两个方向加速度的性能指标。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，包括外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁、质量块以及金属引线，固定岛和质量块设置在外框内，以外框的中心为平面坐标系XOY的原点，以外框所在平面为XOY平面，固定岛设置在外框的中心位置，在平面坐标系XOY的坐标轴的正半轴和负半轴方向均设有质量块，所有质量块关于固定岛对称，固定岛与质量块之间通过内支撑梁连接，质量块与外框之间通过外支撑梁连接，所有内支撑梁和外支撑梁均沿外框所在平面的坐标轴设置，每个质量块对应设置两个敏感梁，两个敏感梁分别对称设置在质量块对应的外支撑梁的两侧，每个敏感梁的两端分别与质量块和外框连接，敏感梁具有压敏电阻条，每个质量块对应的两个敏感梁上的压敏电阻条与金属引线连接并形成半开环惠斯通全桥电路。
所述质量块分为两个区域，分别为矩形区域和等腰梯形区域，矩形区域和等腰梯形区域同轴设置，等腰梯形区域的下底与矩形区域的长边相连且长度相等，上底靠近固定岛设置，上底的中部与内支撑梁连接；
矩形区域靠近外框设置，且在靠近外框一侧开设有凹槽，凹槽沿矩形区域宽边方向的轴线开设，外支撑梁伸入凹槽内并与凹槽底部的中部连接。
所述等腰梯形区域上开设有关于等腰梯形区域的轴线对称的通孔，通孔用于为质量块减重。
所述半开环惠斯通全桥电路包括三条线路，分别为第一线路、第二线路和第三线路，第一线路、第二线路和第三线路的一端设置在质量块上且相互联通，另一端延伸至外框并在端部设置焊盘，第一线路和第二线路分别沿质量块对应的两个敏感梁上的压敏电阻条设置，第三线路沿外支撑梁设置，第一线路和第二线路关于第三线路对称。
所述外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块通过N型(100)晶面的SOI硅片制备而成。
所述压敏电阻条沿敏感梁上的[011]或[0ī1]晶向制作。
所述外框的背面连接有玻璃板，固定岛的背面与玻璃板连接，敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块的背面与玻璃板之间具有间隙。
所述外框的尺寸为长×宽＝5.4mm×5.4mm；固定岛的尺寸为长×宽×厚＝500μm×500μm×315μm；内支撑梁的尺寸为长×宽×厚＝500μm×80μm×300μm；外支撑梁的尺寸为长×宽×厚＝800μm×80μm×300μm；敏感梁的尺寸为长×宽×厚＝70μm×5μm×10μm；质量块的厚度为300μm；金属引线的宽度为20μm。
一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对SOI硅片进行双面氧化，使SOI硅片的正面和背面均生成热氧二氧化硅层；
步骤2，在步骤1处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉敏感梁对应区域的热氧二氧化硅层，露出SOI硅片的器件层，然后再在露出的器件层上进行硼离子轻掺杂，硼离子轻掺杂区域作为敏感梁的压敏电阻条；
步骤3，再在步骤2处理完成的SOI硅片正面制作一层二氧化硅膜；
步骤4，再在步骤3处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，在敏感梁两端对应位置刻蚀掉热氧二氧化硅层和二氧化硅膜，露出SOI硅片的器件层，然后再在露出的器件层上进行硼离子重掺杂，得到欧姆接触区；
步骤5，再在步骤4处理完成的SOI硅片正面沉积一层导电金属层，然后对导电金属层进行刻蚀并形成金属引线和金属引线对应的焊盘；
步骤6，再在步骤5处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，直至刻蚀至SOI硅片的埋氧层的正面，以释放出外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块处于埋氧层的正面以上的部位；
步骤7，再对SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块处于埋氧层的背面以下的部位，并将敏感梁处于埋氧层的背面以下的部位刻蚀掉；
步骤8，再将步骤7处理完成的SOI硅片上外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块以外区域对应的埋氧层刻蚀掉。
