孔縫八梁式加速度傳感器芯片的制作方法
【專(zhuān)利摘要】孔縫八梁式加速度傳感器芯片，包括硅基底和鍵合于硅基底背面的硼玻璃襯底，硅基底的中心空腔內(nèi)配置有懸空質(zhì)量塊，四個(gè)短小敏感梁沿著懸空質(zhì)量塊的一組對(duì)邊對(duì)稱(chēng)排布，四個(gè)寬大支撐梁分別與懸空質(zhì)量塊的另一組對(duì)邊的四角相連，短小敏感梁和寬大支撐梁共同支撐懸空質(zhì)量塊，在每個(gè)短小敏感梁與懸空質(zhì)量塊相連接的半邊設(shè)有一個(gè)應(yīng)力集中孔，每個(gè)應(yīng)力集中孔兩側(cè)布置的兩根壓敏電阻條連接組成一個(gè)壓敏電阻，四個(gè)壓敏電阻連接組成半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋檢測(cè)電路與焊盤(pán)相連，本發(fā)明一方面通過(guò)在短小敏感梁上開(kāi)孔緩解固有頻率與測(cè)量靈敏度之間的制約關(guān)系，獲得高頻響、高靈敏度的加速度傳感器，另一方面通過(guò)梁的四角排布方式有效的降低了橫向靈敏度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】孔縫八梁式加速度傳感器芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微加速度傳感器芯片【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及孔縫八梁式加速度傳感器芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著MEMS微加工技術(shù)的發(fā)展，壓阻式加速度傳感器出現(xiàn)了很多不同的敏感結(jié)構(gòu)，包括單懸臂梁，雙懸臂梁，單橋梁，雙橋梁，十字梁，雙島五梁，復(fù)合多梁等。這些結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，解決了傳感器性能方面的很多問(wèn)題。如雙懸臂梁結(jié)構(gòu)相對(duì)于單懸臂梁降低了傳感器的橫向交叉靈敏度；四梁結(jié)構(gòu)，如雙橋梁、十字梁等則在考慮橫向交叉靈敏度的同時(shí)，提高了傳感器的固有頻率；雙島五梁結(jié)構(gòu)則是為了通過(guò)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)消除橫向交叉靈敏度的干擾而被提出的。復(fù)合多梁結(jié)構(gòu)則是通過(guò)長(zhǎng)短梁的組合方式來(lái)提高傳感器的綜合性能。目前開(kāi)發(fā)的硅微加速度傳感器受敏感結(jié)構(gòu)與傳感方式的限制，大都性能不高，如頻響范圍較窄且橫向靈敏度高，結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量也無(wú)法做到很小，限制了傳感器的檢測(cè)精度。此外，在高靈敏度硅微加速度傳感器設(shè)計(jì)方面，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多高靈敏度的機(jī)械傳感元件，但大都采用微懸臂梁一質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)形式，而在微懸臂梁一質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)中，靈敏度與固有頻率是無(wú)法避免的矛盾。因此，如何在保證測(cè)量帶寬的條件下，來(lái)提高硅微加速度傳感器的檢測(cè)性能需要進(jìn)一步研究。
[0003]壓阻式硅微加速度傳感器設(shè)計(jì)中，傳感器的性能受結(jié)構(gòu)、工藝、工作參數(shù)等的影響，且參數(shù)間大多交叉禍合。為了提高壓阻式硅微加速度傳感器的綜合性能，需要綜合考慮傳感器的結(jié)構(gòu)、工藝和工作參數(shù)等的影響，其多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也需要進(jìn)一步研究。綜合考慮傳感器固有頻率和測(cè)量靈敏度以及橫向靈敏度三個(gè)方面的因素，在之前的研究工作中，傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多旨在解決其中的某一個(gè)或者某兩個(gè)方面的問(wèn)題，通過(guò)犧牲非目標(biāo)參數(shù)的數(shù)值來(lái)獲取所需的性能提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供孔縫八梁式加速度傳感器芯片，一方面通過(guò)在短小敏感梁上開(kāi)孔緩解固有頻率與測(cè)量靈敏度之間的制約關(guān)系，獲得高頻響、高靈敏度的加速度傳感器，另一方面通過(guò)梁的四角排布方式有效的降低了橫向靈敏度。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]孔縫八梁式加速度傳感器芯片，包括硅基底I和鍵合于硅基底I背面的硼玻璃襯底2，硅基底I的中心空腔內(nèi)配置有懸空質(zhì)量塊5，四個(gè)短小敏感梁3沿著懸空質(zhì)量塊5的一組對(duì)邊對(duì)稱(chēng)排布，四個(gè)寬大支撐梁4分別與懸空質(zhì)量塊5的另一組對(duì)邊的四角相連，短小敏感梁3和寬大支撐梁4共同支撐懸空質(zhì)量塊5，使其保持懸空狀態(tài)，硼玻璃襯底2與懸空質(zhì)量塊5之間預(yù)留有工作間隙，
