专利名称：谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器及制作方法
技术领域：
本发明涉及三轴加速度传感器的工作原理、结构及制造方法，特别是一种谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器的工作机理、结构及制作方法，属于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)领域。
背景技术：
微型加速度传感器是一类重要的力学量传感器。早在上世纪60年代末人们就开始研究一维微型硅加速度传感器。80年代末开始一维微型加速度传感器的规模化生产。进入到90年代，随着科学技术的发展和军事、商业市场的需求，开始研究三维微型加速度传感器，应用于军事、汽车电子、工业自动化、机器人技术、消费类电子产品等领域。由于微型加速度传感器具有体积小、重量轻、功耗和成本低、过载能力强、易集成、可大规模批量生产等优点，不仅成为微惯性测量组合的核心元件，也迅速应用到车辆控制、高速铁路、机器人、 工业自动化、探矿、玩具、医疗等民用领域。微型加速度计是利用传感质量的惯性力测量加速度的传感器。按照检测质量的运动方式可以分为线加速度计和摆式加速度计；按照信号检测方式分可为压阻式、电容式、隧道电流式、谐振式、热对流式、压电式加速度传感器。按照有无反馈信号可分为开环偏差式和闭环力平衡式加速度传感器。按照敏感轴的数量，分为单轴、双轴以及三轴加速度传感器。谐振式加速度传感器利用惯性力改变谐振器的轴向应力和应变，从而引起谐振频率变化，检测谐振频率的变化量获得加速度的大小。谐振式加速度传感器可以将被测加速度直接转换为稳定性和可靠性较高的频率信号，而且在传输过程中不易产生失真误差，无需经A/D转换器即可与数字系统接口。另外，谐振式加速度传感器动态范围宽、灵敏度和分辨率高、稳定性好、测量精度高，已达到lKHz/g的灵敏度和2 μ g的噪声水平，能够满足对加速度传感器的高性能要求。1996年Christian Burrer报道了一种电热激励/压阻检测谐振式加速度传感器由质量块、支撑悬臂梁和谐振梁组成。敏感质量块悬挂在与其中心轴线平行且对称的两根支撑梁的一端，支撑梁另一端固定在衬底上。谐振梁一端与敏感质量块相连，另一端固定在衬底上。当有垂直衬底表面的加速度作用于敏感质量块上时，质量块将在垂直方向移动，导致谐振梁产生拉伸或压缩应变，改变谐振梁的固有频率，灵敏度为250Hz/ go同年D. ff. Bums结合体微机械和表面微机械工艺制作了一种静电激励/压阻检测的多晶硅微梁谐振式加速度传感器，传感器包括质量块、上下密封盖、支撑弹性梁、两个同轴的谐振梁和检测谐振梁应变的压敏电阻组成。质量块和弹性梁为对称结构以降低交叉轴的干扰，上、下密封盖板为质量块提供挤压模阻尼和过载保护。密封外壳上施加直流偏压。谐振梁的驱动电极上施加小幅交流电压，产生的静电力驱动谐振梁振动。谐振梁固支端的压敏电阻测量梁振动引起的应变，放大后反馈到驱动电极，使谐振梁振动在谐振频率。两个谐振梁工作在差动模式，加速度使一个谐振梁的谐振频率增加，另外一个减�。蕴岣吡槊舳炔⒍怨材Ｐ藕�(如温度交叉灵敏度)进行抑制。传感器的量程可以通过支撑梁的尺寸调节。对20g的量程，谐振梁的长度、宽度和厚度分别为200 μ m，40 μ m和2 μ m，谐振频率为500KHz， Z轴加速度检测灵敏度高达1750Hz/g。2000年韩国Seoul国立大学ByeungleulLee等采用表面微机械工艺研制了一种惯性导航级的差动谐振式单轴加速度传感器(DRXL)，其敏感元件是静电激励的扭转梁谐振器。垂直方向的加速度测量利用静电刚度调节效应，通过加速度产生的惯性力改变弹性梁承受的静电力，实现对刚度系数的改变，从而引起谐振频率的变化，并采用两个形状互补的质量块实现差动测量。