所述步骤7中，对SOI硅片的背面进行刻蚀时，先刻蚀掉外框和固定岛对应区域以外的热氧二氧化硅层，露出SOI硅片的底硅层，再对底硅层刻蚀一定深度，使刻蚀区域的表面低于外框的背面；
再在SOI硅片的背面制作一层氮化硅层；
然后再在SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出外框、固定岛、敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块处于埋氧层的背面以下的部位，并将敏感梁处于埋氧层的背面以下的部位刻蚀掉；
再进行步骤8；
再进行步骤9，步骤9的过程如下：
先对步骤8处理完成的SOI硅片的背面进行刻蚀，刻蚀掉SOI硅片背面的氮化硅层和热氧二氧化硅层，露出SOI硅片背面的底硅层；
再将正面设置有防静电吸附层的玻璃板的正面与SOI硅片背面的底硅层进行阳极键合，SOI硅片背面的底硅层上与玻璃板阳极键合的区域为外框和固定岛对应的区域，玻璃板上除与外框和固定岛阳极键合以外的区域均设置防静电吸附层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片的固定岛与质量块之间通过内支撑梁连接，质量块与外框之间通过外支撑梁连接，每个质量块对应设置两个敏感梁，两个敏感梁分别对称设置在质量块对应的外支撑梁的两侧，每个敏感梁的两端分别与质量块和外框连接，因此，本发明的加速度传感器芯片结构将支撑元件(即支撑梁)与敏感元件(即敏感梁)分离设置，支撑梁主要作用是支撑质量块运动，而应力主要集中于敏感梁，使得敏感梁上的压敏电阻条阻值发生变化，极大的弱化了灵敏度与谐振频率的相互制约关系，使得传感器的灵敏度和谐振频率都有了很大提高，提高了传感器的性能；
而且本发明的加速度传感器芯片由四个完全相同的子结构组成，即以外框的中心为平面坐标系XOY的原点，以外框所在平面为XOY平面，固定岛设置在外框的中心位置，在平面坐标系XOY的坐标轴的正半轴和负半轴方向均设有质量块，所有质量块关于固定岛对称，因此本发明的四个子结构能够实现X方向和Y方向上的两轴加速度的集成测量；
而且，本发明加速度传感器芯片中所有内支撑梁和外支撑梁均沿外框所在平面的坐标轴设置，因此内支撑梁、质量块、外支撑梁、敏感梁关于中心轴线对称，能够有效地减小交叉灵敏度。
进一步的，质量块分为矩形区域和等腰梯形区域，等腰梯形区域的上底靠近固定岛设置，上底的中部与内支撑梁连接，因此各质量块能够向固定岛尽量聚拢，有助于减小本发明加速度传感器芯片的整体尺寸。
进一步的，等腰梯形区域上开设有关于等腰梯形区域的轴线对称的通孔，通孔用于为质量块减重，能够通过降低质量来提高传感器芯片的谐振频率，并降低交叉灵敏度的影响。
进一步的，本发明的加速度传感器芯片采用SOI硅片制作，使得各种微梁的厚度尺寸能够得到精确的控制，同时保证本传感器芯片具有低噪声、耐高温等优点。
本发明的制备方法通过SOI硅片来制备MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，因此能够减小寄生电容，降低传感器芯片的功耗，还能够减少加工步骤；通过对SOI硅片进行双面氧化，使生成热氧二氧化硅层能够充当掩膜，通过硼离子轻掺杂能够形成传感器芯片敏感梁的压敏电阻条，通过硼离子重掺杂能够形成压敏电阻条与金属引线之间的欧姆接触区，因此使得本发明的压敏电阻条与金属引线之间接触可靠，保证了传感器芯片测量的准确性。
进一步的，对SOI硅片的背面进行刻蚀时，先刻蚀掉外框和固定岛对应区域以外的热氧二氧化硅层，露出SOI硅片的底硅层，再对底硅层刻蚀一定深度，使刻蚀区域的表面低于外框的背面，而且通过将传感器芯片的外框和固定岛在底硅层对应区域与玻璃板进行阳极键合，使传感器芯片封装于玻璃板上，由于对底硅层刻蚀了一定深度，刻蚀区域的表面低于外框的背面，因此使得敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块与玻璃板之间存在运动间隙，保证了敏感梁、内支撑梁、外支撑梁和质量块的正常工作；并且在玻璃板上除与外框和固定岛阳极键合以外的区域均设置防静电吸附层，能够防止静电吸附。
附图说明
图1为本发明的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片的三维整体结构示意图；
图2为图1中的A部放大示意图；
图3为本发明的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片的整体结构的正视图；
图4为本发明的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片受X方向加速度时的工作原理图；
