专利名称：基于电磁激励检测方式的谐振式微机械加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及加速度传感器技术领域，是一种采用SOI (绝缘底上硅)-MEMS (微电子机械系统)工艺加工而成的电磁激励检测的高灵敏度谐振式硅微机械加速度传感器。
背景技术：
微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystems,简称 MEMS)主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，是一种在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。相对于传统的机械加工技术，MEMS加工主要以硅作为材料，利用从半导体技术中发展而来的成熟技术，可进行大批量、低成本生产。另外，MEMS器件普遍具有体积小，稳定性好等特点。可以说，MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空航天、汽车制造、环境监控、生物医学、军事以及几乎人们所接触到的各个领域中都有着十分广阔的应用。谐振式微机械加速度传感器是一种典型的MEMS惯性器件。现有的娃微机械加速度传感器主要包括电容式、压阻式、压电式、隧道电流式和谐振式等几种形式。其中，谐振式微机械加速度传感器的突出特点是输出检测信号由谐振器的振动频率信号直接转换而成，相对于其他形式的检测信号，频率信号具有更高的稳定性。而且，频率信号作为准数字量输出也使得后续信号的传输检测电路设计实现相对容易。现有谐振式微机械加速度传感器一般被设计为由谐振梁和敏感质量块组成，被测加速度经质量块转换为惯性力，通过应力转换机构将惯性力转换为可改变谐振梁刚度的轴向应力，进而导致谐振梁的频率发生改变，通过测量谐振梁的频率来获得加速度的大小。现有的谐振式微机械加速度传感器一般都利用谐振器轴向应力变化而使得谐振器频率改变的原理检测外界加速度，应力转换效率差导致加速度传感器的灵敏度普遍偏低，大多小于200Hz/g，难以满足军事和民用领域对高精度高灵敏度加速度传感器的要求。另外，由于硅基材料不具有压电特性，谐振器不能直接应用类似石英材料的压电效应驱动和检测，目前常用静电激励、电容检测，电热激励与压阻检测两种方式，这两种激励检测方式均存在耗能大，输出信号微弱等缺点。

发明内容
本发明的目的在于公开一种基于电磁激励检测方式的谐振式微机械加速度传感器，其灵敏度高、能耗低、输出稳定性好。为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是:一种基于电磁激励检测方式的谐振式微机械加速度传感器，其包括质量块1、两个H型谐振器4a、4b、两个支撑梁3a、3b ;两个H型谐振器4a、4b沿45°方向对称设置在质量块I两侧，两个H型谐振器4a、4b的一端分别与质量块I边缘固接，另一端分别与边框2边缘固接；其中一 H型谐振器两侧各设有一支撑梁，两个支撑梁3a、3b的一端分别与质量块
I边缘固接，另一端分别与边框2边缘固接，两个支撑梁3a、3b和质量块I共同组成悬臂结构，支撑梁3a、3b对质量块I起支撑作用；质量块1、两个H型谐振器4a、4b、两个支撑梁3a、3b位于同一平面上；谐振器的谐振频率由结构参数及Z向加速度惯性力导致的谐振器上轴向应力决定。所述的加速度传感器，其两个H型谐振器4a、4b的长度、宽度和厚度完全相同，两个支撑梁3a、3b的长度、宽度和厚度完全相同；其中，三者的厚度比为:H型谐振器4a、4b:支撑梁3a、3b:质量块I等于1: 3: 30。所述的加速度传感器，其当有Z轴方向加速度惯性力作用在质量块I上时，由于支撑梁3a、3b的厚度大于谐振器4a、4b的厚度，起到抑制谐振器4a、4b应变的作用，而使得两支撑梁3a、3b夹持的一谐振器4a受到Z向轴向压应力，而另一谐振器4b由于支撑梁对其作用不明显而受到Z向轴向拉应力；两谐振器4a、4b所受到的应力方向相反，使得在加速度作用下频率变化方向相反，从而实现差分检测；同时，由质量块I和支撑梁3a、3b组成的悬臂结构，使质量块和谐振器的惯性力-轴向应力转换效率提高，使得器件灵敏度大幅提高。