一种单片集成三轴加速度传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种单片集成三轴加速度传感器，其中，采用微电子机械加工技术方法，利用4个双L型梁、两个质量块、中间双梁作为弹性元件，所述两个质量块将感受的加速度信息(ax、ay、az)转换为弹性元件形变，引起所述由弹性元件根部12个压敏电阻构成的3个惠斯通电桥结构输出电信号发生变化，可分别实现三个方向加速度(ax、ay、az)检测；并且，通过优化4个双L型梁和两个质量块、中间双梁尺寸，优选后三个检测电路检测对应加速度具有较好一致性。

【技术实现步骤摘要】
一种单片集成三轴加速度传感器
本技术涉及传感器
，尤其涉及加速度传感器，特别地，涉及一种单片集成三轴加速度传感器。
技术介绍
随着科学技术的迅速发展，传感器技术倍受重视，尤其在现代工业、汽车电子、航空航天、深海探测等领域得到广泛应用。在现有技术中，用于检测三轴加速度的传感器包括电容式三轴加速度传感器、压电式三轴加速度传感器和压阻式三轴加速度传感器等。为实现空间三个方向加速度同时测量，通过组合封装相应敏感单元进行三轴加速度检测。但是，在现有技术所公开的三轴加速度传感器中，因各方向敏感单元存在一定差异，在空间三个方向加速度同时测量过程中，传感器存在灵敏度、量程、准确度等特性不一致问题。尤其的，在现有技术的传感器中，x、y轴方向的灵敏度过低，而z轴方向的灵敏度过高。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，通过采用微电子机械加工技术(MEMS)方法，利用4个双L型梁、两个质量块中间双梁作为弹性元件，所述两个质量块(m1、m2)将感受的加速度信息(ax、ay、az)转换为弹性元件形变，引起所述由弹性元件根部12个压敏电阻构成的3个惠斯通电桥结构输出电信号(Vxout1、Vxout2、Vyout1、Vyout2、Vzout1、Vzout2)发生变化，可分别实现三个方向加速度(ax、ay、az)检测；通过优化4个双L型梁和两个质量块中间双梁尺寸，优选后三个检测电路检测对应加速度具有较好一致性，完成本技术。本技术一方面提供了一种单片集成三轴加速度传感器，具体体现在以下几方面：(1)一种单片集成三轴加速度传感器，其中，所述传感器以SOI片为载体，所述SOI片包括器件硅1和衬底硅2，其中，在所述传感器的中心位置刻蚀有悬空结构，所述悬空结构包括第一质量块m1、第二质量块m2、第一中间梁ZL1、第二中间梁ZL2和四个L型梁，其中，对所述四个L型梁沿纵向进行拆分，形成八个L小梁，分别为第一L小梁L1、第二L小梁L2、第三L小梁L3、第四L小梁L4、第五L小梁L5、第六L小梁L6、第七L小梁L7和第八L小梁L8。(2)根据上述(1)所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，所述第一质量块m1和第二质量块m2位于所述悬空结构的中心，优选地，所述第一质量块m1和第二质量块m2沿传感器的x方向中心线或y方向中心线对称设置。(3)根据上述(1)或(2)所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，所述第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2设置于所述第一质量块m1和第二质量块m2之间，用于连接第一质量块m1和第二质量块m2；优选地，所述第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2沿传感器的y方向中心线或x方向中心线对称设置，且均与第一质量块m1和第二质量块m2垂直；更优选地，所述第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2的厚度等于器件硅的厚度。(4)根据上述(1)至(3)之一所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，所述第一质量块m1背向第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2的一侧面与所述第二L小梁L2、第七L小梁L7、第四L小梁L4和第八L小梁L8连接；和/或所述第二质量块m2背向第一中间梁ZL1和第二中间梁ZL2的一侧面与所述第一L小梁L1、第五L小梁L5、第三L小梁L3和第六L小梁L6连接。