一种双平行螺旋梁及其MEMS加速度计制造技术

本发明专利技术公开了一种双平行螺旋梁构成的MEMS加速度计及其制作方法，其中双平行螺旋梁的设计能够实现所在平面内的刚度较大，其检测方向的刚度较小，有效减小交叉耦合现象。由此双平行螺旋梁构成的MEMS加速度计采用SOI硅片制成，由玻璃基片，敏感器件层以及顶层硅构成，敏感器件层包括外框架，固定质量块，敏感质量块，双平行螺旋梁以及电极五个部分。其敏感质量块通过双平行螺旋梁连接外框架，敏感质量块设置有均匀的阻尼孔，同时敏感质量块与上下电极形成差分电容对，在加速度计的最大位移处设置止挡结构，以防止突发情况下造成结构损伤，这种MEMS加速度计结构能够独立检测该方向的加速度，能够大幅度降低交叉灵敏度，也能降低工艺的复杂性，具有更好的实用性。MEMS加速度计的加工是基于SOI工艺的制备流程，改进后的制备流程更加简单，并且所达到的加速度计的基本性能也有一定的提升。本性能也有一定的提升。本性能也有一定的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种双平行螺旋梁及其MEMS加速度计


[0001]本专利技术属于微电子机械系统领域，设计了一种双平行螺旋梁及其MEMS加速度计，该弹性梁稳定性好且利用其设计的加速度计具有高稳定性，高灵敏度，低交叉灵敏度以及高量程的特点。

