技术领域
[0001] 本
发明涉及了
硅微
加速度计领域，特别涉及一种压阻式六轴高量程微加速度传感器及其制作方法。
背景技术
[0002] 加速度传感器是指一种能够测量物体运动加速度的传感器。灵敏度、线性度、轴间耦合度、响应速度，响应频带宽度，
稳定性等是其主要的性能指标。而微加速度传感器属于加速度传感器的一种，是新发展起来的微
机电系统(MEMS)的重要组成部分，随着
半导体工业的发展，特别是MEMS工艺的发展，越来越多的高性能、低能耗、价格低廉的微加速度传感器逐渐应用到各行各业，不断地改变着人们的生活和工作方式。而高量程加速度传感器作为一种特殊的惯性测量器件目前主要应用于军事和航空等领域。随着近年来侵彻武器系统的发展和对爆炸冲击现象的深入研究，人们对于高量程加速度传感器的性能也逐渐提高—要求传感器有大量程、大的响应带宽，高的固有
频率，以便能够准确、快速地响应被测加速度
信号。
[0003] 目前国内外的研究侵彻武器等所用的高量程加速度传感器基本都是单轴的，而即使有多轴的也是多个单轴的简单组合，这样不仅体积较大，而且还会引入安装误差。
专利CN101692099报道了一种具有零飘补偿的压阻式双轴加速度计，虽然解决了压阻式的
温度漂移问题，且具有较高固有频率，但其是两个单轴的敏感元件的组合，且也只能测两个方向的运动，而物体空间内六个
自由度运动还有4个运动无法被测量到，这无法满足侵彻武器等研究的全方位测量、精确控制的要求。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服上述
现有技术不足，提供一种六轴一体式高量程微加速度传 感器及其制作方法。针对现有高g微加速度计的问题，本发明结构简单紧凑，易于批量加工生产、频带宽、适用范围广，轴间耦合小。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
[0006] 一种六轴一体式高量程微加速度传感器，它包括通过键合连接在一起的敏感芯片、上盖板以及下盖板三部分，所述敏感芯片是由四个传感单元组成，每个传感单元包括结构
支撑梁、敏感微梁、惯性
质量块以及固定
框架，所述每个惯性质量块由一根结构支撑梁和两根敏感微梁与固定框架中间岛部分相连，组成
悬臂梁—质量块系统，所述两根敏感微梁以结构支撑梁为中心对称分布，连接质量块与固定框架中间岛之间，所述每个敏感微梁上均有一个掺杂敏感
电阻用以构成惠斯通电桥进行六轴向运动间的感测与解耦。
[0007] 所述固定框架由固定外框、外框对
角线、中间岛组成；外框对角线处于中间，将固定外框与中间岛连接，其高度方向尺寸一致；所述中间岛为固定框架中间的方形柱。
[0008] 所述惯性质量块整体为梯形柱；所述固定框架中间岛为固定框架中间结构，其通过固定框架外框对角线与固定框架外框相连，并且通过结构支撑梁、敏感微梁与惯性质量块相连。
[0009] 所述固定框架上设有八个补偿电阻，所述补偿电阻通过与敏感电阻并联、
串联共同组成6组惠斯通电桥。
[0010] 所述结构支撑梁长度方向垂直于惯性质量块的上、下底边，且位于梯形惯性质量块的中间，连接固定框架中间岛结构与梯形惯性质量块，并一直延伸接近梯形质量块下底边处，所述结构支撑梁的厚度与惯性质量块一样。
[0011] 一种六轴一体式高量程微加速度传感器制作方法，
[0012] 1)选用N型SOI
硅片，结构层硅厚度为10±1μm，中间
二氧化硅隔离层厚度为1～1.5μm，衬底层硅为500μm，清洗硅片表面后，采用热氧化的方法在上、下面制备一层
200～300nm SiO2
薄膜；
[0013] 2)将硅片
正面光刻，然后用
氢氟酸缓冲液BOE液去除露出的SiO2,并以去除SiO2处为窗口进行B扩散形成掺杂电阻：敏感电阻、参考电阻；
[0014] 3)氢氟酸缓冲液BOE洗去上表层SiO2，然后继续进行薄层氧化硅片，重复步骤2)，不同的是重掺杂
硼B制作欧姆