面内加速度传感器采用末端带有质量块的双端音叉，利用惯性力改变音叉的轴向力，从而改变谐振频率。面内加速度的谐振频率为23. 4KHz，灵敏度最高达到128Hz/g，带宽为110Hz，精度为5. 2 μ g ;垂直方向的谐振频率为12KHz，灵敏度最高达到70Hz/g，带宽为100Hz，精度为2. 5μ g。1997年Trey A. Roessig 采用表面微机械工艺制作了一种新型结构的谐振式加速度传感器。传感器包括质量块、两个双端音叉和支撑梁，双端音叉通过力放大结构两端的支承音叉连接。音叉通过横向运动的梳状电容驱动在谐振频率上振动，并作为谐振电路反馈回路的一部分，以维持振动。当加速度作用在质量块上时，产生双端音叉轴向方向的作用力，改变系统的势能，从而改变音叉的振动频率。两个双端音叉的差动输出可以消除共模误差的一阶分量对频率的影响(如温度和交叉轴干扰)。双端固支音叉谐振器的谐振频率为68KHz，灵敏度为45Hz/g。2002年该研究小组又报道了一种结构改进后的器件，真空封装后的器件在300Hz时的本底噪声为 40jugZyfHz ο 2005年，V. Ferrari等人报道了一种利用体娃工艺制作的电热激励/压阻检测谐振式加速度计。芯片平面的加速度诱发微谐振梁轴向应力，按比例改变微梁的谐振频率。 微梁谐振频率为700KHz。在O 3KHz频段内，测量灵敏度为35Hz/g。基于电子势垒隧道效应的隧道电流式加速度传感器(也称为隧穿加速度传感器) 最早由美国JetPropulsion实验室提出。其结构是在弹性结构支承的质量块上制造测量电极，与另一个固定的隧道针尖形成隧道电流。通过测量闭环电路维持隧道电流不变时所需反馈电压测量加速度。1994年Stanford大学研制的隧穿加速度传感器是由柔性铰链支承的质量块和隧道针尖组成。质量块下表面的电极与针尖之间产生隧道电流，而隧道电流与电极-针尖之间的距离有关，反映了加速度的大小。由于间距只有Inm左右，开环控制无法避免质量块在加速度作用下与针尖发生碰撞，因此实际的传感器都采用闭环反馈电路保持针尖与电极的间距恒定。隧道电流式加速度传感器一般用力反馈的方法保持隧道电流的恒定，利用隧道电流对位移变化的高度敏感性来检测垂直加速度(Z轴)，具有灵敏度高 (10_9g)、噪声低等优点，分辨率达到10~20 g/V^的水平。隧道电流式加速度传感器由于其潜在的高性能和广阔的应用需求，一直以来成为研究的热点，是加速度传感器在高灵敏度方面的一个典型代表。上世纪90年代以后，随着MEMS技术的不断发展以及军事、商业市场的需求，单一方向的加速度测试已经不能满足各方面的需求，加速度传感器向三维方向发展，以用于检测空间加速度，为卫星导航、导弹制导、炮弹定向等军工项目和汽车防震保护、自动刹车、医疗等民用项目服务。三轴微型加速度传感器能够同时测量相互正交的三个轴向加速度。其测量原理包括电容式、压阻式、压电式和热对流式，按照质量块数目可分为多质量块和单质量块系统。目前实现三轴加速度的检测方式比较单一，三个轴向加速度多采用同一原理检测。交叉干扰比较严重，一般在3% 25%之间。
发明内容
本发明的目的在于发明一种新型三轴加速度传感器，以实现三轴加速度的高灵敏度、低噪声、高分辨率、低交叉轴干扰测量和数字化输出。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是所述的三轴加速度传感器由中间硅片(I)、上盖板(2)和下底板(3)组成。中间硅片(I)由双端固支梁谐振器(4)、支撑梁
