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基于非共面H型 谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式 加速度计

阅读：40发布：2020-05-08

专利汇可以提供基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计。加速度计由质量块 (1)、蟹腿型支撑梁(2)、激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)、引线梁(6)、框架 (7)组成。质量块(1)的重心位于4根蟹腿型支撑梁(2)组成的平面内。由激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)组成的4个H型谐振器位于加速度计芯片上表面。激振梁(3)和拾振梁(4)分别采用电磁激励和电磁检测模式，面内弹性刚度低，质量块(1)在面内加速度作用下翻转角度小，交叉轴耦合干扰小，并具有较高的面内检测灵敏度。正面腐蚀工艺释放激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)和引线梁(6)简化了工艺流程，缩短了芯片腐蚀时间。，下面是基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计，其特征在于：加速度计由质量块(1)、蟹腿型支撑梁(2)、激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)、引线梁(6)、框架(7)组成，质量块(1)的重心位于4根蟹腿型支撑梁(2)组成的平面内，由激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)组成的4个H型谐振器位于加速度计芯片上表面。
2.根据权利要求1所述的基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计，其特征在于：激振梁(3)和拾振梁(4)分别采用电磁激励和电磁检测模式；位于磁场中的激振梁(3)上通过交流电信号时会产生安培力，使激振梁(3)发生振动，通过传动梁(5)带动拾振梁(4)切割磁力线，拾振梁(4)两端将会产生感应电动势；当交流电信号频率与H型谐振器的固有频率相同时，H型谐振器处于谐振状态，拾振梁(4)两端的感生电动势的幅值也达到最大，通过对感生电动势谐振频率的测量就可检测到H型谐振器的谐振频率。
3.根据权利要求1所述的基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计，其特征在于：X轴加速度作用下，惯性力引起质量块(1)沿X轴方向位移，从而使X轴方向两根H型谐振器分别产生的轴向拉应变和轴向压应变，最终改变H型谐振器的固有谐振频率，通过检测X轴方向H型谐振器的谐振频率就可以得到X轴加速度的大小和方向；同理，Y轴加速度作用下，通过检测Y轴方向H型谐振器的谐振频率就可以得到Y轴加速度的大小和方向。
4.根据权利要求1所述的基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计，其特征在于通过以下基本工艺步骤制作：
[1]原始硅片(8)厚度为h，热氧化生长二氧化硅薄膜，作为掺杂掩蔽层(9)；
[2]正面光刻激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)和引线梁(6)图形，梁的宽度小于h·r，其中r为硅在各向异性腐蚀液中横向与纵向的腐蚀速率比，去除激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)和引线梁(6)表面的掺杂掩蔽层(9)，重掺杂硼，掺杂浓度达到自停止腐蚀浓度；
[3]双面制作腐蚀掩蔽层(10)；
[4]制作激振导线(11)、拾振导线(12)和焊盘(13)；
[5]正面光刻腐蚀槽(14)图形，去除正面腐蚀槽(14)中的腐蚀掩蔽层(10)，但保留蟹腿型支撑梁(2)、激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)和引线梁(6)表面的腐蚀掩蔽层(10)；
[6]背面光刻腐蚀槽(14)图形，去除背面腐蚀槽(14)中的腐蚀掩蔽层(10)，但保留蟹腿型支撑梁(2)表面的腐蚀掩蔽层(10)；
[7]腐蚀硅，腐蚀深度h1≥d/2，其中d为蟹腿型支撑梁(2)的厚度；
[8]双面光刻，去除蟹腿型支撑梁(2)表面的腐蚀掩蔽层(10)；
[9]各向异性腐蚀液中腐蚀硅，腐蚀深度h2＝(h-d)/2，蟹腿型支撑梁(2)达到设计厚度，并使激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)和引线梁(6)释放。

说明书全文

基于非共面H型 谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振

式加速度计

技术领域

[0001] 本发明涉及一种双轴体微机械谐振式加速度计的结构及制造方法，特别是一种基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计的结构及制造方法，属于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)领域。

背景技术

[0002] 谐振式加速度计利用惯性力改变谐振器的轴向应力和应变，从而引起谐振频率变化，检测谐振频率的变化量获得加速度的大小。由于可以将被测加速度直接转换为稳定性和可靠性较高的频率信号，因此，微机械谐振式加速度计的分辨率高，稳定性好，测量精度高，不受电路噪声影响，在传输过程中不易产生失真误差，抗干扰能力强，无需A/D转换即可与数字系统接口，目前己成为高精度微加速度计的重要发展方向之一。

