多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开多梁式单质量块面内双轴MEMS压阻式加速度传感器芯片及其制备方法，传感器芯片采用SOI硅片制造，包括芯片外框架、主支撑梁、连接梁、副支撑梁、敏感压阻微梁、质量块以及金属引线和焊盘。主支撑梁一端固定于芯片外框架，另一端与连接梁相连，连接梁的另一端与副支撑梁连接，副支撑梁的另一端与质量块相连。芯片中八个敏感压阻微梁位于芯片外框架与连接梁之间的间隙，两两对称分布在主支撑梁两侧，并且一端固定于芯片外框架，另一端与连接梁相连；八个敏感压阻微梁上的压敏电阻通过金属引线和十六个焊盘相连并组成惠斯通全桥电路。本发明专利技术传感器芯片可实现100g以下加速度的测量，固有频率达40kHz以上，满足高频低g值加速度动态测量的要求。

Multi beam single mass surface double axis acceleration sensor chip and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片及其制备方法
本专利技术属于微型机械电子传感器计量领域，具体涉及一种多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片及其制备方法。
技术介绍
随着微型机械电子系统(MicroElectroMechanicalSystems，简称MEMS)技术的发展，基于不同原理的加速度传感器都得到了广泛应用，例如压阻式、电容式、电磁式、压电式、谐振器式、光纤式和热电偶式等。不同敏感原理的加速度传感器有着不同的优缺点，比如压电式加速度传感器虽然已经得到成熟应用，但受到其敏感原理的限制，压电式传感器不能测量静态的加速度，且输出的电荷信号需要后续辅助电路，不易实现敏感芯片和后续电路一体化设计；电容式加速度传感器具有灵敏度高、温漂小、功耗低等优点，但输入阻抗大，易受寄生电容的影响，对于周围环境的电磁干扰较为敏感；压阻式加速度传感器易受温度影响，但其测量范围广、可测量静态和动态信号，动态响应特性好，后处理电路简单。压阻式加速度传感器目前常用的结构有单悬臂梁、双悬臂梁、双端固支梁、四边四固支梁等结构，这些结构均采用梁-岛结构，质量块在固定的方向上自由摆动，其中单悬臂梁和双悬臂梁结构灵敏度高，但固有频率低，频率响应范围窄；双端固支梁、四边四固支梁、双边四固支梁等结构固有频率高，但灵敏度低。随着科技的发展，目前的压阻式加速度传感器已难以满足不同领域对高灵敏度、高固有频率和低交叉灵敏度的要求，例如汽车智能检测、高速精密机床、高速运转部件的故障诊断监测、电子元器件振动控制等，然而对于传统压阻式加速度传感器，其固有频率和灵敏度是相互制约，这一制约关系对动态加速度测量带来一系列的困难，测量时易失真，因此研究能够缓解固有频率和灵敏度这一矛盾关系的加速度传感器，降低交叉灵敏度的影响，解决加速度的高灵敏度和高频响测量难题，具有重要的意义。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提出一种多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片及其制备方法，该传感器芯片将支撑元件与敏感元件进行了分离，使得该传感器芯片能够在缓和灵敏度和固有频率之间矛盾关系的基础上，降低了面内双轴加速度检测中交叉灵敏度的干扰，提高了压阻式加速度传感器的动态性能和适用范围，该结构制作方法简单，可靠性高，易于批量化生产。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片，包括芯片外框架和质量块，质量块设置在芯片外框架内，质量块上连接有两组子梁结构，两组子梁结构的轴线相互垂直，且分别与质量块的两个对称轴同轴，每组子梁结构包括两个子梁结构，每组子梁结构的两个子梁结构关于质量块对称；每个子梁结构包括主支撑梁、副支撑梁、连接梁、敏感压阻微梁以及金属引线，其中，连接梁的一侧对称连接两个副支撑梁，副支撑梁的一端与质量块连接，另一端与连接梁连接，支撑梁设置在连接梁另一侧的中部，一端与连接梁连接，另一端与芯片外框架连接，敏感压阻微梁设置两个，两个敏感压阻微梁分别设置在连接梁两端的末端，敏感压阻微梁的一端与连接梁连接，另一端与芯片外框架连接；每组子梁结构的两个子梁结构的敏感压阻微梁与金属引线连接并形成为惠斯通全桥电路。