[0007]在每個(gè)短小敏感梁3與懸空質(zhì)量塊5相連接的半邊設(shè)有一個(gè)應(yīng)力集中孔9，每個(gè)應(yīng)力集中孔9兩側(cè)布置兩根壓敏電阻條，兩根壓敏電阻條連接組成一個(gè)壓敏電阻6，四個(gè)壓敏電阻6通過(guò)芯片上的金屬引線7連接組成半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋檢測(cè)電路，半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋檢測(cè)電路的輸出端與芯片中的焊盤(pán)8相連，四個(gè)壓敏電阻6按照短小敏感梁3上的應(yīng)力分布規(guī)律布置，且位于硅晶體相同的晶向上。
[0008]所述的短小敏感梁3的長(zhǎng)度和寬度均小于寬大支撐梁4，而短小敏感梁3和寬大支撐梁4的厚度相同。
[0009]所述的應(yīng)力集中孔9為矩形孔槽，其長(zhǎng)寬比為2，深度與短小敏感梁3的厚度相同，且布置于靠近懸空質(zhì)量塊5的一端。
[0010]所述的短小敏感梁3和寬大支撐梁4以及懸空質(zhì)量塊5與硅基底I之間存在著
7-15 μ m的間隙。
[0011]所述的具有孔縫八梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器芯片是由MEMS制造技術(shù)制作的加速度轉(zhuǎn)換芯片。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:基于矩形孔縫的應(yīng)力集中效應(yīng)，在矩形孔縫周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中，從而增加了傳感器的檢測(cè)靈敏度；采用了四邊分布梁的方式使得整個(gè)結(jié)構(gòu)的橫向交叉干擾降低；通過(guò)引入的短小敏感梁增加了結(jié)構(gòu)的整體剛度，使得傳感器的固有頻率增加。前人在雙橋結(jié)構(gòu)加速度傳感器的基礎(chǔ)上制作了孔縫雙橋結(jié)構(gòu)，雖然增加了傳感器的靈敏度，但是是以犧牲傳感器固有頻率為代價(jià)的。本結(jié)構(gòu)不僅增加了傳感器的靈敏度，而且固有頻率也有所提升。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明的正視圖。
[0015]圖3為短小敏感梁3上壓敏電阻6的布置方式示意圖。
[0016]圖4為壓敏電阻6構(gòu)成的半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋檢測(cè)電路示意圖。
[0017]圖5為本發(fā)明的工作原理示意圖(取一半結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0019]參照?qǐng)D1和圖2，孔縫八梁式加速度傳感器芯片，包括硅基底I和鍵合于硅基底I背面的硼玻璃襯底2，硅基底I的中心空腔內(nèi)配置有懸空質(zhì)量塊5，四個(gè)短小敏感梁3沿著懸空質(zhì)量塊5的一組對(duì)邊對(duì)稱(chēng)排布，四個(gè)寬大支撐梁4分別與懸空質(zhì)量塊5的另一組對(duì)邊的四角相連，短小敏感梁3和寬大支撐梁4共同支撐懸空質(zhì)量塊5，使其保持懸空狀態(tài)，硼玻璃襯底2與懸空質(zhì)量塊5之間預(yù)留有工作間隙，以保證懸空質(zhì)量塊5在傳感器正常工作時(shí)能夠始終懸空，從而在某些過(guò)載環(huán)境中其下底面能夠與硼玻璃2接觸，，而在某些過(guò)載環(huán)境中其下底面能夠與硼玻璃2接觸，防止過(guò)載破壞傳感器芯片，
[0020]在每個(gè)短小敏感梁3與懸空質(zhì)量塊5相連接的半邊設(shè)有一個(gè)應(yīng)力集中孔9，每個(gè)應(yīng)力集中孔9兩側(cè)布置兩根壓敏電阻條，兩根壓敏電阻條連接組成一個(gè)壓敏電阻6，參照?qǐng)D3和圖4，四個(gè)壓敏電阻6中的第一個(gè)壓敏電阻6-1、第二個(gè)壓敏電阻6-2、第三個(gè)壓敏電阻