图5是本发明的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片受Y方向加速度时的工作原理图；
图6为本发明的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片的制备工艺流程示意图；
其中，1-外框，2-固定岛，3-内支撑梁，4-质量块，4-1-矩形区域，4-1-2-凹槽，4-2-等腰梯形区域，4-2-1-通孔，5-敏感梁，6-焊盘，7-金属引线，7-1-第一线路，7-2-第二线路，7-3-第三线路，8-外支撑梁，9-热氧二氧化硅层，10-器件层，11-埋氧层，12-底层硅，13-硼离子轻掺杂区域，14-二氧化硅膜，15-欧姆接触区，18-氮化硅层，19-玻璃板，20-防静电吸附层，21-运动间隙区域。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，包括外框1、固定岛2、敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8、质量块4以及金属引线7，外框1、固定岛2、敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8和质量块4通过N型(100)晶面的SOI硅片制备而成，固定岛2和质量块4设置在外框1内，以外框1的中心为平面坐标系XOY的原点，以外框1所在平面为XOY平面，固定岛2设置在外框1的中心位置，在平面坐标系XOY的坐标轴的正半轴和负半轴方向均设有质量块4，所有质量块4关于固定岛2对称，固定岛2与质量块4之间通过内支撑梁3连接，质量块4与外框1之间通过外支撑梁8连接，所有内支撑梁3和外支撑梁8均沿外框1所在平面的坐标轴设置，每个质量块4对应设置两个敏感梁5，两个敏感梁5分别对称设置在质量块4对应的外支撑梁8的两侧，每个敏感梁5的两端分别与质量块4和外框1连接，敏感梁5具有压敏电阻条，压敏电阻条沿敏感梁5上的[011]或[0ī1]晶向制作，每个质量块4对应的两个敏感梁5上的压敏电阻条与金属引线7连接并形成半开环惠斯通全桥电路；
外框1的背面连接有玻璃板19，固定岛2的背面与玻璃板19连接，敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8和质量块4的背面与玻璃板19之间具有间隙。
具体的，质量块4分为两个区域，分别为矩形区域4-1和等腰梯形区域4-2，矩形区域4-1和等腰梯形区域4-2同轴设置，等腰梯形区域4-2的下底与矩形区域的长边相连且长度相等，上底靠近固定岛2设置，上底的中部与内支撑梁3连接；
矩形区域4-1靠近外框1设置，且在靠近外框1一侧开设有凹槽4-1-2，凹槽4-1-2沿矩形区域4-1宽边方向的轴线开设，外支撑梁8伸入凹槽4-1-2内并与凹槽4-1-2底部的中部连接。
等腰梯形区域4-2上开设有关于等腰梯形区域4-2的轴线对称的通孔4-2-1，通孔4-2-1用于为质量块4减重。
具体的，半开环惠斯通全桥电路包括三条线路，分别为第一线路7-1、第二线路7-2和第三线路7-3，第一线路7-1、第二线路7-2和第三线路7-3的一端设置在质量块4上且相互联通，另一端延伸至外框1并在端部设置焊盘6，第一线路7-1和第二线路7-2分别沿质量块4对应的两个敏感梁5上的压敏电阻条设置，第三线路7-3沿外支撑梁8设置，第一线路7-1和第二线路7-2关于第三线路7-3对称。
制备本发明的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤(如图6)：
步骤1，对SOI硅片进行双面氧化，使SOI硅片的正面和背面均生成热氧二氧化硅层9；
步骤2，在步骤1处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉敏感梁5对应区域的热氧二氧化硅层9，露出SOI硅片的器件层10，然后再在露出的器件层10上进行硼离子轻掺杂，硼离子轻掺杂区域作为敏感梁5的压敏电阻条；
步骤3，再在步骤2处理完成的SOI硅片正面制作一层二氧化硅膜14；
步骤4，再在步骤3处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，在敏感梁5两端对应位置刻蚀掉热氧二氧化硅层9和二氧化硅膜14，露出SOI硅片的器件层10，然后再在露出的器件层10上进行硼离子重掺杂，得到欧姆接触区15；
步骤5，再在步骤4处理完成的SOI硅片正面沉积一层导电金属层，然后对导电金属层进行刻蚀并形成金属引线7和金属引线7对应的焊盘；
