专利名称：环振式数字加速度传感器的制作方法
技术领域：
环振式数字加速度传感器属于加速度传感器制造领域。
本发明的特征在于它是一种由做在硅梁或者硅膜上的存在由应力引起频率差别的两个环行振荡器形成的加速度敏感元件、混频器和滤波器依次连接而成的数字加速度传感器；所述的两个环行振荡器分布在硅梁或者硅膜的应力敏感集中区，一个沿着主应力方向，一个和主应力方向垂直；所述的环形振荡器设在硅梁两端或者硅膜边缘的应力敏感集中区，一个环行振荡器分布在应力敏感集中区，而另一个环行振荡器分布在非应力敏感区；所述混频器的输入端分别和上述两个环行振荡器的输出端相连，而且混频器和滤波器都是做在非应力敏感的厚体硅上的；所述的环形振荡器是MOS环形振荡器或者MOS-双极混合振荡器；所述的混频器由双栅MOS器件或者双极型器件构成。该传感器由滤波器输出的频率信号和加速度值直接相关。
试验证明它达到了预期目的。
图2.MOS环形振荡器电路原理图。
图3.双栅MOS混频器电路原理图。
图4.环振式数字加速度传感器结构
图1。
图5.环振式数字加速度传感器结构图2。
图6.环振式数字加速度传感器的制作工艺流程图。
在图2中，环形振荡器由奇数个反相器首尾相连构成，在本实施例中，环形振荡器共有11级，后面是输出级。环形振荡器是用典型的EDPMOS工艺制作的，是一种EDPMOS环形振荡器。用PMOS器件作为敏感元件，是因为和NMOS器件相比，PMOS器件的压敏效应更明显，压敏系数大。用PMOS工艺制作电路，是因为和CMOS工艺相比，PMOS工艺流程简单，成品率高。在测定加速度时，这种传感器的优点是明显的。平行环形振荡器是沿梁的主应力方向安置而垂直环形振荡器是沿垂直于梁的主应力方向安置的。当有加速度a作用时，由于压敏效应，平行环形振荡器的谐振频率增加，垂直环形振荡器的谐振频率减�。橇秸叩氖涑鐾ü炱灯飨嗉酰迪制诘男藕糯�。这样可以减小温度对输出的影响，还可以消除很大的共模基频信号，便于后处理电路的直接应用。在本实施例中，另外一种实现方式是把一个环形振荡器分布在硅梁的应力敏感集中区，把另一个环形振荡器分布在非应力敏感区，它们两者的输出通过混频器相减。在本实施例中，用双栅MOS作为混频器元件，以此制成双栅PMOS混频器，后面是放大级和输出级。图2和图3分别是环形振荡器和混频器的电路原理图。
在图4中，a是外来加速度，S是由加速度a引起的主应力，Mass是质量块；图4a是环振式数字加速度传感器的正视图；图4b是它的A-A’向剖视图；图4c是它的B-B’向剖视图；图4d、e是它的局部放大视图。在图4d中，O1是平行环形振荡器，沿着应力敏感的硅梁两端设置；O2是垂直环形振荡器，设在平行环形振荡器O1的一侧；它们都分别通过引线L1、L2和混频器M的两个输入端相连；混频器M的输出端通过引线L3和有源低通滤波器F的输入端相连，以消除输出信号中的高次谐波，得到加速度传感器的经过滤波的频率输出信号。在图4e中，O1是一个环形振荡器，分布在硅梁的应力敏感集中区；O2是另一个环形振荡器，设在非应力敏感的厚体硅上；这两个环形振荡器分别通过引线L1、L2和混频器M的两个输入端相连；混频器M的输出端通过引线L3和有源低通滤波器M的输入端相连。
图5是本实施例的另外一种实现方式，在图中，a是外来加速度，S是由加速度a引起的主应力，Mass是质量块；图5a是环振式数字加速度传感器的正视图；图5b是它的A-A’向剖视图；图5c、d是它的局部放大视图。在图5c中，O1是平行环形振荡器，沿着应力敏感的硅膜边缘设置；O2是垂直环形振荡器，设在平行环形振荡器O1的一侧；它们都分别通过引线L1、L2和混频器M的两个输入端相连；混频器M的输出端通过引线L3和有源低通滤波器F的输入端相连，以消除输出信号中的高次谐波，得到加速度传感器的经过滤波的频率输出信号。在图5d中，O1是一个环形振荡器，分布在硅梁的应力敏感集中区；O2是另一个环形振荡器，设在非应力敏感的厚体硅上；这两个环形振荡器分别通过引线L1、L2和混频器M的两个输入端相连；混频器M的输出端通过引线L3和有源低通滤波器F的输入端相连。