(5)根据上述(1)至(4)之一所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，在所述第一L小梁L1、第二L小梁L2、第三L小梁L3和第四L小梁L4的根部分别设置有彼此平行的x向第一压敏电阻Rx1、x向第二压敏电阻Rx2、x向第三压敏电阻Rx3和x向第四压敏电阻Rx4；优选地，所述x向第一压敏电阻Rx1的一端和x向第二压敏电阻Rx2的一端相连，连接处形成x轴第一输出电压Vxout1；所述x向第三压敏电阻Rx3的一端和x向第四压敏电阻Rx4的一端相连，连接处形成x轴第二输出电压Vxout2；更优选地，所述x向第一压敏电阻Rx1的另一端和x向第四压敏电阻Rx4的另一端共同连接电源VDD，所述x向第二压敏电阻Rx2的另一端和x向第三压敏电阻Rx3的另一端接地。(6)根据上述(1)至(5)之一所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，在所述第五L小梁L5、第六L小梁L6、第七L小梁L7和第八L小梁L8的根部设置有彼此平行的y向第一压敏电阻Ry1、y向第二压敏电阻Ry2、y向第三压敏电阻Ry3和y向第四压敏电阻Ry4；优选地，y向第一压敏电阻Ry1的一端和y向第二压敏电阻Ry2的一端相连，连接处形成y轴第一输出电压Vyout1；y向第三压敏电阻Ry3的一端和y向第四压敏电阻Ry4的一端相连，连接处形成y轴第二输出电压Vyout2；更优选地，y向第一压敏电阻Ry1的另一端和y向第四压敏电阻Ry4的另一端共同连接电源VDD，y向第二压敏电阻Ry2的另一端和y向第三压敏电阻Ry3的另一端接地。(7)根据上述(1)至(6)之一所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，所述第一中间梁ZL1在与第一质量块m1和第二质量块m2连接的根部分别设置有相互垂直的z向第一压敏电阻Rz1和z向第二压敏电阻Rz2；和/或所述第二中间梁ZL2在与第一质量块m1和第二质量块m2连接的根部分别设置有相互垂直的z向第四压敏电阻Rz4和z向第三压敏电阻Rz3。(8)根据上述(1)至(7)之一所述的单片集成三轴加速度传感器，其中，所述z向第一压敏电阻Rz1的一端和z向第二压敏电阻Rz2的一端相连，连接处形成z轴第一输出电压Vzout1；所述z向第三压敏电阻Rz3的一端和z向第四压敏电阻Rz4的一端相连，连接处形成z轴第二输出电压Vzout2；优选地，所述z向第一压敏电阻Rz1的另一端和z向第四压敏电阻Rz4的另一端共同连接电源VDD，所述z向第二压敏电阻Rz2的另一端和z向第三压敏电阻Rz3的另一端接地GND。(9)一种上述(1)至(8)之一所述单片集成三轴加速度传感器的制作工艺，其中，所述工艺如下进行：步骤1、清洗SOI片(如图4A所示)，在器件硅1上表面进行一次氧化，生长SiO2层，作为绝缘介质层；步骤2、清洗SOI片，采用等离子体化学气相沉积(PECVD)原位掺杂工艺在nc-Si:H(p-)窗口上沉积nc-Si:H(p-)薄膜，进行一次光刻，刻蚀形成nc-Si:H(p-)薄膜压敏电阻；步骤3、清洗SOI片，二次光刻，在SOI片器件硅1上表面进行离子注入，进行p+型掺杂，优选注入剂量为5E14cm-2至5E15cm-2；步骤4、清洗SOI片，高温退火处理，形成12个压敏电阻(Rx1、Rx2、Rx3、Rx4、Ry1、Ry2、Ry3、Ry4、Rz1、Rz2、Rz3、Rz4)(如图4B所示)；步骤5、清洗SOI片，二次氧化，化学气相沉积法在SOI片器件硅1上表面生长SiO2层，作为绝缘介质层；步骤6、三次光刻，BOE腐蚀SiO2层，形成接触孔；步骤7、清洗SOI片，在器件硅1上表面磁控溅射生长金属Al层，形成金属电极层；步骤8、四次光刻，腐蚀金属Al层，形成金属电极；步骤9、清洗硅片，在器件硅1上表面化学气相沉积生长SiO2层，优选厚度3000～5000nm，作为钝化层；步骤10、五次光刻，腐蚀钝化层，形成压焊点；步骤11、清洗硅片，进行合金化处理形成欧姆接触(如图4C所示)；步骤12、六次光刻，BOE腐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