加速度傳感器及其製造方法
2023-10-04 08:15:49
專利名稱：加速度傳感器及其製造方法
加速度傳感器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種加速度傳感器及其製造方法，尤其一種應用於地震勘測裝置的加速度傳感器及其製造方法。
背景技術：
傳統的地震檢波器為電磁感應式檢波器，其通過電磁感應的方式將振動信號轉換為模擬電信號輸出，該方式也是現今應用最普遍的檢波器。區別於傳統檢波器，以MEMS技術為核心的數字檢波器近年來取得了飛速發展，為地震檢波器技術帶來新的突破。隨著 MEMS技術的發展及數字檢波器測試技術的不斷成熟和完善，數字地震檢波器必將是長期發展的必然趨勢。MEMS技術以矽材料為基底，結合微機械加工工藝和IC工藝進行加工，是集微型傳感器、執行器、信號處理器以及控制電路、接口電路、通信電路和電源為一體的微型機電系統。由MEMS加速度傳感器構成的地震檢波器以感應加速度的變化，並通過閉環力反饋的形式將振動信號轉換成高精度數位訊號輸出。加速度傳感器可以等效為由質量塊m、彈簧k與阻尼c組成的二階振動系統，而由於地震波引起的加速度量級較小，因此要求設計動態範圍大、解析度高以及噪聲小的檢波器。從結構設計的角度出發，若要提高解析度並希望器件本身噪聲較小，可以通過兩個途徑來實現1)提高品質因數，即採用真空封裝的形式。 2)增加質量塊m的大小。採用真空封裝技術的典型產品為krcel公司的MEMS加速度傳感器，其Q值為 10000，真空封裝壓強小於lmTorr。該產品採用梳齒結構實現電容檢測，其優點為梳齒結構的加速度傳感器工藝簡單、成熟，缺點是高真空封裝下，系統的穩定啟動時間長，但是，現有的真空封裝技術不是很成熟，不利於批量生產。此外，梳齒加工工藝由於應力、應力梯度以及結構重力等因素影響，難以加工出大尺寸的單一質量塊結構。迄今為止，國內目前尚未有類似產品或結構設計的相關文獻。現有的大質量塊結構的典型產品為Colibrys公司的Si-FlexTM系列檢波器。然而，其工藝較為複雜，通常要採用溼法腐蝕濃硼自停止、矽玻璃三層鍵合或者矽矽四層鍵合等技術。所以有必要設計出一種加速度傳感器及其製造方法以解決上述技術問題。
發明內容本發明所要解決的技術問題在於提供一種靈敏度較高的加速度傳感器及其製造該加速度傳感器的方法。為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案一種加速度傳感器，包括組成陣列式的若干個子結構，每一個子結構包括質量塊、與質量塊在橫向上相互連接的錨點及可相互之間在橫向上產生相對位移的梳齒；所述若干個子結構在橫向上通過第一支撐結構相互連接，並且所述若干個子結構在垂直橫向的縱向上通過第二支撐結構相互連接。進一步地，所述每一個子結構包括位於錨點一側的支撐部，所述梳齒包括與質量塊連接的活動梳齒及與支撐部連接的第一、第二固定梳齒，所述活動梳齒在橫向上位於第一、第二固定梳齒之間。進一步地，所述每一個子結構包括分別與質量塊及錨點連接的第一、第二短梁，及位於第一、第二短梁之間且與第一、第二短梁連接的連接梁。進一步地，所述連接梁為「S」形彈性梁或「U」形彈性梁或方框形彈性梁。進一步地，所述質量塊為方框形，包括在縱向上間隔設置的第一、第二連接部及在橫向上間隔設置的第三、第四連接部，所述活動梳齒連接於第一、第二連接部上，所述第一短梁連接於第三、第四連接部上。進一步地，所述第一支撐結構為橫向上彈性、縱向上剛性的結構，所述第二支撐結構為橫向上剛性、縱向上彈性的結構。