步骤6，再在步骤5处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，直至刻蚀至SOI硅片的埋氧层11的正面，以释放出外框1、固定岛2、敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8和质量块4处于埋氧层11的正面以上的部位；
步骤7，再对SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出外框1、固定岛2、敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8和质量块4处于埋氧层11的背面以下的部位，并将敏感梁5处于埋氧层11的背面以下的部位刻蚀掉；
步骤8，再将步骤7处理完成的SOI硅片上外框1、固定岛2、敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8和质量块4以外区域对应的埋氧层11刻蚀掉。
当需要将加速度传感器芯片固定于玻璃片上是，在步骤7中，对SOI硅片的背面进行刻蚀时，先刻蚀掉外框1和固定岛2对应区域以外的热氧二氧化硅层9，露出SOI硅片的底硅层12，再对底硅层12刻蚀一定深度，使刻蚀区域的表面低于外框1的背面；
再在SOI硅片的背面制作一层氮化硅层18；
然后再在SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出外框1、固定岛2、敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8和质量块4处于埋氧层11的背面以下的部位；
再进行步骤8；
再进行步骤9，步骤9的过程如下：
先对步骤8处理完成的SOI硅片的背面进行刻蚀，刻蚀掉SOI硅片背面的氮化硅层18和热氧二氧化硅层9，露出SOI硅片背面的底硅层12；
再将正面设置有防静电吸附层20的玻璃板19的正面与SOI硅片背面的底硅层12进行阳极键合，SOI硅片背面的底硅层12上与玻璃板19阳极键合的区域为外框1和固定岛2对应的区域，玻璃板19上除与外框1和固定岛2阳极键合以外的区域均设置防静电吸附层20。
实施例
作为本发明的优选实施例，本实施例的加速度传感器芯片由四个相同的子结构组成，每个子结构由1个质量块4，2个敏感梁5，1个内支撑梁3和1个外支撑梁8连接而成的整结构，以及该结构上设置的焊盘和金属引线7，将四个子结构中关于固定岛2相对的两个子结构设置为一组，两组子结构构成一个单轴加速度传感器的完整结构，每组的四个敏感梁5上的压敏电阻条通过金属引线7和六个金属焊盘6连接，并组成半开环惠斯通全桥电路。
传感器芯片使用N型(100)晶面的SOI硅片进行制备，由于在硅的(100)晶面上，[011]和[0ī1]晶向上的压阻系数最大，是制作压敏电阻条的最佳方向。所以本实施例传感器芯片在敏感梁5上均沿着[011]或[0ī1]晶向制作压敏电阻条，压敏电阻条是通过硼离子掺杂或注入的方式形成的，形成的压敏电阻条是P型压敏电阻条。
本实施例中，传感器芯片的每个质量块4上加工出两个三角形通孔，目的在于降低质量块4的质量来提高传感器的谐振频率，并降低交叉灵敏度的影响。
本实施例的加速度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，使用N型(100)晶面双面抛光SOI硅片，SOI硅片的器件层10的电阻率为3Ω·cm，厚度为10μm，埋氧层11的厚度为1μm，底层硅厚度为304μm，SOI硅片总厚度为315μm。玻璃板19为Pyrex7740玻璃，厚度为500μm；在制备前，先使用HF酸溶液清洗SOI硅片，并在900℃-1200℃下进行双面氧化，使SOI硅片的背面和正面生成热氧二氧化硅层9；
步骤2，第一次光刻使正面热氧二氧化硅层9图案化，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺去除敏感梁5对应区域的二氧化硅层，其余区域的热氧二氧化硅层9充当掩模，然后进行硼离子轻掺杂，掺杂深度为1.5μm，形成敏感梁5的压敏电阻条，该区域方块电阻在200～250Ω/□之间，再进行再分布的阱推扩散退火过程，以保证敏感梁5区域的杂质浓度均匀分布；
步骤3，再在敏感梁5两端对应区域使用等离子增强化学气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺形成一层1μm厚的二氧化硅膜14，二氧化硅膜14用于保护敏感梁区域在接下来的重掺杂步骤中不受影响；