接触区；
[0015] 4)
金属化；在硅片正面光刻，并用溅射—剥离法制备金引线；然后，再加热至363±5℃，保持20～30min形成稳定的局部金硅二相；
[0016] 5)正面梁形状
刻蚀：正面光刻，溅射—剥离法制备图形化
铝掩蔽膜，然后感应耦合等离子刻蚀ICP刻蚀出结构支撑梁、敏感微梁质量块的形状，厚度为器件层厚度10±1μm；
[0017] 6)硅片背面光刻，20％～22％质量分数的四甲基
氢氧化铵在85～90℃
水浴湿法刻蚀出硅质量块活动区域；
[0018] 7)硅片背面光刻，溅射—剥离法制备图形化铝膜，然后反应等离子刻蚀RIE刻蚀出惯性质量块，刻蚀厚度为衬底硅层的厚度；
[0019] 8)氢氟酸缓冲液BOE
腐蚀梁结构处硅片1～1.5μm SiO2隔离层释放梁结构；
[0020] 9)上盖板的一面光刻，且用氢氟酸缓冲液BOE刻蚀出质量块向上活动区域，活动区域高度亦为考虑阻尼特性后的高度；
[0021] 10)将硅片用
阳极键合的方法与上盖板、下盖板密封连接，制作玻璃—硅片—玻璃的三明治结构；
[0022] 11)器件封装：
[0023] a.采用机械式划片机按划片道划片，制作敏感加速度计芯片；b.将上述芯片用AB胶贴入封装用陶瓷方形管壳；c.用金丝球焊机将细金引线与敏感芯片上焊盘一一对应键合；d.将陶瓷管壳装上密封管壳帽，并用AB胶密封。
[0024] 所述上盖板、下盖板材料为美国康宁7740玻璃或者德国肖特BF33阳极键合用玻璃。
[0025] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0026] 1)本发明结构、工艺以及读出
电路十分简单。通过简单、对称、巧妙设计的敏感单元，以及对应的作为读出电路的惠斯通电桥，可以实现空间六个轴向自由度加速度的全解耦，其理论分析轴间耦合度为零。
[0027] 2)本发明利用SOI硅片制作传感器，使得微梁的厚度尺寸能够精准的控制。此外，由于SOI硅片的绝缘、绝热特性，本工艺制作的传感器还具有低环境噪声，较好耐高温性。
[0028] 3)本发明利用与质量块同厚度的大
刚度的结构支撑梁使得优选尺寸的整个芯片的固有频率＞18KHz，使其具有很宽的频带，适应面广；此外，其还使得传感器在高量程作用下仍能线性地正常工作，,其z轴、x/y轴方向轴线加速度量程分别达到100,000gn,10,000gn，其中gn为单位
重力加速度值。
[0029] 4)本发明在敏感芯片上制作的所有掺杂电阻，包括敏感电阻和参考电阻均为同一工艺所制作，其物理性质相似度高，温度补偿性能更好，零点漂移更小。
[0030] 5)本发明合理设计质量块活动间隙，并采用一定
真空条件下键合封装，以获得0.7左右的阻尼比，加之传感器有较高的固有频率，使得传感器具有较好的动态性能以及较大的Q值。
[0031] 本发明的制作方法具有工艺简单，操作简便，加工效率高，可靠性好，容易批量化生产的特点。
附图说明
[0032] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0033] 图2是本发明的加速度敏感芯片的结构示意图；
[0034] 图3是本发明中敏感电阻与参考电阻布片图，
[0035] 图4是本发明中解耦示意图：
[0036] 图(a)为加载z轴向线加速度Az时候，敏感芯片简化受力
变形图；
[0037] 图(b)为加载y轴向线加速度Ay的时候，敏感芯片简化受力变形图；
[0038] 图(c)为加载x轴向线加速度Ax的时候，敏感芯片简化受力变形图；
[0039] 图(d)为加载z轴向
角加速度Ez的时候，敏感芯片简化受力变形图；
[0040] 图(e)为加载x轴向角加速度Ex的时候，敏感芯片简化受力变形图；
[0041] 图(f)为加载y轴向角加速度Ey的时候，敏感芯片简化受力变形图；
[0042] g表为六轴向加速度/角加速度感测与解耦表；