(5)、质量块(6)、偏压电极(7)和框架⑶组成。采用单一质量块(6)敏感三个轴向加速度信号。双端固支梁谐振器(4)位于中间硅片(I)的上表面，双端固支梁谐振器(4) 一端固支在框架(8)上表面，另一端固支在质量块￠)的四条边上。支撑梁(5)的中性面与质量块￠)的重心在同一水平面内。双端固支梁谐振器(4)检测芯片平面内X轴和Y轴加速度。Z轴加速度检测部分由隧道针尖(9)、控制电极(10)和偏压电极(7)组成。隧道针尖和控制电极(10)制作在上盖板(2)上，偏压电极(7)制作在中间硅片⑴上。也可以将隧道针尖(9)和控制电极(10)制作在中间硅片(I)上，偏压电极(7)制作在上盖板(2) 上。本发明所涉及的谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器的工作原理在X轴加速度作用下，质量块(6)在X轴方向运动。X轴方向的双端固支梁谐振器⑷之一所受的轴向拉应力增加或轴向压应力减�。痴衿德试黾樱籜轴方向的另一双端固支梁谐振器(4) 轴向拉应力减小或轴向压应力增加，谐振频率减小。X轴方向的两个双端固支梁谐振器(4) 谐振频率的差值反映X轴加速度的大小和方向。同样地，在Y轴加速度作用下使质量块(6) 在Y轴方向运动，Y轴方向的双端固支梁谐振器(4)之一轴向拉应力增加或轴向压应力减�。痴衿德试黾樱籝轴方向的另一双端固支梁谐振器(4)轴向拉应力减小或轴向压应力增加，谐振频率减小，Y轴方向的两个双端固支梁谐振器⑷谐振频率的差值反映Y轴加速度的大小和方向。垂直芯片平面的Z轴加速度信号采用采用隧道电流式敏感原理检测，并工作于闭环力平衡工作模式。质量块(6)受到Z轴加速度作用运动时时，改变隧道针尖(9) 和偏压电极(7)之间的距离和隧道电流的大小，控制电路将产生一个与质量块(6)运动趋势方向相反的静电力，作用在控制电极(10)和偏压电极(7)之间，使敏感质量块(6)返回到平衡位置。通过测量闭环电路维持隧道电流不变时所需的反馈电压可获得Z轴加速度信号的大小。本发明所涉及的谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器的X轴加速度信号也可以只用一个双端固支梁谐振器(4)检测，根据X轴加速度作用下其谐振频率增加或减小反映X轴加速度的大小和方向。同样地，Y轴加速度信号也可以只用一个双端固支梁谐振器(4)检测，根据Y轴加速度作用下其谐振频率增加或减小反映Y轴加速度的大小和方向。本发明所涉及的谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器的双端固支梁谐振器(4)既可以是两端固支单梁谐振器，也可采用两端固支双梁谐振器或两端固支三梁谐振器。梁上可以开槽或开孔以提高品质因数或实现电学隔离。两端固支双梁谐振器由两根平行的梁组成，梁的末端合并，并与衬底固支。当通过适当的激励方式使两个音叉臂反相振动时，在它们的合并区域产生的应力和力矩方向相反，互相抵消，因此整个结构通过固支端与外界的能量耦合最�。穸低车哪芰克鹗。哂薪细叩腝值。三梁结构双端固支梁谐振器(4)的中间梁的宽度等于左右相邻两梁的宽度之和，且三者在端部经由能量隔离区相互连成一个整体。当选用三梁谐振器的反对称相位的三阶振动模态作为梁的谐振模态时，中
6间的梁和两边的两个梁在固支端产生的反力和力矩因振动方向相反而相互抵消，振动能量储存在谐振器内部，从而减少能量损耗，起到提高Q值的作用。本发明所涉及的谐振-力平衡电容式三轴加速度传感器的双端固支梁谐振器(4) 采用电热激励、光热激励、逆压电激励、电磁激励、静电激励之一激励，使其处于谐振状态， 它输出的谐振频率信号采用压阻检测、电磁检测、压电检测、光学干涉、电容检测之一实现。利用本发明的技术方案制作一种谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器，当隧道针尖(9)和控制电极(10)在上盖板(2)上，偏压电极(7)制作在中间硅片(I)上时， 其主要制作工艺步骤如下I)采用(100)面硅片作为中间硅片(I)。2)热氧化或化学气相淀积法在中间硅片(I)上下表面上制作绝缘薄膜，该薄膜同时也是湿法腐蚀时的掩蔽层。3)光刻、腐蚀、扩散、薄膜沉积工艺相结合在硅片上制作双端固支梁谐振器⑷的激振器和振动检测元件。