進一步地，所述第二支撐結構為「Z」形梁或「U」形梁或方框形梁，所述彈性結構均設有沿橫向延伸的狹槽。進一步地，所述每一個子結構均相同。為解決上述技術問題，本發明還可以採用如下技術方案一種製造上述加速度傳感器的方法，包括如下步驟(a).提供SOI矽片作為基片；(b).在SOI矽片的正面濺射或蒸發鋁，並光刻後腐蝕出鋁線；(c).在SOI矽片的正面塗覆光刻膠，並光刻出刻蝕開口，再利用深反應離子刻蝕出加速度傳感器的部分結構層；(d).將SOI矽片放入緩衝氧化物中蝕刻，得到加速度傳感器的可動結構層，並去除光刻膠。進一步地，所述鋁的厚度為1微米。相較於現有技術，本發明加速度傳感器可以通過連接各個子結構之間的第一、第二支撐結構來進行應力釋放，從而提高了靈敏度。另外，本發明加速度傳感器的加工工藝簡單，利於產業化發展。
圖1是本發明加速度傳感器的俯視示意圖。圖2是圖1所示的加速度傳感器的子結構示意圖。圖3是本發明加速度傳感器的子結構於第二實施方式中的示意圖。圖4是本發明加速度傳感器的子結構於第三實施方式中的示意圖。圖5是本發明加速度傳感器的部分子結構之間橫向連接的示意圖。圖6是本發明加速度傳感器的部分子結構之間縱向連接的示意圖。圖7是本發明加速度傳感器的製備流程示意圖。
具體實施方式請參圖1所示，本發明加速度傳感器100包括組成陣列式的若干個子結構1-9，所述若干個子結構1-9在橫向(X軸方向)上通過第一支撐結構相互連接，並且所述若干個子結構1-9在沿垂直橫向的縱向(Y軸方向)上通過第二支撐結構相互連接。本發明加速度傳感器100用以檢測X軸的加速度。在本發明加速度傳感器100的實施方式中，所述陣列採用3*3的正方形陣列，包含九個子結構1-9，並通過第一、第二支撐結構連成一個整體。當然，陣列的設置並不局限於3*3的正方形陣列，在其他實施方式中，根據設計需求也可以採用不同的排列方式，如3*2的長方形陣列或4*4的正方形陣列等。由於所有子結構1-9的結構均相同，以下僅對子結構1進行詳細說明。請參圖2 所示，所述子結構1包括方框形質量塊11、與質量塊11在橫向上相互連接的錨點15、位於錨點15兩側的支撐部14a、14b及可相互之間在橫向上產生相對位移的梳齒16。所述質量塊11包括相互平行且在縱向上間隔設置的第一、第二連接部lla、llb，及在橫向上間隔設置的第三、第四連接部llc、lld。所述梳齒16包括分別連接於第一、第二連接部IlaUlb上的若干活動梳齒12a、12b、連接於支撐部1 上的第一、第二固定梳齒13a、13c，及連接於支撐部14b上的第三、第四固定梳齒13b、13d，其中活動梳齒1 在橫向上位於第一、第二固定梳齒13a、13c之間，活動梳齒12b在橫向上位於第三、第四固定梳齒l!3b、13d之間。所述活動梳齒1 與第一、第二固定梳齒13a、13c之間，及活動梳齒12b與第三、第四固定梳齒 1北、13d之間在橫向上可產生相對位移，用以檢測X軸方向上的加速度(容後詳述)。所述第三、第四連接部11c、Ild通過四個第一短梁16a、16b、16c、16d、四個第二短梁17a、17b、17c、17d及兩個連接梁10a、IOb與錨點15連接。所述連接梁IOa連接第一短梁16a、1 及第二短梁17a、17b且位於它們之間。所述連接梁IOb連接第一短梁16c、16d 及第二短梁17c、17d且位於它們之間。所述連接梁IOb具有彈性，主要目的是實現在其運動方向(本實施方式中為X軸方向)的彈性較大，其餘方向的剛度較大，以實現對運動方向加速度檢測的同時，抑制其他方向加速度的幹擾。