步骤4，第二次光刻和反应离子蚀刻(RIE)工艺实现SiO2层图案化，去除敏感梁5两端对应位置的热氧二氧化硅层9和二氧化硅膜14，其余区域的二氧化硅膜14充当掩模，然后进行硼离子重掺杂，掺杂深度为1.5μm，使得敏感梁5两端对应位置的区域的方块电阻<10Ω/□，形成低阻值的欧姆接触区15，再进行再分布扩散退火过程，使得欧姆接触区15的杂质浓度均匀分布，以保证金属引线7与敏感梁5的压敏电阻条之间形成稳定接触；
步骤5，在SOI硅片正面整个表面物理气相沉积(PVD)Ti/Al层，Ti的厚度Al的厚度然后利用金属焊盘及金属引线版刻蚀除金属引线7和焊盘6以外其他区域的Ti/Al层，并形成金属引线7和焊盘6结构，并在500℃条件下进行30分钟合金化过程。
步骤6，第三次光刻，在SOI硅片光刻正面刻蚀区域，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺去除正面外框1、固定岛2、敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8和质量块4处于埋氧层11的正面以上的部位的所有二氧化硅层。然后利用感应耦合等离子(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀技术刻蚀至埋氧层自停止，以释放出外框1、固定岛2、敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8和质量块4处于埋氧层11的正面以上的部位，完整形成敏感梁5的整体结构；
步骤7，第四次光刻，去除SOI硅片背面运动间隙区域21内的二氧化硅，运动间隙区域21具体为外框1和固定岛2在SOI硅片背面对应区域以外的区域，运动间隙区域21的表面低于SOI硅片背面的，运动间隙区域21用于使加速度传感器芯片固定在玻璃片19上后，敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8和质量块4与玻璃片19的正面之间具有可***的间隙，在去除运动间隙区域21内的二氧化硅时，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺去除SOI硅片背面运动间隙区域内的热氧二氧化硅层9，其余区域的热氧二氧化硅层9充当掩膜，然后在SOI硅片的基底硅上通过ICP刻蚀技术制备出4μm深的空隙，以保证加速度传感器在工作状态下正常运动；
步骤8，再在SOI硅片背面使用PECVD工艺形成一层1μm厚的氮化硅层18，氮化硅层18作为接下来SOI硅背面刻蚀的掩膜层；
步骤9，第五次光刻，在SOI硅片的背面进行刻蚀，使用RIE工艺刻蚀掉SOI硅片背面的氮化硅层18和热氧二氧化硅层9，刻蚀的区域为外框1、固定岛2、敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8和质量块4对应的区域，露出SOI硅片背面的底硅层12，在接下来的刻蚀步骤中为了保证所成型的内、外支撑梁及质量块具有良好的边沿垂直度和深宽比，利用深反应离子刻蚀技术(Deep Reactive Ion Etching,DRIE)进行刻蚀，刻蚀掉外框1、固定岛2、敏感梁5、内支撑梁3、外支撑梁8和质量块4处于埋氧层11的背面以下的部位，直至刻蚀至埋氧层11自停止，并将敏感梁5处于埋氧层11的背面以下的部位刻蚀掉。
步骤10，将已刻蚀完成的SOI硅片正面利用光刻胶进行保护，然后利用缓冲HF酸从背面刻蚀除外框1、固定岛2、内支撑梁3、质量块4、敏感梁5和外支撑梁8以外区域对应的埋氧层11，再利用去离子水与丙酮进行漂洗后自然晾干，最后再将SOI硅片正面的光刻胶去除；
步骤11，用RIE工艺对SOI硅片背面作为掩模的氮化硅层18和热氧二氧化硅层9进行刻蚀，以露出SOI硅片背面的底层硅12。然后利用键合玻璃片版，在Pyrex7740玻璃片上除了外框1和固定岛2以外区域对应的区域光刻玻璃金属区域，之后在玻璃片上除了外框1和固定岛2以外区域对应的区域溅射Cr/Au层制作出防止静电吸附电极，最后通过阳极键合在将芯片封装在玻璃片上。
本实施例制作的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片的相关结构尺寸如下：
加速度传感器芯片的总体尺寸为长×宽×厚＝5.4mm×5.4mm×315μm；
固定岛2的尺寸为长×宽×厚＝500μm×500μm×315μm；
内支撑梁3的尺寸为长×宽×厚＝500μm×80μm×300μm；
外支撑梁8的尺寸为长×宽×厚＝800μm×80μm×300μm；