技术介绍

[0002]随着MEMS技术的突飞猛进，MEMS传感器低成本、批量化、小体积和低功耗等优势逐渐凸显出来。MEMS加速度计是较早出现与产品化的MEMS器件，目前常见的MEMS加速度计按传感方式可分为电容式、谐振式、光学式、压阻式、压电式、隧道电流式、热对流式等MEMS加速度计，其性能也可以做到较高的水平。其中电容式MEMS加速度计应用最为广泛，对于该加速度计性能的提升与弹性梁的性能有着密不可分的联系，目前出现的弹性梁主要有：一字梁，L形梁，折叠梁，S型梁等，一字梁的弹性系数很好调整，工艺简单，但交叉耦合较大；L形梁弹性系数跟一字梁相差不大，交叉耦合稍小一些，但二三阶模态交叉耦合较大；折叠梁和S型梁交叉耦合较大，弹性系数较小，工艺稍复杂。基于目前所遇到的问题，设计一个灵敏度较高，交叉灵敏度较低的弹性梁及加速度计具有较好的前景。
[0003]本专利技术用一个敏感质量块检测方向的加速度，可以与多轴方向的加速度计进行结合制成三轴加速度计实现三轴向加速度的检测，能够解决了灵敏度较低，交叉灵敏度较大，结构稳定性不强的问题，同时加工工艺也更加简单，进一步降低了制备的难度和成本。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术的问题，本专利技术旨在解决目前加速度计存在的以上问题，从而设计新的弹性梁及结构，实现低交叉灵敏度，高灵敏度以及高稳定性，避免因高交叉灵敏度而出现检测偏差。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种双平行螺旋梁与质量块的边呈四十五度角旋转式排布在各个方向，实现了弹性梁刚度的变化，使检测方向的弹性系数减小，提升检测方向的灵敏度，同时降低非检测方向的弹性系数，减小非检测的方向的位移变化，从而实现降低其交叉灵敏度，使检测结果更加精确，结构更加稳定。
[0007]由双平行螺旋梁设计的MEMS加速度计包括玻璃基板，带有均匀阻尼孔的敏感质量块，8个弹性梁，固定梳齿电极，锚点。
[0008]其中，上述敏感质量块均通过弹性梁与锚点连接连接，并悬置于玻璃基板上方，对于检测方向的最大位移处添加止动块，以此加强加速度计的机械稳定性，能够承受更大的结构强度。敏感电极是与上下电极构成差分电容检测，从而实现检测方向的加速度检测。所述敏感结构，与上下电极的间距相等。
[0009]进一步地，所述锚点电极和固定电极分别位于锚点的上方和固定结构的上方，均为一层金属薄膜，对应上下两个金属电极。
[0010]进一步地，所述检测方向的敏感质量块，弹性梁，锚点，固定电极均由SOI的顶层硅构成，且厚度为SOI顶层硅的厚度；所述加速度计的敏感质量块均匀分布半径为4um的阻尼孔。检测方向的弹性梁为4组双平行螺旋梁。
[0011]对于机械力制备法，其特征在于包括以下步骤：
[0012]本专利技术的一种双平行螺旋梁的MEMS加速度计的制作方法，包括以下步骤：
[0013](a)备片：顶层硅厚度为50um，电阻率小于0.01Ω
′
cm的SOI硅片；
[0014](b)清洗硅片；
[0015](c)在玻璃基板上沉积Cr/Au层使加速度计的接触金属化，同时沉积Cr/Au层形成加速度计的底部电极。
[0016](d)SOI晶片工艺从在sf6等离子体中刻蚀SOI晶片的器件层开始，以确定底部电极和加速度计的敏感质量块之间的20um电容间隙。
[0017](e)在SOI硅片上沉积一层厚度为1um的SiO2氧化层，并将SOI晶片的器件层按器件结构蚀刻并蚀刻到蚀刻停止层，即掩埋的氧化层。
[0018](f)在1:1食人鱼溶液中清洗玻璃和SOI晶片后，晶片相互阳极粘结。
[0019](g)将SOI晶片50um厚的手柄层在磨削过程中削薄至35um厚。
[0020](h)在SOI晶片的薄手柄层上沉积Cr/Au层，并按图样实现加速度计上电极的接触金属化。
[0021](i)最后进行驱动蚀刻以确定SOI晶片手柄层上加速度计的穿孔上电极。
[0022](j)最后，器件在1:7 BHF释放。为了防止粘着，释放结构在丙酮，IPA，甲醇和热板循环干燥。
[0023]技术效果：
[0024]本专利技术的一种双平行螺旋梁及其MEMS加速度计的高灵敏度，低交叉灵敏度，大量程以及抗冲击能力的方法，与现有技术相比具有以下优点：
[0025]1.本专利技术的双平行螺旋梁能够抑制交叉干扰，增加非检测方向的刚度，同时实现高灵敏度。
[0026]2.本专利技术的由双平行螺旋梁设计的MEMS加速度计,利用独立的质量块检测方向的加速度，降低了轴间干扰，且根据双平行螺旋梁的结构特点设计加速度检测的简单结构使得更容易调整加速度计量程，同时也进一步增强稳定性。
[0027]3.本专利技术的一种双平行螺旋梁的MEMS加速度计的优点在于，采用了SOI制备工艺，可以实现较大的敏感质量块以及较大的初始电容值，以此提高各个方向检测精度和灵敏度，并且尽可能简化了工艺步骤，可操作性强，进一步降低了制备成本。
[0028]4.本专利技术的一种双平行螺旋梁的MEMS加速度计采用了变电极间隙的方法实现差分检测，提升了检测的线性度，减小了外接电路设计的难度，从而实现了高灵敏度，低交叉灵敏度的特点；通过将双平行螺旋梁连接至外框架，提升了机械稳定性，设置均匀阻尼孔实现了低布朗噪声。
附图说明
[0029]图1是本专利技术的一种双平行螺旋梁及其MEMS加速度计的结构图；
[0030]图2是本专利技术的由双平行螺旋梁的MEMS加速度计的制备工艺流程。
具体实施方式
[0031]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例的附图，对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]结合图1，本专利技术由双平行螺旋梁设计的MEMS加速度计由玻璃基片，器件结构层，埋氧层以及手柄层构成，其中器件结构层制作加速度计检测方向的结构，结构包括固定电极，可动电极，弹性梁，质量块以及锚点。由双平行螺旋梁设计的MEMS加速度计的结构是由四对双平行螺旋梁连接质量块和固定结构，与上下电极板构成变间隙差分检测电容，当检测方向没有施加加速度时，质量块与上下极板间距相等，检测电容为0；在对检测方向施加向下的加速度时，使质量块沿检测方向平动，与下极板形成的电容值增加，与上极板形成的电容值减小，则检测电路检测到变化量的差值，通过检测到的电容值反推得到检测方向施加的加速度。
[0033]由此可见，检测电容与质量块位移成正比，而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双平行螺旋梁，其特征在于，双平行螺旋梁为两条平行的45
°
斜置梁呈现旋转式排列在四个方向。2.由双平行螺旋梁构成的MEMS加速度计，结构包括玻璃基板，质量块，弹性梁，锚点。其特征在于，结构是采用的方形质量块通过四对双平行螺旋梁连接，具有良好稳定性，且能降低交叉干扰。3.根据权利要求2所述的MEMS加速度计，其特征在于敏感质量块由SOI的顶层硅构成，其双平行螺旋梁也是由顶层SOI顶层硅构成，两端连接的为锚点和敏感质量块。4.根据权利要求2所述的MEMS加速度计，其特征在于锚点电极在锚点上方，固定电极在固定电极的上方，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李绍荣，蒋婷，严宏凯，张驰，郭小伟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：