[0043] 图5是本发明中解耦电路原理图：
[0044] 图(a)为x轴和y轴轴向线加速度以及角加速度的解耦感测电路图；
[0045] 图(b)为z轴向线加速度解耦感测的细节电路图，
[0046] 图(c)为z轴向线加速度解耦感测整体电路图；
[0047] 图(b)和(c)图共同组成z轴向线加速度解耦感测电路图，
[0048] 图(d)为z轴向解耦感测的细节电路图，
[0049] 图(e)为z轴向解耦感测的整体电路图。
[0050] 图(d)和(e)图共同组成z轴向角加速度解耦感测电路图，
具体实施方式
[0051] 下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0052] 1.整体结构：
[0053] 如图1、图2、图3所示，它包括通过键合连接在一起的敏感芯片3、上盖板1与下盖板2；所述敏感芯片3是由四个传感单元组成，每个传感单元包括结构支撑梁4、敏感微梁5、惯性质量块6以及固定框架7；所述每个惯性质量块6由一根结构支撑梁4和两根敏感微梁5与固定框架7中间岛部分相连，组成悬臂梁—质量块系统；所述两根微梁5以结构支撑梁4对称分布于质量块6与固定框架7的中间岛之间，所述每个敏感微梁5 上均有一个掺杂敏感电阻9，所述固定框架的外框上均匀分布有8个掺杂型参考电阻8，用以与敏感电阻共同构成若干惠斯通电桥以进行六轴向运动间的感测与解耦，见图5。所述结构支撑梁4刚度较大，用以提高整体感测结构的刚度，进而提升固有频率，工作带宽及响应速度。其中结构支撑梁4、敏感微梁5以及惯性质量块6均为结构；敏感电阻9和参考电阻8为淡硼掺杂工艺制作半导体掺杂电阻。图3中，每个惯性敏感单元中的两个敏感电阻均分布在敏感微梁上远离中间结构支撑梁的一侧；梁长方向上，敏感电阻分布在靠近惯性质量块或者靠近固定框架中间“岛”结构的一侧；参考电阻则均匀分布在固定框架的外框四个直角附近处。
[0054] 如图3所示，本发明共设计了16个掺杂电阻，其中8个敏感电阻9，8个参考电阻8。所述16个掺杂电阻均为同一步工艺制作，以保证均一性；电阻的形式是一字型，复合形式以尽可能提高灵敏度，减小耦合度。
[0055] 六轴一体式高量程微加速度传感器，其尺寸为：1)总体尺寸为：长*宽*高＝3 3
3.4*3.4*0.5mm；敏感微梁尺寸为：长*宽*高＝*0.04*0.04*0.01mm ；结构支撑梁尺寸：长
3
*宽*高＝1.04*0.06*0.49mm；单个惯性质量块的体积为：等效底面积*高＝((2.42+0.3
3
4)*1.04/2-1.04*0.16)*0.49mm；
[0056] 2.六轴向加速度解耦。
[0057] 如图3、图4及图5所示，当沿Z轴正向加载线加速度Az的时候，四个质量块由于惯性作用保持不动，而固定框架与外界加速度一致，这时所有的敏感电阻状态均为受拉。如图4，a.；当沿y轴正向加载线加速度Ay时候，由于结构支撑梁4厚度与惯性质量块6一样，刚度较大且在其正中间，故而平行于x轴的4根敏感微梁几乎不受力。只有垂直于x轴的4根微梁由于变形受力，且电阻R1.1、电阻R3.1受压，电阻R1.2、电阻R3.2受拉，如图4，b.所示；当沿x轴正向加载线加速度Ax，同理，质量块6由于惯性保持不动，只有电阻R2.1、电阻R4.1受拉，电阻R2.2、电阻R4.2受压，如图4，c。所示； 当沿z轴正向加载角加速度Ez时，所有的敏感微梁5将在xoy平面弯曲，由此造成：电阻R1.1、电阻R4.1、电阻R2.2、电阻R3.2受压，电阻R1.2、电阻R4.2、电阻R2.1、电阻R3.1受拉，如图4，d。所示；当沿x轴正向加载角加速度Ex时候，由于结构的对称性，平行于x轴的微梁几乎无
应力感应，而垂直于x轴的微梁则表现出一侧受拉:电阻R4.1、电阻R4.2，另一侧受压电阻R2.1、电阻R2.2，如图4，e.所示；当沿y轴正向加载角加速度Ey时，同理，电阻R1.1、电阻R1.2受拉，电阻R3.1、电阻R3.2受压，其余基本不受力，如图4，f所示。