图6是环振式数字加速度传感器的制作工艺流程图，图中所示的剖面图和图4b中的A-A’剖面相对应。在图6a中，采用(100)晶向的双抛硅片；在图6b中，先双面生长热氧SiO2，然后双面淀积氮化硅Si3N4；在图6c中，光刻氮化硅窗口，利用各向异性体硅腐蚀形成硅梁结构，硅梁的厚度约为50μm；在图6d中，采用典型的EDPMOS工艺制作环形振荡器以及混频器，Active是有源区，Poly是多晶硅；在图6e中，溅射生长铝Al，刻出铝引线；图6f是图6e的局部放大图，所示剖面是一个MOS晶体管的结构示意图。
权利要求
1.环振式数字加速度传感器，含有加速度敏感元件，其特征在于它是一种由做在硅梁或者硅膜上的存在由应力引起频率差别的两个环行振荡器形成的加速度敏感元件、混频器和滤波器依次连接而成的数字加速度传感器，所述的两个环行振荡器都分布在硅梁或者硅膜的应力敏感集中区，一个是沿着主应力方向的平行环行振荡器，一个是和主应力方向垂直的垂直环行振荡器；所述混频器的输入端分别和平行环行振荡器和垂直环行振荡器的输出端相连，而且混频器和滤波器都是做在非应力敏感的厚体硅上的。
2.根据权利要求1所述的环振式数字加速度传感器，其特征在于所述的环形振荡器设在硅梁两端或者硅膜边缘的应力敏感集中区。
3.根据权利要求1所述的环振式数字加速度传感器，其特征在于所述的环形振荡器是MOS环形振荡器或者MOS-双极混合振荡器。
4.根据权利要求1所述的环振式数字加速度传感器，其特征在于所述的混频器由双栅MOS器件或者双极型器件构成。
5.环振式数字加速度传感器，含有加速度敏感元件，其特征在于它是一种由做在硅梁或者硅膜上的存在由应力引起频率差别的两个环行振荡器形成的加速度敏感元件、混频器和滤波器依次连接而成的数字加速度传感器，所述的两个环行振荡器，一个分布在应力敏感集中区，而另一个分布在非应力敏感区；所述混频器的输入端分别和上述两个环形振荡器的输出端相连，而且混频器和滤波器都是做在非应力敏感的厚体硅上的。
6.根据权利要求5所述的环振式数字加速度传感器，其特征在于所述的两个环形振荡器一个设在硅梁两端或者硅膜边缘的应力敏感集中区，一个分布在非应力敏感区。
7.根据权利要求5所述的环振式数字加速度传感器，其特征在于所述的环形振荡器是MOS环形振荡器或者MOS-双极混合振荡器。
8.根据权利要求5所述的环振式数字加速度传感器，其特征在于所述的混频器由双栅MOS器件或者双极型器件构成。
全文摘要
环振式数字加速度传感器属于加速度传感器制造领域，它是一种由做在硅梁或者硅膜上的存在由应力引起频率差别的两个环行振荡器形成的加速度敏感元件、混频器和滤波器依次连接而成的数字加速度传感器；所述的两个环行振荡器分布在硅梁或者硅膜的应力敏感集中区，一个沿着主应力方向，一个和主应力方向垂直；或者一个环行振荡器分布在硅梁或者硅膜的应力敏感集中区，而另一个环行振荡器分布在非应力敏感区；混频器的输入端分别和上述两个环行振荡器的输出端相连，而且混频器和滤波器都是做在非应力敏感的厚体硅上的。该传感器由滤波器输出的频率信号和加速度值直接相关。它具有制作简单、数字化程度高、运行可靠、可充分利用压敏效应的优点。
文档编号G01P15/10GK1405566SQ0214678
公开日2003年3月26日 申请日期2002年11月8日 优先权日2002年11月8日
发明者刘理天, 张兆华, 岳瑞峰 申请人:清华大学
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