專利名稱：Saw-mems加速度傳感器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子器件領(lǐng)域，特別涉及到一種加速度傳感器及制作方法。
背景技術(shù)：
加速度計又稱為加速度傳感器，是慣性測量系統(tǒng)的核心元件之一。加速度傳感器通常是利用敏感質(zhì)量塊把被測加速度轉(zhuǎn)換為其慣性力(牛頓第二定律)，進而達到測量加速度的目的。1965年，美國的R. M. White和F. M. Voltmov發(fā)明了能在壓電材料表面激勵聲表面波的金屬叉指換能器(簡稱為IDT)后，聲表面波(Surface Acoustic Waves，簡稱SAW) 技術(shù)得到了迅速發(fā)展。SAff加速度計是一種新型的機械量傳感器，SAff器件是SAW加速度計的關(guān)鍵部件， 根據(jù)所用SAW器件的不同，可分為諧振器型和延遲線型。1988年底，法國Thomson-CSF研究中心已研制出拉一壓式、非懸臂微梁式、雙非懸臂微梁式及角形懸臂微梁式四種類型的SAW 加速度計，美國Rockwell也在上世紀八十年代研究出用以形成二維錘形結(jié)構(gòu)的懸臂水晶梁的獨特工藝的SAW加速度計。在以上產(chǎn)品中，由于切割水晶片厚度的限制，制作出的懸臂微梁尺寸也受到很大的限制，另外懸臂微梁需要一個較大的支撐端，較難將加速計微型化。我國在SAW加速度計的研究方面起步較晚，西北工業(yè)大學(xué)于1990年研制出懸臂微梁加速度傳感器，其結(jié)構(gòu)為在一個金屬梁上下兩側(cè)貼兩個SAW器件，用于感知梁運動時加速度的變化，此系統(tǒng)存在以下缺陷(1)由于SAW諧振器的溫度漂移及其封裝的疲勞老化， 現(xiàn)有懸臂微梁式SAW加速度傳感器的測量準確度和穩(wěn)定性不夠高；(2)懸臂微梁式SAW加速度傳感器的敏感范圍(敏感閉和測量量程)較小，為避免過強加速度慣性力使其疲勞斷裂等因素，懸臂微梁的尺寸限制了加速度傳感器的敏感度；(3)由于采用了金屬梁，系統(tǒng)很難實現(xiàn)微型化。因此急需一種可靠性高、敏感范圍大、功耗小、精度高、小尺寸且易于封裝的加速度傳感器及制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種可靠性高、敏感范圍大、功耗小、精度高、小尺寸且易于封裝的加速度傳感器及制作方法。本發(fā)明的目的之一是提出一種SAW-MEMS加速度傳感器；本發(fā)明的目的之二是提出一種SAW-MEMS加速度傳感器制作方法。本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的
本發(fā)明提供的SAW-MEMS加速度傳感器，包括SAW金屬叉指換能器、懸臂微梁、水晶片、 預(yù)設(shè)溝槽硅基片；所述懸臂微梁支撐端固定設(shè)置于水晶片上，所述懸臂微梁自由端懸空設(shè)置于預(yù)設(shè)溝槽硅基片的預(yù)設(shè)溝槽上方，所述SAW金屬插指換能器設(shè)置于懸臂微梁上表面懸臂端，所述懸臂微梁下表面對應(yīng)預(yù)設(shè)溝槽硅基片的預(yù)設(shè)溝槽，所述懸臂微梁上表面設(shè)置有輸入電極和輸出電極，所述金屬叉指換能器與輸入輸出電極連接。進一步，所述懸臂微梁自由端設(shè)置有懸掛質(zhì)量塊，所述懸掛質(zhì)量塊位于預(yù)設(shè)溝槽上方的懸臂微梁自由端的上表面。進一步，所述預(yù)設(shè)溝槽深度介于2微米至500微米之間。進一步，所述懸臂微梁的形狀為四邊形或多邊形，所述懸臂微梁的厚度介于5微米至200微米之間，長度介于50微米至1厘米之間。進一步，所述SAW金屬叉指換能器為諧振型或延遲型。進一步，所述SAW金屬叉指換能器為Al、Cu或Au材質(zhì)的換能器。本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的
本發(fā)明提供的SAW-MEMS加速度傳感器制作方法，包括以下步驟