4)在中间硅片⑴正面光刻双端固支梁谐振器⑷及质量块(6)图形，湿法腐蚀或干法刻蚀双端固支梁谐振器(4)及质量块￠)的成型槽中的掩蔽层。5)光刻接触孔。腐蚀接触孔内的绝缘层。淀积金属薄膜，光刻、腐蚀金属薄膜，制作内引线(15)和偏压电极(7)。6)制作密封环(16)。7)正面保护，背面光刻，腐蚀中间硅片⑴背面的二氧化硅薄膜(11)，去胶。各向异性湿法腐蚀或干法刻蚀释放双端固支梁谐振器(4)和支撑梁(5)。8)取第二片硅片制作上盖板(2)。热氧化法生长二氧化硅薄膜。正面光刻隧道针尖(9)掩膜，正面光刻隧道针尖(9)掩膜，各向异性湿法腐蚀或干法刻蚀隧道针尖(9)，并除去硅片正面面对双端固支梁谐振器(4)的一部分硅，为双端固支梁谐振器(4)提供运动空间。9)硅片正面蒸发金属薄膜，腐蚀金属薄膜，制作控制电极(10)。光刻、电镀、工艺相结合制作通孔互连，从上盖板(2)背面引出隧道针尖(9)和控制电极(10)的焊盘。10)取第三片硅片制作下底板(3)。湿法腐蚀或干法刻蚀除去硅片正面面对质量块(6)的一部分硅，为质量块(6)受到Z轴加速度在芯片法向的微小运动提供活动空间。缓
释氢氟酸腐蚀二氧化硅薄膜。11)上盖板⑵和下底板(3)的正面分别面对中间硅片⑴的正面和背面，将三者
键合在一起。利用本发明的技术方案制作谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器，当偏压电极(7)制作在上盖板⑵上，隧道针尖(9)和控制电极(10)制作在中间硅片⑴上时， 其制作工艺的基本制作工艺步骤如下I)采用(100)面硅片作为中间硅片(I)。2)热氧化或化学气相淀积法在硅片上制作针尖腐蚀或刻蚀的掩蔽层。3)正面光刻隧道针尖(9)掩膜，各向异性湿法腐蚀或干法刻蚀隧道针尖(9)。4)热氧化或化学气相淀积法在低电阻率硅片上制作绝缘层。光刻、腐蚀、扩散、薄膜沉积工艺相结合在硅片上制作双端固支梁谐振器(4)的激振器和振动检测元件。
5)在中间硅片(I)正面光刻双端固支梁谐振器(4)及质量块(6)图形，湿法腐蚀或干法刻蚀成型槽中的掩蔽层。6)光刻接触孔。腐蚀接触孔内的绝缘层。淀积金属薄膜，光刻、腐蚀铝薄膜，制作内引线(15)和偏压电极(7)。7)制作密封环(16)。8)正面保护，背面光刻，腐蚀中间硅片⑴背面的二氧化硅薄膜(11)，去胶。各向异性湿法腐蚀或干法刻蚀释放双端固支梁谐振器(4)和支撑梁(5)。9)采用低电阻率硅片制作上盖板(2)。热氧化法生长二氧化硅薄膜。以二氧化硅薄膜为掩膜湿法腐蚀除去硅片正面面对双端固支梁谐振器(4)的一部分硅，为双端固支梁谐振器(4)提供运动空间。缓释氢氟酸溶液腐蚀正反面的二氧化硅薄膜。10)正面和背面淀积金属薄膜。正面光刻、腐蚀工艺相结合制作偏压电极(7),合金化。背面光刻、腐蚀工艺相结合制作偏压电极(7)的焊盘。11)取第三片硅片或玻璃制作下底板(3)。腐蚀或刻蚀除去硅片正面面对质量块 (6)的一部分硅或玻璃，为质量块(6)受到Z轴加速度在芯片法向的微小运动提供活动空间。12)上盖板⑵和下底板(3)的正面分别面对中间硅片⑴的正面和背面，将三者键合在一起。焊接外引线，从上盖板(2)背面引出偏压电极(7)的电学信号。本发明所涉及的谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器存在以下三个优点z轴加速度信号采用力平衡工作模式，质量块(6)在芯片法向运动位移很�。琙轴输入的加速度信号对X轴和Y轴加速度检测引入交叉干扰极小。同样地，质量块(6)感受到X 轴和Y轴加速度信号而在芯片平面内的位移也不会对Z轴加速度信号的检测带来交叉灵敏度。[2]X轴和Y轴加速度信号采用对轴向应力具有高度敏感特性的双端固支梁谐振器(4) 测量，被测加速度直接转换为稳定性和可靠性较高的频率信号，在传输过程中不易产生失真误差，无需经A/D转换器即可与数字系统接口，测量精度极高，能够满足对加速度传感器的高性能要求。[3]Z轴加速度信号采用隧道电流式敏感原理检测，并工作于闭环力平衡工作模式，具有灵敏度高、噪声低、分辨率高等优点。