，所述传感器以SOI片为载体，所述SOI片包括器件硅(1)和衬底硅(2)，其中，在所述传感器的中心刻蚀有悬空结构，所述悬空结构包括第一质量块(m1)、第二质量块(m2)、第一中间梁(ZL1)、第二中间梁(ZL2)和四个L型梁，其中，对所述四个L型梁沿纵向进行拆分，形成八个L小梁，分别为第一L小梁(L1)、第二L小梁(L2)、第三L小梁(L3)、第四L小梁(L4)、第五L小梁(L5)、第六L小梁(L6)、第七L小梁(L7)和第八L小梁(L8)；所述第一质量块m1背向第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)的一侧面与所述第二L小梁(L2)、第七L小梁(L7)、第四L小梁(L4)和第八L小梁(L8)连接；所述第二质量块(m2)背向第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)的一侧面与所述第一L小梁(L1)、第五L小梁(L5)、第三L小梁(L3)和第六L小梁(L6)连接。

【技术特征摘要】
1.一种单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，所述传感器以SOI片为载体，所述SOI片包括器件硅(1)和衬底硅(2)，其中，在所述传感器的中心刻蚀有悬空结构，所述悬空结构包括第一质量块(m1)、第二质量块(m2)、第一中间梁(ZL1)、第二中间梁(ZL2)和四个L型梁，其中，对所述四个L型梁沿纵向进行拆分，形成八个L小梁，分别为第一L小梁(L1)、第二L小梁(L2)、第三L小梁(L3)、第四L小梁(L4)、第五L小梁(L5)、第六L小梁(L6)、第七L小梁(L7)和第八L小梁(L8)；所述第一质量块m1背向第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)的一侧面与所述第二L小梁(L2)、第七L小梁(L7)、第四L小梁(L4)和第八L小梁(L8)连接；所述第二质量块(m2)背向第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)的一侧面与所述第一L小梁(L1)、第五L小梁(L5)、第三L小梁(L3)和第六L小梁(L6)连接。2.根据权利要求1所述的单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，所述第一质量块(m1)和第二质量块(m2)位于所述悬空结构的中心，优选地，所述第一质量块(m1)和第二质量块(m2)沿传感器的x方向中心线或y方向中心线对称设置。3.根据权利要求2所述的单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，所述第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)设置于所述第一质量块(m1)和第二质量块(m2)之间，用于连接第一质量块(m1)和第二质量块(m2)。4.根据权利要求3所述的单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，所述第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)沿传感器的y方向中心线或x方向中心线对称设置，且均与第一质量块(m1)和第二质量块(m2)垂直；优选地，所述第一中间梁(ZL1)和第二中间梁(ZL2)的厚度等于器件硅的厚度。5.根据权利要求4所述的单片集成三轴加速度传感器，其特征在于，在所述第一L小梁(L1)、第二L小梁(L2)、第三L小梁(L3)和第四L小梁(L4)的根部分别设置有彼此平行的x向第一压敏电阻(Rx1)、x向第二压敏电阻(Rx2)、x向第三压敏电阻(Rx3)和x向第四压敏电阻(Rx4)；优选地，所述x向第一压敏电阻(Rx1)的一端和x向第二压敏电阻(Rx2)的一端相连，连接处形成x轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓锋，王颖，温殿忠，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：新型
国别省市：黑龙江,23