(1)在硅基片的上表面刻蝕出溝槽，形成帶有預(yù)設(shè)溝槽的硅基片；
(2)將帶溝槽的硅基片與另一水晶片鍵合；
(3)將水晶片減薄并拋光形成預(yù)設(shè)空腔；
(4)在水晶基片上制作SAW叉指換能器和電極；
(5)在水晶基片上刻蝕出懸臂微梁。進一步，所述步驟(3)中采用以下步驟
(31)將硅基片與水晶片通過鍵合工藝形成無溝槽硅片-水晶雙層結(jié)構(gòu)基片；
(32)將帶預(yù)設(shè)溝槽的硅基片的帶溝槽一側(cè)與無溝槽硅片-水晶雙層結(jié)構(gòu)的水晶片一側(cè)鍵合形成預(yù)設(shè)空腔；
(33)將無溝槽硅基片進行初步機械減薄，通過化學(xué)腐蝕將無溝槽絕緣體硅層全部除去，完成頂層硅由無溝槽硅基片向有溝槽硅基片的轉(zhuǎn)移；
進一步，還包括在懸臂微梁上設(shè)置懸掛質(zhì)量塊，所述懸掛質(zhì)量塊是通過鍍膜、焊接或刻蝕方式附加到懸臂微梁上；
進一步，所述步驟(1)至(5)中的襯底硅基片可用水晶或熔融石英材料代替。本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明采用在預(yù)設(shè)溝槽的硅基片上設(shè)置水晶片并在水晶片上刻蝕出懸臂微梁，在懸臂微梁上與預(yù)設(shè)溝槽相應(yīng)的位置制作SAW插指換能器，制作加速度傳感器時采用MEMS工藝，器件尺寸小，適合批量生產(chǎn)；因此本發(fā)明提供的加速度傳感器可靠性高、敏感范圍大、小尺寸且易于封裝。本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標和其它優(yōu)點可以通過下面的說明書，權(quán)利要求書，以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中
圖1為本發(fā)明提供的實施例的俯視平面圖2為本發(fā)明提供的實施例中的A-A’剖面圖3(a)至圖3(e)為本發(fā)明提供的實施例1制作工藝流程圖；圖4(a)至圖4(d)為本發(fā)明提供的實施例2制作工藝流程圖； 圖5為懸臂微梁的結(jié)構(gòu)及受力示意圖。圖中標號所代表的名稱為1為帶預(yù)設(shè)溝槽的硅基片，2為預(yù)設(shè)溝槽，3為水晶片，4 為無溝槽的硅基片，5為插指換能器(IDT)，6為懸掛質(zhì)量塊，7為懸臂微梁。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應(yīng)當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。SAff加速度計是一種新型的機械量傳感器，SAff器件是SAW加速度計的關(guān)鍵部件， SAW在所處環(huán)境改變或受到物理、化學(xué)、生物量的作用時，其工作頻率或延遲時間也會變化。 根據(jù)這些變化與被測量量的對應(yīng)關(guān)系，就可以確定被測量的大小。根據(jù)這種原理制作的加速度傳感器，可以測量機械量、溫度、氣體、濕度、生物量等。下面介紹傳感器的原理
圖5為懸臂微梁的結(jié)構(gòu)及受力示意圖，如圖所示，對于自由端懸掛質(zhì)量塊m的各向同性材料的懸臂微梁，懸臂微梁的最大應(yīng)變分量在梁的上下表面，其水平方向應(yīng)變分量為
權(quán)利要求
1.SAW-MEMS加速度傳感器，其特征在于包括SAW金屬叉指換能器、懸臂微梁、水晶片、 預(yù)設(shè)溝槽硅基片；所述懸臂微梁支撐端固定設(shè)置于水晶片上，所述懸臂微梁自由端懸空設(shè)置于預(yù)設(shè)溝槽硅基片的預(yù)設(shè)溝槽上方，所述SAW金屬插指換能器設(shè)置于懸臂微梁上表面懸臂端，所述懸臂微梁下表面對應(yīng)預(yù)設(shè)溝槽硅基片的預(yù)設(shè)溝槽，所述懸臂微梁上表面設(shè)置有輸入電極和輸出電極，所述金屬叉指換能器與輸入電極和輸出電極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SAW-MEMS加速度傳感器，其特征在于所述懸臂微梁自由端設(shè)置有懸掛質(zhì)量塊，所述懸掛質(zhì)量塊位于預(yù)設(shè)溝槽上方的懸臂微梁自由端的上表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的SAW-MEMS加速度傳感器，其特征在于所述預(yù)設(shè)溝槽深度介于2微米至500微米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的SAW-MEMS加速度傳感器，其特征在于所述懸臂微梁的形狀為四邊形或多邊形，所述懸臂微梁的厚度介于5微米至200微米之間，長度介于50微米至1厘米之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的SAW-MEMS加速度傳感器，其特征在于所述SAW金屬叉指換能器為諧振型或延遲型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的SAW-MEMS加速度傳感器，其特征在于所述SAW金屬叉指換能器為Al、Cu或Au材質(zhì)的換能器。
7.SAff-MEMS加速度傳感器制作方法，其特征在于包括以下步驟(1)在硅基片的上表面刻蝕出溝槽，形成帶有預(yù)設(shè)溝槽的硅基片；(2)將帶溝槽的硅基片與另一水晶片鍵合；(3)將水晶片減薄并拋光形成預(yù)設(shè)空腔；(4)在水晶基片上制作SAW叉指換能器和電極；(5)在水晶基片上刻蝕出懸臂微梁。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的SAW-MEMS加速度傳感器制作方法，其特征在于所述步驟 ⑶中采用以下步驟(31)將無溝槽硅基片與水晶片通過鍵合工藝形成硅片-水晶雙層結(jié)構(gòu)；(32)將帶預(yù)設(shè)溝槽的硅基片的帶溝槽一側(cè)與無溝槽硅片-水晶雙層結(jié)構(gòu)的水晶片一側(cè)鍵合形成預(yù)設(shè)空腔；(33)將無溝槽基片進行初步機械減薄，通過化學(xué)腐蝕將無溝槽絕緣體硅層全部除去， 完成頂層硅由無溝槽硅基片向有溝槽硅基片的轉(zhuǎn)移。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的SAW-MEMS加速度傳感器制作方法，其特征在于還包括在懸臂微梁上設(shè)置懸掛質(zhì)量塊，所述懸掛質(zhì)量塊是通過鍍膜、焊接或刻蝕方式附加到懸臂微梁上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的SAW-MEMS加速度傳感器制作方法，其特征在于所述步驟 (1)至(5)中的襯底硅基片可用水晶或熔融石英材料代替。
全文摘要
本發(fā)明公開了SAW-MEMS加速度傳感器，涉及微電子慣性器件領(lǐng)域，加速度傳感器包括SAW金屬叉指換能器、帶有懸臂微梁的水晶片以及預(yù)設(shè)溝槽的硅基片，SAW金屬插指換能器制作于水晶片內(nèi)的懸臂微梁上，懸臂微梁鍵合在預(yù)設(shè)溝槽的硅基片上，水晶片先與另一片無溝槽硅基片通過鍵合，減薄后再通過鍵合工藝轉(zhuǎn)移至預(yù)設(shè)溝槽的硅基片上；在水晶片上與預(yù)設(shè)溝槽相應(yīng)的位置制作SAW插指換能器，并在水晶片上刻蝕出懸臂微梁結(jié)構(gòu)，使SAW插指換能器在懸臂微梁上。所述加速度傳感器采用MEMS工藝，器件尺寸小，適合批量生產(chǎn)；因此本發(fā)明提供的加速度傳感器可靠性高、敏感范圍大、功耗小、精度高、小尺寸且易于封裝。
文檔編號B81C1/00GK102193001SQ20111012903
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者冷俊林, 卜繼軍, 楊增濤, 楊正兵, 江黎, 王勇, 肖凱, 董加和, 趙建華, 陳小兵, 馬晉毅 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所