在本實施方式中，所述連接梁10a、10b大致為「S」形彈性梁，其設有兩個沿縱向延伸的狹槽10c。請參圖3及圖4所示，在其他實施方式中，所述連接梁10a、10b也可以為「U」形彈性梁20a、20b或方框形彈性梁21a、21b。「U」 形彈性梁20a、20b及方框形彈性梁21a、21b同樣分別設有沿縱向延伸的狹槽20c及21c。在子結構1中，錨點15與支撐部14a、14b固定在襯底(未圖示)上，其餘部分懸浮於襯底上方，為可動部分。當X軸向加速度作用於子結構1上時，在連接梁10a、10b的支撐下，質量塊11帶動活動梳齒12a、12b在X軸向產生一定位移。活動梳齒12a、12b與對應的第一、第二固定梳齒13a、13c及第三、第四固定梳齒13b、13d之間的電容量就相應的產生變化，通過檢測該電容的變化量就能測得加速度值。結合現有加工工藝，活動梳齒12a、12b 與第一、第二固定梳齒13a、13c及第三、第四固定梳齒i:3b、13d可通過變間距、差分的形式對稱排布於質量塊11的兩端。如圖2所示，當有沿X軸正方向的加速度作用在子結構1上時，活動梳齒12a與第一固定梳齒13a及活動梳齒12b與第三固定梳齒1 之間的間距變大；而活動梳齒1 與第二固定梳齒13c及活動梳齒12b與第四固定梳齒13d之間的間距變小，從而形成差分輸出形式。請參圖5所示，本發明加速度傳感器100通過第一支撐結構在橫向上連接子結構 1與子結構2。由於圖1所示的加速度傳感器100整體結構在X軸方向彈性較大，在一定程度上釋放了 X軸方向上的應力。第一支撐結構為橫向上彈性、縱向上剛性的結構(在本實施方式中為短梁18)，作為橫向上相鄰兩個質量塊11的連接部分，也可以起到釋放應力的作用。類似地，子結構2與子結構3、子結構4與子結構5等的質量塊11在橫向上也通過短梁18相連。短梁18的具體形狀、尺寸、個數及連接方式等可以根據具體要求靈活設計。
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請參圖6所示，本發明加速度傳感器100通過第二支撐結構在縱向上連接子結構 1與子結構4的質量塊11。所述第二支撐結構為橫向上剛性、縱向上彈性的結構。由於圖 1所示的加速度傳感器100整體結構在Y軸方向的剛度較大，該縱向上彈性的結構可以較好地釋放Y軸方向的應力。所述第二支撐結構為「Z」形梁19或「U」形梁22或方框形梁 23 (與圖3及圖4所示的「U」形彈性梁20a、20b及方框形彈性梁21a、21b結構類似)。所述第二支撐結構均設有沿橫向延伸的狹槽24，使第二支撐結構在縱向具有較好的彈性。類似地，子結構2與子結構5、子結構3與子結構6等的質量塊11在縱向上也通過縱向上彈性的結構相連。圖7揭示了本發明加速度傳感器100的製造方法，包括以下步驟(a).提供SOI矽片作為基片，所述SOI矽片包括底層矽層Al、頂層矽層A2及夾層二氧化矽層A3 ；(b).在SOI矽片的正面濺射或蒸發鋁，厚度為1微米，光刻後腐蝕出鋁線A4 ；(c).在SOI矽片的正面塗覆光刻膠，光刻出刻蝕開口 A5，深反應離子刻蝕(DRIE) 出加速度傳感器100的部分結構層；(d).將SOI矽片放入緩衝氧化物蝕刻(BOE)，得到加速度傳感器100的可動結構層，並去除光刻膠。相較於現有技術，在相同尺寸條件下，本發明陣列式加速度傳感器100與單個質量塊以及單個支撐系統結構形式的加速度傳感器相比，可以通過質量塊11之間的第一、第二支撐結構來進行應力釋放，從而提高了靈敏度。