每个子梁结构中，每个敏感压阻微梁与芯片外框架连接的端部连接有焊盘，敏感压阻微梁的另一端与金属引线的一端连接，金属引线的另一端沿连接梁和支撑梁延伸至芯片外框架处，且金属引线的该端连接有焊盘。质量块上与副支撑梁连接的位置开设有凹槽，副支撑梁与凹槽底部的中部连接。芯片外框架和质量块的形状均为矩形。还包括玻璃衬底，玻璃衬底与芯片外框架的背面键合在一起，玻璃衬底的正面与主支撑梁、副支撑梁、连接梁、质量块和敏感压阻微梁的背面之间具有运动间隙。芯片外框架、主支撑梁、副支撑梁、连接梁、质量块和敏感压阻微梁通过N型(100)晶面的SOI硅片制备而成，敏感压阻微梁上的压敏电阻沿SOI硅片的[011]或晶向布置。芯片外框架的尺寸为：长×宽×厚＝2600μm×2600μm×305μm；主支撑梁的尺寸为：长×宽×厚＝70μm×30μm×300μm；副支撑梁的尺寸为：长×宽×厚＝400μm×50μm×300μm；连接梁的尺寸为：长×宽×厚＝1000μm×30μm×300μm；质量块的尺寸为：长×宽×厚＝2000μm×2000μm×300μm；敏感压阻微梁的尺寸为：长×宽×厚＝70μm×5μm×10μm。多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片的制备方法，包括如下步骤：步骤1，对SOI硅片进行氧化，使SOI硅片的正面和背面均生成二氧化硅层；步骤2，在步骤1处理完成的SOI硅片正面进行光刻，光刻掉敏感压阻微梁对应区域的二氧化硅层，露出SOI硅片的上层单晶硅，然后再在露出的上层单晶硅上进行硼离子轻掺杂，硼离子轻掺杂区域作为敏感压阻微梁的压敏电阻；步骤3，再在步骤2处理完成的SOI硅片正面制作一层淀积二氧化硅层；步骤4，再在步骤3处理完成的SOI硅片正面进行光刻，在敏感压阻微梁两端对应位置光刻掉二氧化硅层和淀积二氧化硅层，露出SOI硅片的上层单晶硅，然后再在露出的上层单晶硅上进行硼离子重掺杂，得到P型重掺杂硅，P型重掺杂硅作为欧姆接触区；步骤5，再在步骤4处理完成的SOI硅片正面溅射金属，然后对导电金属层进行刻蚀并形成金属引线和金属引线对应的焊盘；步骤6，再对SOI硅片的背面制作一层氮化硅层，然后对SOI硅片背面进行光刻，以释放出芯片外框架、主支撑梁、副支撑梁、连接梁和质量块处于SOI硅片的二氧化硅埋层背面以下的部位，并将敏感压阻微梁处于SOI硅片的二氧化硅埋层背面以下的部位刻蚀掉；步骤7，再对SOI硅片正面进行光刻，以释放出芯片外框架、主支撑梁、副支撑梁、连接梁、质量块和敏感压阻微梁处于SOI硅片的二氧化硅埋层正面以上的部位；步骤8，再将步骤7处理完成的SOI硅片上芯片外框架、主支撑梁、副支撑梁、连接梁和质量块以外区域对应的二氧化硅埋层刻蚀掉。还包括步骤9，步骤9具体为：将步骤8处理完成的SOI硅片背面的二氧化硅层和氮化硅层去除，露出SOI硅片的下层单晶硅，再将芯片外框架在下层单晶硅的对应区域与玻璃衬底键合在一起，玻璃衬底的正面具有与凹腔，通过凹腔能够使玻璃衬底正面与主支撑梁、副支撑梁、连接梁、质量块和敏感压阻微梁的背面之间具有运动间隙。步骤1中的氧化温度为900～1200℃，步骤2中硼离子轻掺杂获得的压敏电阻的方块电阻为200～250Ω/□，步骤4中，P型重掺杂硅的方块电阻≤15Ω/□。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术的多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片的质量块设置在芯片外框架内，质量块与芯片外框架通过子梁结构连接，质量块上连接两组子梁结构，且两组子梁结构的轴线相互垂直，且分别与质量块的两个对称轴同轴，每组子梁结构包括两个子梁结构，每组子梁结构的两个子梁结构关于质量块对称，每个子梁结构中，连接梁通过主支撑梁与芯片外框架，通过副支撑梁与质量块连接，两个敏感压阻微梁分别设置在连接梁两端的末端，因此，本专利技术的加速度传感器芯片将支撑元件(主支撑梁、副支撑梁和连接梁)与敏感元件(敏感压阻微梁)进行了分离，使得该加速度传感器芯片能够在缓和灵敏度和固有频率之间矛盾关系的基础上，降低了面内双轴加速度检测中交叉灵敏度的干扰，提高了压阻式加速度传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片，其特征在于，包括芯片外框架(1)和质量块(6)，质量块(6)设置在芯片外框架(1)内，质量块(6)上连接有两组子梁结构，两组子梁结构的轴线相互垂直，且分别与质量块(6)的两个对称轴同轴，每组