[0003] 早期的谐振式加速度计采用表面微机械工艺加工制造，由多晶硅制成的检测质量块只有几微米厚。为了增加质量块的厚度，降低噪声，提高灵敏度，常使用厚多晶硅作为加速度计的结构层。然而，厚多晶硅工艺存在着机械应力和重复性差的问题。为此，人们提出了混合微加工工艺、SOI(Silicon On Insulator)工艺、DRIE(Deep Reactive Ion Etching)工艺、SOG(Silicon-On-Glass)工艺来增加质量块的厚度。然而，通过上述途径制作的质量块的厚度仍然只有几十微米。体微机械工艺可实现全硅片厚度的质量块，获得低噪声、高精度加速度计。

[0004] 谐振式加速度计通常由质量块、支撑梁、谐振器组成，可以将被测加速度直接转换为稳定性和可靠性较高的频率信号，在传输过程中不易产生失真误差，无需A/D转换即可与数字系统接口，并具有抗干扰能力强、稳定性好、测量精度高等优点。为减小面内加速度作用引起的质量块翻转，体微机械谐振式加速度计中质量块的重心应位于支撑梁所在的平面内。但由于芯片上表面的谐振器造成了加速度计芯片上下不对称，如果谐振器刚度太大，则在面内加速度作用下质量块会发生显著的翻转，从而引入较大的交叉轴干扰和测量误差。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于发明一种双轴体微机械谐振式加速度计，减小谐振器面内弹性刚度，提高对面内加速度的检测灵敏度、降低交叉耦合干扰、简化工艺流程、缩短腐蚀时间。

[0006] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：双轴体微机械谐振式加速度计由质量块、蟹腿型支撑梁、激振梁、拾振梁、传动梁、引线梁、框架组成。蟹腿型支撑梁、激振梁、拾振梁和引线梁位于质量块和框架之间的腐蚀槽内，一端固支在质量块的侧面，另一端固支在框架内壁。质量块的重心位于4根蟹腿型支撑梁组成的平面内。由激振梁、拾振梁、传动梁组成的4根H型谐振器位于加速度计芯片上表面。激振梁和拾振梁分别采用电磁激励和电磁检测模式，利用永磁体给激振梁和拾振梁提供一个垂直于芯片表面的磁场。

[0007] 本发明所涉及的基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计的工作原理是：位于磁场中的激振梁上通过交流电信号时会产生安培力，使激振梁发生振动，通过传动梁带动拾振梁切割磁力线，拾振梁两端将会产生感应电动势。当交流电信号频率与H型谐振器的固有频率相同时，H型谐振器处于谐振状态，拾振梁两端的感生电动势的幅值也达到最大，通过对感生电动势谐振频率的测量就可检测到H型谐振器的谐振频率。

[0008] 当加速度计受到X轴加速度时，惯性力引起质量块沿X轴方向位移，从而使X轴方向两根H型谐振器分别产生的轴向拉应变和轴向压应变，最终改变H型谐振器的固有谐振频率，通过检测X轴方向H型谐振器的谐振频率就可以得到X轴加速度的大小和方向。同理，Y轴加速度作用下，通过检测Y轴方向H型谐振器的谐振频率便可以得到Y轴加速度的大小和方向。

[0009] 本发明所涉及的基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计可采用以下方法制作：

[0010] [1]原始硅片厚度为h，热氧化生长二氧化硅薄膜，作为掺杂掩蔽层。

[0011] [2]正面光刻激振梁、拾振梁、传动梁和引线梁图形，梁的宽度小于h·r，其中r为硅在各向异性腐蚀液中横向与纵向的腐蚀速率比，去除激振梁、拾振梁、传动梁和引线梁表面的掺杂掩蔽层，重掺杂硼，掺杂浓度达到自停止腐蚀浓度。

[0012] [3]双面制作腐蚀掩蔽层。

[0013] [4]制作激振导线、拾振导线和焊盘。

[0014] [5]正面光刻腐蚀槽图形，去除正面腐蚀槽中的腐蚀掩蔽层，但保留激振梁、拾振梁、蟹腿型支撑梁、传动梁和引线梁表面的腐蚀掩蔽层。

[0015] [6]背面光刻腐蚀槽图形，去除背面腐蚀槽中的腐蚀掩蔽层，但保留蟹腿型支撑梁表面的腐蚀掩蔽层。

[0016] [7]腐蚀硅，腐蚀深度h1≥d/2，其中d为蟹腿型支撑梁的厚度。

[0017] [8]双面光刻，去除蟹腿型支撑梁表面的腐蚀掩蔽层。

[0018] [9]各向异性腐蚀液中腐蚀硅，腐蚀深度h2＝(h-d)/2，蟹腿型支撑梁达到设计厚度，并使激振梁、拾振梁、传动梁和引线梁释放。

[0019] 本发明所涉及的基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计的制作工艺中，所述的腐蚀掩蔽层采用二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜中的一种或两种。