图I是本发明所涉及的谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器中间硅片⑴ 的示意图。图2是本发明所涉及的谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器的结构示意图，其中图2[1]中隧道针尖(9)和控制电极(10)制作在上盖板(2)上，偏压电极(7)制作在中间硅片⑴上。图2[2]中隧道针尖(9)和控制电极(10)在中间硅片(I)上，偏压电极(7)制作在上盖板⑵上。图3是作为本发明实施例的谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器的制作工艺流程图。其中隧道针尖(9)和控制电极(10)在上盖板(2)上，偏压电极(7)制作在中间硅片⑴上。附图中I-中间硅片2-上盖板3-下底板
4-双端固支梁谐振器5-支撑梁6-质量块
7-偏压电极8-框架9-隧道针尖
10-控制电极11-二氧化硅薄膜12-激励电阻
13-压敏电阻14-掺杂窗口15-内引线
16-密封环
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。实施例利用本发明的技术方案制作一种谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器。其中，隧道针尖(9)和控制电极(10)在上盖板(2)上，偏压电极(7)制作在中间硅片⑴上。 其制作工艺流程如下I)采用(100)面、电阻率为I 10Ω. cm的硅片作为中间硅片(I)。(见附图3[1])2)热氧化，生成二氧化硅薄膜(11)。(见附图3[2])3)光刻和腐蚀工艺结合制作激励电阻(12)和压敏电阻(13)的掺杂窗口(14)。 (见附图3[3])4)离子注入硼原子制作多晶硅激励电阻(12)压敏电阻(13)。950°C、氧气气氛中退火30分钟，激活掺杂硼离子。(见附图3[4])5)在中间硅片⑴正面光刻双端固支梁谐振器⑷及质量块(6)图形，缓释氢氟酸溶液腐蚀成型槽中的二氧化硅。光刻接触孔，缓释氢氟酸溶液腐蚀接触孔中的二氧化硅薄膜(11)。蒸发铝薄膜，反刻铝薄膜，制作内引线(15)和偏压电极(7)。(见附图3[5])6)正面光刻密封环(16)图形，电子束蒸发技术淀积Schott 8329玻璃，剥离工艺制作密封环(16)。(见附图3[6])7)正面保护，背面光刻，缓释氢氟酸溶液腐蚀中间硅片(I)背面的二氧化硅薄膜
(11)，去胶。有掩膜腐蚀与无掩膜腐蚀相结合腐蚀释放双端固支梁谐振器(4)和支撑梁
(5)。(见附图3[7])8)取另外一片N型、(100)面、电阻率为1-10 Ω . cm的硅片制作上盖板⑵。热氧化法生长二氧化硅薄膜。正面光刻隧道针尖(9)掩膜，各向异性湿法腐蚀隧道针尖(9)，并除去硅片正面面对双端固支梁谐振器(4)的一部分硅，为双端固支梁谐振器(4)提供运动空间。(见附图3[8])9)正面蒸发铝薄膜，反刻铝薄膜，制作控制电极(10)。光刻、电镀、工艺相结合制作通孔互连，从上盖板⑵背面引出控制电极(10)的焊盘。(见附图3[9])10)取另外一片N型、(100)面硅片制作下底板(3)。热氧化法生长二氧化硅薄膜。以二氧化硅薄膜为掩膜湿法腐蚀除去硅片正面面对质量块￠)的一部分硅，为质量块
(6)受到Z轴加速度在芯片法向的微小运动提供活动空间。缓释氢氟酸腐蚀二氧化硅薄膜。 (见附图3[10])11)上盖板⑵和下底板(3)的正面分别面对中间硅片⑴的正面和背面，将三者键合在一起，其中上盖板⑵和中间硅片⑴之间采用阳极键合，下底板⑶和中间硅片
(I)采用共晶键合。(见附图3[11])
权利要求