[0058] 综上，六轴向加速度加载后的敏感微梁5上敏感电阻9处的受力情况可以概括如图4，g.解耦表所示。其特点为：对应于Ax、Ay、Ez加载，同一质量块的两个敏感微梁敏感电阻处应力状态是大小一样，方向相反。且对应于Ax、Ay加载时候，微梁应力状态与序号对应“整齐”，如电阻R1.1和电阻R3.1及电阻R2.1和电阻R4.1应力状态一致。而对应于Ez加载，则是电阻R1.1和电阻R3.2及电阻R4.1和电阻R2.2应力状态一样；对应于AZ、Ex、Ey加载，同一质量块的两个敏感微梁敏感电阻处应力状态完全相同；且对应于Ex、Ey加载时候，所有敏感电阻应力矢量之和在忽略其他误差时候必为零，而Az加载时不为零。
[0059] 根据上述特点，设计解耦电路图如图5所示，Ay读出电桥中，电阻R1.1与电阻R3.1及电阻R1.2与电阻R3.2为对臂，且这两对彼此为邻臂；Ax读出电桥中，电阻R2.1与电阻R4.1及电阻R2.2与电阻R4.2为对臂，且这两对彼此为邻臂；Ey读出电桥中，电阻R1.1与电阻R1.2及电阻R3.1与电阻R3.2为对臂，且这两对相互为邻臂；Az读出电桥中，电阻R1.1与电阻R1.2、电阻R2.1与电阻R2.2、电阻R3.1与电阻R3.2及电阻R4.1与电阻R4.2为对臂，加上8个参考电阻8，分别共同组成4个惠斯通半桥，分别输出Vout-Az1、Vout-Az2、Vout-Az3、Vout-Az4。最后通过将4个半桥的输出串联起来，作为z轴向线加速度响应输出；Ez读出电桥中，电阻R1.1与电阻R3.2及电阻R1.2与电阻R3.1 为对，输出Vout-Ez1，电阻R2.1与电阻R4.2及电阻R2.2与电阻R4.1为对，输出Vout-Ez2，将两个全桥的输出串联起来作为z轴向角加速度响应输出。
[0060] 3.本发明一种六轴一体式高量程微加速度传感器的制作方法为：
[0061] 1)选用N型SOI硅片，结构层硅厚度为10±1μm，中间
二氧化硅隔离层厚度为1～1.5μm，衬底层硅为500μm，清洗硅片表面后，采用热氧化的方法在上、下面制备一层
200～300nm SiO2薄膜；
[0062] 2)将硅片正面光刻，然后用氢氟酸缓冲液BOE液去除露出的SiO2,并以去除SiO2处为窗口进行B扩散形成掺杂电阻：敏感电阻9、参考电阻10；
[0063] 3)氢氟酸缓冲液BOE洗去上表层SiO2，然后继续进行薄层氧化硅片，重复步骤2)，不同的是重掺杂硼(B)制作
欧姆接触区；
[0064] 4)金属化；在硅片正面光刻，并用溅射—剥离法制备金引线；然后，再加热至363±5℃，保持20～30min形成稳定的局部金硅二相；
[0065] 5)正面梁形状刻蚀：正面光刻，溅射—剥离法制备图形化铝掩蔽膜，然后感应耦合等离子刻蚀(ICP)刻蚀出结构支撑梁4、敏感微梁5质量块6的形状，厚度为器件层厚度10±1μm；
[0066] 6)硅片背面光刻，20％～22％质量分数的四甲基氢氧化铵在85～90℃水浴湿法刻蚀出硅质量块活动区域，
[0067] 7)硅片背面光刻，溅射—剥离法制备图形化铝膜，然后反应等离子刻蚀RIE刻蚀出惯性质量块6，刻蚀厚度为衬底硅层的厚度；
[0068] 8)氢氟酸缓冲液BOE腐蚀梁结构处硅片1～1.5μm SiO2隔离层释放梁结构；
[0069] 9)上盖板的一面光刻，且用氢氟酸缓冲液BOE刻蚀出质量块向上活动区域，活动区域高度亦为考虑阻尼特性后的高度；
[0070] 10)将硅片用阳极键合的方法与上盖板1、下盖板2密封连接，制作玻璃—硅片—玻 璃的三明治结构；
[0071] 11)器件封装：
[0072] a.采用机械式划片机按划片道划片，制作敏感加速度计芯片；b.将上述芯片用AB胶贴入封装用陶瓷方形管壳；c.用金丝球焊机将细金引线与敏感芯片上焊盘一一对应键合；d.将陶瓷管壳装上密封管壳帽，并用AB胶密封。