敏感梁5的尺寸为长×宽×厚＝70μm×5μm×10μm；
质量块4的厚度为300μm；
金属引线7的宽度为20μm；
焊盘6的面积为150μm×150μm。
本发明的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片的工作原理如下，参照图4和图5：
如图4和图5所示，由牛顿第二定律F＝ma可得，当加速度传感器芯片受到芯片面内X方向的加速度ax作用时，分别处于Y轴正半轴和负半轴的子结构x1和x2由于惯性而发生面内移动，引起内支撑梁3和外支撑梁8的变形，从而引起敏感梁5的变形，在敏感梁上压敏电阻条产生应力，根据硅的压阻效应，敏感梁5上压敏电阻条的阻值变化与其所受应力之间的关系如下：
ΔR＝πσR
其中：R为压敏电阻条的初始阻值；
π为压敏电阻条的压阻系数；
σ为压敏电阻条中的应力；
此时，同一工作方向上的四个压敏电阻条构成的半开环惠斯通全桥失去平衡，输出与外部加速度ax成正比的电信号，实现对加速度的检测。加速度传感器芯片的灵敏度Sx与外部加速度ax的关系如下式：
其中：Uout——惠斯通电桥的输出电压；
E——硅的杨氏模量；
Uapply——惠斯通电桥的供电电压；
π——压阻系数；
ε——压阻微梁的应变；
参照图5所示，当加速度传感器芯片受到芯片面内Y方向的加速度ay作用时，此时，分别处于X轴半轴和负半轴的子结构y1和y2的由于惯性而发生面内移动，加速度传感器芯片的工作原理与灵敏度计算方法与上述加速度传感器芯片受到加速度ax时相同。
本实施例的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片所能达到的主要技术指标如下：
1、量程：0～200g(两轴)；
2、灵敏度：>0.5mV/g/3V；
3、固有频率：>20kHz；
4、工作温度：-40℃～125℃。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，包括外框(1)、固定岛(2)、敏感梁(5)、内支撑梁(3)、外支撑梁(8)、质量块(4)以及金属引线(7)，固定岛(2)和质量块(4)设置在外框(1)内，以外框(1)的中心为平面坐标系XOY的原点，以外框(1)所在平面为XOY平面，固定岛(2)设置在外框(1)的中心位置，在平面坐标系XOY的坐标轴的正半轴和负半轴方向均设有质量块(4)，所有质量块(4)关于固定岛(2)对称，固定岛(2)与质量块(4)之间通过内支撑梁(3)连接，质量块(4)与外框(1)之间通过外支撑梁(8)连接，所有内支撑梁(3)和外支撑梁(8)均沿外框(1)所在平面的坐标轴设置，每个质量块(4)对应设置两个敏感梁(5)，两个敏感梁(5)分别对称设置在质量块(4)对应的外支撑梁(8)的两侧，每个敏感梁(5)的两端分别与质量块(4)和外框(1)连接，敏感梁(5)具有压敏电阻条，每个质量块(4)对应的两个敏感梁(5)上的压敏电阻条与金属引线(7)连接并形成半开环惠斯通全桥电路；
所述质量块(4)分为两个区域，分别为矩形区域(4-1)和等腰梯形区域(4-2)，矩形区域(4-1)和等腰梯形区域(4-2)同轴设置，等腰梯形区域(4-2)的下底与矩形区域的长边相连且长度相等，上底靠近固定岛(2)设置，上底的中部与内支撑梁(3)连接；
矩形区域(4-1)靠近外框(1)设置，且在靠近外框(1)一侧开设有凹槽(4-1-2)，凹槽(4-1-2)沿矩形区域(4-1)宽边方向的轴线开设，外支撑梁(8)伸入凹槽(4-1-2)内并与凹槽(4-1-2)底部的中部连接。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述等腰梯形区域(4-2)上开设有关于等腰梯形区域(4-2)的轴线对称的通孔(4-2-1)，通孔(4-2-1)用于为质量块(4)减重。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述半开环惠斯通全桥电路包括三条线路，分别为第一线路(7-1)、第二线路(7-2)和第三线路(7-3)，第一线路(7-1)、第二线路(7-2)和第三线路(7-3)的一端设置在质量块(4)上且相互联通，另一端延伸至外框(1)并在端部设置焊盘(6)，第一线路(7-1)和第二线路(7-2)分别沿质量块(4)对应的两个敏感梁(5)上的压敏电阻条设置，第三线路(7-3)沿外支撑梁(8)设置，第一线路(7-1)和第二线路(7-2)关于第三线路(7-3)对称。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述外框(1)、固定岛(2)、敏感梁(5)、内支撑梁(3)、外支撑梁(8)和质量块(4)通过N型(100)晶面的SOI硅片制备而成。