1.一种谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器，其特征在于所述的三轴加速度传感器由中间硅片(I)、上盖板⑵和下底板⑶组成；中间硅片⑴由双端固支梁谐振器(4)、支撑梁(5)、质量块(6)、偏压电极(7)和框架⑶组成；采用单一质量块(6)敏感三个轴向加速度信号；双端固支梁谐振器(4)位于中间硅片(I)的上表面，双端固支梁谐振器⑷一端固支在框架⑶上表面，另一端固支在质量块(6)的四条边上；支撑梁(5)的中性面与质量块￠)的重心在同一水平面内“轴加速度检测部分由隧道针尖(9)、控制电极(10)和偏压电极(7)组成；隧道针尖(9)和控制电极(10)制作在上盖板(2)上，偏压电极(7)制作在中间娃片⑴上；也可以将險道针尖(9)和控制电极(10)制作在中间娃片⑴ 上，偏压电极(7)制作在上盖板⑵上。
2.根据权利要求I所述的谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器，其特征在于 在X轴加速度作用下，质量块(6)在X轴方向运动，X轴方向的双端固支梁谐振器⑷之一所受的轴向拉应力增加或轴向压应力减�。痴衿德试黾樱琗轴方向的另一双端固支梁谐振器(4)所受的轴向拉应力减小或轴向压应力增加，谐振频率减�。琗轴方向的两个双端固支梁谐振器(4)谐振频率的差值反映X轴加速度的大小和方向；在Y轴加速度作用下使质量块(6)在Y轴方向运动，Y轴方向的双端固支梁谐振器⑷之一所受的轴向拉应力增加或轴向压应力减�。痴衿德试黾樱琘轴方向的另一双端固支梁谐振器(4)所受的轴向拉应力减小或轴向压应力增加，谐振频率减小，Y轴方向的两个双端固支梁谐振器(4)谐振频率的差值反映Y轴加速度的大小和方向；垂直芯片平面的Z轴加速度信号采用采用隧道电流式敏感原理检测，并工作于闭环力平衡工作模式，质量块(6)受到Z轴加速度作用运动时时， 改变隧道针尖(9)和偏压电极(7)之间的距离和隧道电流的大�。刂频缏凡桓鲇胫柿靠�(6)运动趋势方向相反的静电力，作用在控制电极(10)和偏压电极(7)之间，使敏感质量块(6)返回到平衡位置，通过测量闭环电路维持隧道电流不变时所需的反馈电压可获得Z轴加速度信号的大小。
3.根据权利要求I所述的谐振-力平衡电容式三轴加速度传感器，其特征在于所述的三轴加速度传感器的X轴加速度信号也可以只用一个双端固支梁谐振器(4)检测，根据其谐振频率增加或减小反映X轴加速度的大小和方向；Y轴加速度信号也可以只用一个双端固支梁谐振器⑷检测，根据其谐振频率增加或减小反映Y轴加速度的大小和方向。
4.根据权利要求I所述的谐振-力平衡电容式三轴加速度传感器，其特征在于所述的三轴加速度传感器的双端固支梁谐振器(4)采用电热激励、光热激励、逆压电激励、电磁激励、静电激励之一激励，使其处于谐振状态，它输出的谐振频率信号采用压阻检测、电磁检测、压电检测、光学干涉、电容检测之一实现。
5.根据权利要求I所述的谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器，其特征在于 当隧道针尖(9)和控制电极(10)在上盖板(2)上，偏压电极(7)制作在中间硅片(I)上时， 三轴加速度传感器的基本制作工艺步骤如下1)米用(100)面娃片作为中间娃片(I)；2)热氧化或化学气相淀积法在中间硅片(I)上制作绝缘薄膜；3)光刻、腐蚀、扩散、薄膜沉积工艺相结合在硅片上制作双端固支梁谐振器(4)的激振器和振动检测元件；4)在中间硅片(I)正面光刻双端固支梁谐振器(4)及质量块￠)图形，湿法腐蚀或干法刻蚀双端固支梁谐振器(4)及质量块￠)的成型槽中的掩蔽层；5)光刻接触孔，腐蚀接触孔内的绝缘层，淀积金属薄膜，光刻、腐蚀金属薄膜，制作内弓I 线(15)和偏压电极(7)；6)制作密封环(16)；7)正面保护，背面光刻，腐蚀中间硅片(I)背面的二氧化硅薄膜(11)，去胶，各向异性湿法腐蚀或干法刻蚀释放双端固支梁谐振器(4)和支撑梁(5)；8)取第二片硅片制作上盖板(2)，热氧化法生长二氧化硅薄膜，正面光刻隧道针尖(9) 