同時，本發明陣列式加速度傳感器100採用了將若干個子結構1-9並聯成一個整體的形式，從而增大了輸出信號。另外，本發明加速度傳感器100整體結構的質量比較大，在一定程度上降低了布朗熱噪聲，同時通過真空封裝技術，以實現高解析度。綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，不應以此限制本發明的範圍，即凡是依本發明權利要求書及發明說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
權利要求
1.一種加速度傳感器，其特徵在於包括組成陣列式的若干個子結構，每一個子結構包括質量塊、與質量塊在橫向上相互連接的錨點及可相互之間在橫向上產生相對位移的梳齒；所述若干個子結構在橫向上通過第一支撐結構相互連接，並且所述若干個子結構在垂直橫向的縱向上通過第二支撐結構相互連接。
2.如權利要求1所述的加速度傳感器，其特徵在於所述每一個子結構包括位於錨點一側的支撐部，所述梳齒包括與質量塊連接的活動梳齒及與支撐部連接的第一、第二固定梳齒，所述活動梳齒在橫向上位於第一、第二固定梳齒之間。
3.如權利要求2所述的加速度傳感器，其特徵在於所述每一個子結構包括分別與質量塊及錨點連接的第一、第二短梁，及位於第一、第二短梁之間且與第一、第二短梁連接的連接梁。
4.如權利要求3所述的加速度傳感器，其特徵在於所述連接梁為「S」形彈性梁或「U」 形彈性梁或方框形彈性梁。
5.如權利要求3所述的加速度傳感器，其特徵在於所述質量塊為方框形，包括在縱向上間隔設置的第一、第二連接部及在橫向上間隔設置的第三、第四連接部，所述活動梳齒連接於第一、第二連接部上，所述第一短梁連接於第三、第四連接部上。
6.如權利要求1所述的加速度傳感器，其特徵在於所述第一支撐結構為橫向上彈性、 縱向上剛性的結構，所述第二支撐結構為橫向上剛性、縱向上彈性的結構。
7.如權利要求6所述的加速度傳感器，其特徵在於所述第二支撐結構為「Z」形梁或 「U」形梁或方框形梁。
8.如權利要求1所述的加速度傳感器，其特徵在於所述每一個子結構均相同。
9.一種製造權利要求1加速度傳感器的方法，包括如下步驟(a).提供SOI矽片作為基片；(b).在SOI矽片的正面濺射或蒸發鋁，並光刻後腐蝕出鋁線；(c).在SOI矽片的正面塗覆光刻膠，並光刻出刻蝕開口，再利用深反應離子刻蝕出加速度傳感器的部分結構層；(d).將SOI矽片放入緩衝氧化物中蝕刻，得到加速度傳感器的可動結構層，並去除光刻膠。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於所述鋁的厚度為1微米。
全文摘要
本發明揭示了一種用於檢測地震、地音的加速度傳感器及其製造方法，所述加速度傳感器包括組成陣列式的若干個子結構，每一個子結構包括質量塊、與質量塊在橫向上相互連接的錨點及可相互之間在橫向上產生相對位移的梳齒；所述若干個子結構在橫向上通過第一支撐結構相互連接，並且所述若干個子結構在垂直橫向的縱向上通過第二支撐結構相互連接。所述加速度傳感器可以通過連接各個子結構之間的第一、第二支撐結構來進行應力釋放，從而提高了靈敏度。
文檔編號G01P15/125GK102193002SQ20101014867
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月11日 優先權日2010年3月11日
發明者莊瑞芬, 李剛, 桑新文 申請人:蘇州敏芯微電子技術有限公司