[0020] 本发明所涉及的基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计采用各向异性腐蚀工艺制作，腐蚀液在沿<100>方向纵向腐蚀(111)面硅形成蟹腿型支撑梁的同时，底切激振梁、拾振梁、传动梁和引线梁下面掺杂浓度较低的硅，使激振梁、拾振梁、传动梁和引线梁得以释放。

[0021] 本发明所涉及的基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计具有以下优点：(1)激振梁和拾振梁上无需制作激励和检测电阻，从而在相同的工艺水平下具有较小宽度和较低的面内弹性刚度，使质量块在面内加速度计作用下的翻转角度小，交叉轴耦合干扰小，并具有较高的面内检测灵敏度。(2)正面腐蚀工艺释放激振梁、拾振梁、传动梁和引线梁，简化了工艺流程，缩短了芯片腐蚀时间。附图说明

[0022] 图1是本发明所涉及的基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计的结构示意图。

[0023] 图2是作为本发明实施例的基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计沿图1中AA’视角的基本工艺流程图。

[0024] 附图中：

[0025] 1-质量块 2-蟹腿型支撑梁 3-激振梁

[0026] 4-拾振梁 5-传动梁 6-引线梁

[0027] 7-框架 8-原始硅片 9-掺杂掩蔽层

[0028] 10-腐蚀掩蔽层 11-激振导线 12-拾振导线

[0029] 13-焊盘 14-腐蚀槽 15-正面腐蚀窗口

[0030] 16-背面腐蚀窗口

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。

[0032] 实施例：

[0033] 利用本发明提供的技术方案制作基于非共面H型谐振器和蟹腿型支撑梁的双轴体微机械谐振式加速度计。原始硅片厚度为380微米，激振梁、拾振梁、传动梁和引线梁的厚度为5微米，宽度20微米，蟹腿型支撑梁的厚度为40微米。依据此数据来确定的制作工艺流程如下：

[0034] [1]原始硅片(8)为(100)面、电阻率为0.01Ω·cm的双面抛光单晶硅片，标准清洗，热氧化在硅片正反两面制作0.6微米的二氧化硅薄膜，作为掺杂掩蔽层(9)。(见附图2[1])

[0035] [2]正面光刻激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)和引线梁(6)图形，梁的宽度小于60微米，缓释氢氟酸溶液腐蚀激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)和引线梁(6)表面的掺杂掩蔽层(9)，扩散或离子注入浓硼工艺对激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)和引线梁(6)区域进行重掺杂，掺杂浓度达到自停止腐蚀浓度。(见附图2[2])

[0036] [3]缓释氢氟酸溶液腐蚀掺杂掩蔽层(9)，再次热氧化在硅片正反两面制作厚度0.6微米的二氧化硅薄膜用作硅片的腐蚀掩蔽层(10)。(见附图2[3])

[0037] [4]在腐蚀掩蔽层(10)上溅射Cr/Au薄膜，剥离工艺制作激振导线(11)、拾振导线(12)和焊盘(13)。(见附图2[4])

[0038] [5]正面光刻腐蚀槽(14)图形，缓释氢氟酸溶液腐蚀正面腐蚀槽(14)中的腐蚀掩蔽层(10)，但保留蟹腿型支撑梁(2)、激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)和引线梁(6)表面的腐蚀掩蔽层(10)，形成正面腐蚀窗口(15)。(见附图2[5])

[0039] [6]背面光刻腐蚀槽(14)图形，缓释氢氟酸溶液腐蚀背面腐蚀槽(14)中的腐蚀掩蔽层(10)，但保留蟹腿型支撑梁(2)表面腐蚀掩蔽层(10)，形成背面腐蚀窗口(16)。(见附图2[6])

[0040] [7]80℃、25％四甲基氢氧化胺基各向异性腐蚀液中腐蚀硅片正面腐蚀窗口(15)和背面腐蚀窗口(16)中的硅，腐蚀深度h1＝20微米。(见附图2[7])

[0041] [8]双面光刻，缓释氢氟酸溶液腐蚀蟹腿型支撑梁(2)表面的腐蚀掩蔽层(10)。(见附图2[8])

[0042] [9]80℃、25％四甲基氢氧化胺基各向异性腐蚀液中继续腐蚀硅(见附图2[9])。当腐蚀深度h2＝170微米时蟹腿型支撑梁(2)厚度达到40微米，并使激振梁(3)、拾振梁(4)、传动梁(5)和引线梁(6)释放。(见附图2[10])

[0043] 显然，上述说明并非是本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

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