6-3、第四壓敏電阻6-4均布置于短小敏感梁3和懸空質(zhì)量塊5連接的部位，第一壓敏電阻6-1、第二壓敏電阻6-2、第三壓敏電阻6-3、第四壓敏電阻6-4通過(guò)芯片上的金屬引線7相互連接組成半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋檢測(cè)電路，其中第一壓敏電阻6-1和第四壓敏電阻6-4位于一組相對(duì)的橋臂，第二壓敏電阻6-2和第三壓敏電阻6-3位于另一組相對(duì)的橋臂，半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋檢測(cè)電路的輸出端與芯片中的焊盤(pán)8相連，四個(gè)壓敏電阻6按照短小敏感梁3上的應(yīng)力分布規(guī)律布置，且位于硅晶體相同的晶向上。
[0021]所述的短小敏感梁3的長(zhǎng)度和寬度均小于寬大支撐梁4，而短小敏感梁3和寬大支撐梁4的厚度相同。
[0022]所述的應(yīng)力集中孔9為矩形孔槽，其長(zhǎng)寬比為2，深度與短小敏感梁3的厚度相同，且布置于靠近懸空質(zhì)量塊5的一端，以便獲得更大的應(yīng)力集中數(shù)值。
[0023]所述的短小敏感梁3和寬大支撐梁4以及懸空質(zhì)量塊5與硅基底I之間存在著
7-15μ m的間隙，用以釋放短小敏感梁3、寬大支撐梁4以及懸空質(zhì)量塊5連接組成的可動(dòng)結(jié)構(gòu)。
[0024]所述的具有孔縫八梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器芯片是由MEMS制造技術(shù)制作的加速度轉(zhuǎn)換芯片。
[0025]本發(fā)明芯片的工作原理為:
[0026]參照?qǐng)D5，利用的單晶硅材料的壓阻效應(yīng)作為敏感原理，當(dāng)壓敏電阻6處于一定應(yīng)力作用下時(shí)，由于載流子遷移率的變化，其電阻率發(fā)生變化，其阻值的變化與其所受應(yīng)力之間的比例關(guān)系為:
【權(quán)利要求】
1.孔縫八梁式加速度傳感器芯片，包括硅基底(I)和鍵合于硅基底(I)背面的硼玻璃襯底(2)，硅基底(I)的中心空腔內(nèi)配置有懸空質(zhì)量塊(5)，其特征在于:四個(gè)短小敏感梁(3)沿著懸空質(zhì)量塊(5)的一組對(duì)邊對(duì)稱(chēng)排布，四個(gè)寬大支撐梁(4)分別與懸空質(zhì)量塊(5)的另一組對(duì)邊的四角相連，短小敏感梁(3)和寬大支撐梁(4)共同支撐懸空質(zhì)量塊(5)，使其保持懸空狀態(tài)，硼玻璃襯底(2)與懸空質(zhì)量塊(5)之間預(yù)留有工作間隙， 在每個(gè)短小敏感梁(3)與懸空質(zhì)量塊(5)相連接的半邊設(shè)有一個(gè)應(yīng)力集中孔(9)，每個(gè)應(yīng)力集中孔(9)兩側(cè)布置兩根壓敏電阻條，兩根壓敏電阻條連接組成一個(gè)壓敏電阻(6)，四個(gè)壓敏電阻(6)通過(guò)芯片上的金屬引線(7)連接組成半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋檢測(cè)電路，半開(kāi)環(huán)惠斯通全橋檢測(cè)電路的輸出端與芯片中的焊盤(pán)(8)相連，四個(gè)壓敏電阻(6)按照短小敏感梁(3)上的應(yīng)力分布規(guī)律布置，且位于硅晶體相同的晶向上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔縫八梁式加速度傳感器芯片，其特征在于:所述的短小敏感梁(3)的長(zhǎng)度和寬度均小于寬大支撐梁(4)，而短小敏感梁(3)和寬大支撐梁(4)的厚度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔縫八梁式加速度傳感器芯片，其特征在于:所述的應(yīng)力集中孔(9)為矩形孔槽，其長(zhǎng)寬比為2，深度與短小敏感梁(3)的厚度相同，且布置于靠近懸空質(zhì)量塊(5)的一端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔縫八梁式加速度傳感器芯片，其特征在于:所述的短小敏感梁(3)和寬大支撐梁(4)以及懸空質(zhì)量塊(5)與硅基底(I)之間存在著7-15 μ m的間隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔縫八梁式加速度傳感器芯片，其特征在于:所述的具有孔縫八梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器芯片是由MEMS制造技術(shù)制作的加速度轉(zhuǎn)換芯片。
【文檔編號(hào)】G01P15/12GK103995149SQ201410235361
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】趙玉龍, 王鵬 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)