5.根据权利要求4所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述压敏电阻条沿敏感梁(5)上的[011]或[0ī1]晶向制作。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述外框(1)的背面连接有玻璃板(19)，固定岛(2)的背面与玻璃板(19)连接，敏感梁(5)、内支撑梁(3)、外支撑梁(8)和质量块(4)的背面与玻璃板(19)之间具有间隙。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片，其特征在于，所述外框(1)的尺寸为长×宽＝5.4mm×5.4mm；固定岛(2)的尺寸为长×宽×厚＝500μm×500μm×315μm；内支撑梁(3)的尺寸为长×宽×厚＝500μm×80μm×300μm；外支撑梁(8)的尺寸为长×宽×厚＝800μm×80μm×300μm；敏感梁(5)的尺寸为长×宽×厚＝70μm×5μm×10μm；质量块(4)的厚度为300μm；金属引线(7)的宽度为20μm。
8.一种制备如权利要求1-7任意一项所述的MEMS压阻式两轴加速度传感器芯片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对SOI硅片进行双面氧化，使SOI硅片的正面和背面均生成热氧二氧化硅层(9)；
步骤2，在步骤1处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉敏感梁(5)对应区域的热氧二氧化硅层(9)，露出SOI硅片的器件层(10)，然后再在露出的器件层(10)上进行硼离子轻掺杂，硼离子轻掺杂区域作为敏感梁(5)的压敏电阻条；
步骤3，再在步骤2处理完成的SOI硅片正面制作一层二氧化硅膜(14)；
步骤4，再在步骤3处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，在敏感梁(5)两端对应位置刻蚀掉热氧二氧化硅层(9)和二氧化硅膜(14)，露出SOI硅片的器件层(10)，然后再在露出的器件层(10)上进行硼离子重掺杂，得到欧姆接触区(15)；
步骤5，再在步骤4处理完成的SOI硅片正面沉积一层导电金属层，然后对导电金属层进行刻蚀并形成金属引线(7)和金属引线(7)对应的焊盘；
步骤6，再在步骤5处理完成的SOI硅片正面进行刻蚀，直至刻蚀至SOI硅片的埋氧层(11)的正面，以释放出外框(1)、固定岛(2)、敏感梁(5)、内支撑梁(3)、外支撑梁(8)和质量块(4)处于埋氧层(11)的正面以上的部位；
步骤7，再对SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出外框(1)、固定岛(2)、敏感梁(5)、内支撑梁(3)、外支撑梁(8)和质量块(4)处于埋氧层(11)的背面以下的部位，并将敏感梁(5)处于埋氧层(11)的背面以下的部位刻蚀掉；
步骤8，再将步骤7处理完成的SOI硅片上外框(1)、固定岛(2)、敏感梁(5)、内支撑梁(3)、外支撑梁(8)和质量块(4)以外区域对应的埋氧层(11)刻蚀掉；
所述步骤7中，对SOI硅片的背面进行刻蚀时，先刻蚀掉外框(1)和固定岛(2)对应区域以外的热氧二氧化硅层(9)，露出SOI硅片的底硅层(12)，再对底硅层(12)刻蚀一定深度，使刻蚀区域的表面低于外框(1)的背面；
再在SOI硅片的背面制作一层氮化硅层(18)；
然后再在SOI硅片的背面进行刻蚀，以释放出外框(1)、固定岛(2)、敏感梁(5)、内支撑梁(3)、外支撑梁(8)和质量块(4)处于埋氧层(11)的背面以下的部位，并将敏感梁(5)处于埋氧层(11)的背面以下的部位刻蚀掉；
再进行步骤8；
再进行步骤9，步骤9的过程如下：
先对步骤8处理完成的SOI硅片的背面进行刻蚀，刻蚀掉SOI硅片背面的氮化硅层(18)和热氧二氧化硅层(9)，露出SOI硅片背面的底硅层(12)；
再将正面设置有防静电吸附层(20)的玻璃板(19)的正面与SOI硅片背面的底硅层(12)进行阳极键合，SOI硅片背面的底硅层(12)上与玻璃板(19)阳极键合的区域为外框(1)和固定岛(2)对应的区域，玻璃板(19)上除与外框(1)和固定岛(2)阳极键合以外的区域均设置防静电吸附层(20)。
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