子梁结构包括两个子梁结构，每组子梁结构的两个子梁结构关于质量块(6)对称；每个子梁结构包括主支撑梁(3)、副支撑梁(4)、连接梁(5)、敏感压阻微梁(7)以及金属引线(8)，其中，连接梁(5)的一侧对称连接两个副支撑梁(4)，副支撑梁(4)的一端与质量块(6)连接，另一端与连接梁(5)连接，支撑梁(3)设置在连接梁(5)另一侧的中部，一端与连接梁(5)连接，另一端与芯片外框架(1)连接，敏感压阻微梁(7)设置两个，两个敏感压阻微梁(7)分别设置在连接梁(5)两端的末端，敏感压阻微梁(7)的一端与连接梁(5)连接，另一端与芯片外框架(1)连接；每组子梁结构的两个子梁结构的敏感压阻微梁(7)与金属引线(8)连接并形成为惠斯通全桥电路。

【技术特征摘要】
1.多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片，其特征在于，包括芯片外框架(1)和质量块(6)，质量块(6)设置在芯片外框架(1)内，质量块(6)上连接有两组子梁结构，两组子梁结构的轴线相互垂直，且分别与质量块(6)的两个对称轴同轴，每组子梁结构包括两个子梁结构，每组子梁结构的两个子梁结构关于质量块(6)对称；每个子梁结构包括主支撑梁(3)、副支撑梁(4)、连接梁(5)、敏感压阻微梁(7)以及金属引线(8)，其中，连接梁(5)的一侧对称连接两个副支撑梁(4)，副支撑梁(4)的一端与质量块(6)连接，另一端与连接梁(5)连接，支撑梁(3)设置在连接梁(5)另一侧的中部，一端与连接梁(5)连接，另一端与芯片外框架(1)连接，敏感压阻微梁(7)设置两个，两个敏感压阻微梁(7)分别设置在连接梁(5)两端的末端，敏感压阻微梁(7)的一端与连接梁(5)连接，另一端与芯片外框架(1)连接；每组子梁结构的两个子梁结构的敏感压阻微梁(7)与金属引线(8)连接并形成为惠斯通全桥电路。2.根据权利要求1所述的多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片，其特征在于，每个子梁结构中，每个敏感压阻微梁(7)与芯片外框架(1)连接的端部连接有焊盘，敏感压阻微梁(7)的另一端与金属引线(8)的一端连接，金属引线(8)的另一端沿连接梁(5)和支撑梁(3)延伸至芯片外框架(1)处，且金属引线(8)的该端连接有焊盘。3.根据权利要求1所述的多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片，其特征在于，质量块(6)上与副支撑梁(4)连接的位置开设有凹槽(6-1)，副支撑梁(4)与凹槽(6-1)底部的中部连接。4.根据权利要求1所述的多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片，其特征在于，芯片外框架(1)和质量块(6)的形状均为矩形。5.根据权利要求1-4任意一项所述的多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片，其特征在于，还包括玻璃衬底(2)，玻璃衬底(2)与芯片外框架(1)的背面键合在一起，玻璃衬底(2)的正面与主支撑梁(3)、副支撑梁(4)、连接梁(5)、质量块(6)和敏感压阻微梁(7)的背面之间具有运动间隙。6.根据权利要求5所述的多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片，其特征在于，芯片外框架(1)、主支撑梁(3)、副支撑梁(4)、连接梁(5)、质量块(6)和敏感压阻微梁(7)通过N型(100)晶面的SOI硅片制备而成，敏感压阻微梁(7)上的压敏电阻(11)沿SOI硅片的[011]或晶向布置。7.根据权利要求6所述的多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片，其特征在于，芯片外框架(1)的尺寸为：长×宽×厚＝2600μm×2600μm×305μm；主支撑梁(3)的尺寸为：长×宽×厚＝70μm×30μm×300μm；副支撑梁(4)的尺寸为：长×宽×厚＝400μm×50μm×300μm；连接梁(5)的尺寸为：长×宽×厚＝10...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立波，贾琛，蒋维乐，于明智，李支康，王久洪，赵玉龙，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61