掩膜，各向异性湿法腐蚀或干法刻蚀隧道针尖(9)，并除去硅片正面面对双端固支梁谐振器(4)的一部分硅，为双端固支梁谐振器(4)提供运动空间；9)硅片正面蒸发金属薄膜，腐蚀金属薄膜，制作控制电极(10)，光刻、电镀、工艺相结合制作通孔互连，从上盖板(2)背面引出隧道针尖(9)和控制电极(10)的焊盘；10)取第三片硅片制作下底板(3)，湿法腐蚀或干法刻蚀除去硅片正面面对质量块(6) 的一部分硅，为质量块(6)受到Z轴加速度在芯片法向的微小运动提供活动空间；11)上盖板(2)和下底板(3)的正面分别面对中间硅片(I)的正面和背面，将三者键合在一起。
6.根据权利要求I所述的谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器，其特征在于 当偏压电极(7)制作在上盖板⑵上，隧道针尖(9)和控制电极(10)制作在中间硅片⑴ 上时，其制作工艺的基本制作工艺步骤如下1)米用(100)面娃片作为中间娃片⑴；2)热氧化或化学气相淀积法在硅片上制作针尖腐蚀或刻蚀的掩蔽层；3)正面光刻隧道针尖(9)掩膜，各向异性湿法腐蚀或干法刻蚀隧道针尖(9)；4)热氧化或化学气相淀积法在低电阻率硅片上制作绝缘层；光刻、腐蚀、扩散、薄膜沉积工艺相结合在硅片上制作双端固支梁谐振器(4)的激振器和振动检测元件；5)在中间硅片(I)正面光刻双端固支梁谐振器(4)及质量块￠)图形，湿法腐蚀或干法刻蚀成型槽中的掩蔽层；6)光刻接触孔，腐蚀接触孔内的绝缘层，淀积金属薄膜，光刻、腐蚀铝薄膜，制作内引线(15)和偏压电极(7)；7)制作密封环(16)；8)正面保护，背面光刻，腐蚀中间硅片(I)背面的二氧化硅薄膜(11)，去胶；各向异性湿法腐蚀或干法刻蚀释放双端固支梁谐振器(4)和支撑梁(5)；9)采用低电阻率硅片制作上盖板(2)，热氧化法生长二氧化硅薄膜，以二氧化硅薄膜为掩膜湿法腐蚀除去硅片正面面对双端固支梁谐振器(4)的一部分硅，为双端固支梁谐振器(4)提供运动空间，缓释氢氟酸溶液腐蚀正反面的二氧化硅薄膜；10)正面和背面淀积金属薄膜；正面光刻、腐蚀工艺相结合制作偏压电极(7)，合金化； 背面光刻、腐蚀工艺相结合制作偏压电极(7)的焊盘；11)取第三片(100)面硅片制作下底板(3)，腐蚀或刻蚀除去硅片正面面对质量块(6) 的一部分硅，为质量块(6)受到Z轴加速度在芯片法向的微小运动提供活动空间；12)上盖板(2)和下底板(3)的正面分别面对中间硅片(I)的正面和背面，将三者键合在一起，焊接外引线，从上盖板(2)背面引出偏压电极(7)的电学信号。
全文摘要
本发明公开了一种谐振-力平衡隧道电流式三轴加速度传感器的结构及制作方法，属于微电子机械系统领域。其结构特征在于三轴加速度传感器由中间硅片(1)、上盖板(2)和下底板(3)组成，中间硅片(1)上制作有双端固支梁谐振器(4)、质量块(6)和支撑梁(5)。本传感器在检测原理方面的特征在于芯片平面内X轴和Y轴加速度信号采用双端固支梁谐振器(4)检测，双端固支梁谐振器(4)谐振频率的变化反映加速度的大小和方向；Z轴加速度信号检测部分由隧道针尖(9)、控制电极(10)和偏压电极(7)组成，采用隧道电流式敏感原理检测，工作于闭环力平衡工作模式。质量块(6)在芯片法向运动位移很小，Z轴加速度信号对X轴和Y轴加速度检测引入交叉干扰极小。
文档编号G01P15/18GK102608355SQ20121005938
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月1日 优先权日2011年11月23日
发明者韩建强 申请人:中国计量学院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