所述的加速度传感器，其所述两个H型谐振器4a、4b，包括两根长度、宽度和厚度完全一致的双端固支矩形梁，两根矩形梁的中心部位由厚度与矩形梁一样的矩形块连接，以确保两根矩形梁在谐振频率时能够同相同频振动；两个H型谐振器4a、4b上设有电极，在纵向两条状矩形梁的上表面分别覆有激振电极6a、6b或检测电极5a、5b，以用来激振谐振器和拾取振动信号，并可以降低信号之间的干扰，提高信噪比；激振电极6a、6b或检测电极5a、5b外端固接于边框2表面，分别与外界引线连接。所述的加速度传感器，其所述传感器芯片衬底所用材料为SOI片(绝缘层上硅)，采用无掩模刻蚀方法，通过深刻蚀工艺实现复杂结构的不等厚度加工，并完成质量块1、边框2、两个支撑梁3a、3b、两个H型谐振器4a、4b在同一衬底材料上的直接加工。本发明的谐振式微机械加速度传感器与现有技术相比，有显著优点:(1)利用支撑梁和质量块组成的单悬臂结构，有效的提高了惯性力——轴向应力的转化效率，使得传感器灵敏度大幅提高，同时结合差分输出结构有效降低输出频率的漂移以及温度等外界环境因素对传感器的影响，提高传感器输出的稳定性。(2)采用电磁激励和电磁检测的方法，激励能量高，可有效补偿谐振器的能量消耗，提高传感器品质因数。(3)传感器采用SOI硅片衬底，采用无掩模深刻蚀等MEMS工艺实现了不等厚的复杂结构加工，加工工艺简单，成品率高，适于批量生产。


图1是本发明的一种基于电磁激励检测方式的谐振式微机械加速度传感器芯片俯视图；图2是本发明传感器的H型谐振器和分布电极结构示意图；图3是本发明的谐振式微机械加速度传感器制作工艺流程图；图4是本发明的两组谐振梁开环检测的中心频率；图5是本发明的谐振式微机械加速度传感器在O-1g重力加速度翻滚实验中测试的灵敏度特性。
具体实施例方式本发明的一种基于电磁激励检测方式的谐振式微机械加速度传感器，由谐振器、支撑梁和质量块组成，质量块和支撑梁组成悬臂结构，谐振器位于质量块的两侧，三者都是通过同一 SOI硅片衬底采用MEMS工艺加工制作而成。整个器件最终封装于真空中，当器件受到外界加速度的作用时，质量块受到惯性力的作用而产生位移，质量块的位移会使得与之连接的谐振器产生弯曲形变，进而使得谐振器所受到的应力和刚度发生改变，表现为谐振梁固有谐振频率的变化。其频率的改变和应力变化以及质量块受到的加速度近似线性关系，所以通过检测谐振器的固有频率的变化就可以实现检测加速度的目的。 谐振式微机械加速度传感器的设计可以实现差分检测:当有竖直加速度作用于整个器件时，质量块在惯性力作用下运动。由于质量块一端由支撑梁固定在锚点上，由此会到抑制谐振器所受的应变，而使得距支撑梁更接近一端的谐振器受到压应力，而另一端谐振器由于支撑梁对其作用不明显而受到拉应力。这样，两端的谐振器所受到的应力方向相反，使得在加速度作用下频率变化方向相反，从而实现差分检测。在信号检测方面，本发明的加速度传感器，采用电磁激励、磁感应检测方式。为了测定谐振频率，对谐振器的激振梁施加交流激振信号，在外加永磁场的作用下，谐振器的激振梁将受到洛伦兹力作用而作受迫振动，随着电压方向的变化，洛仑兹力方向也随之周期性变化，从而使得谐振器的激振梁因受到方向周期性变化的力而产生振动(称为激振)。谐振器的激振梁和拾振梁被中间矩形块连接，在合适的振动模态下，拾振梁上的电极会产生感应电动势，其频率与激振梁所加电压频率相同(称为拾振)。当所加电压频率接近或等于整个谐振梁的固有频率时，谐振器将发生共振，拾振梁的振幅达到最大，拾振电极的感生电动势的幅值也达到最大，通过检测拾振梁的感生电动势频率就可以确定谐振器的固有频率，进而达到检测加速度大小的目的。由于激振电极和拾振电极分布与结构是对称的，两者可以互换使用。本发明的加速度传感器，主要通过深刻蚀工艺在SOI硅片衬底上实现了质量块、支撑梁、谐振器的不等厚度复杂结构加工。为了实现谐振式微机械加速度传感器的高灵敏差分检测目的，本发明在设计时将质量块、支撑梁和谐振器的厚度设定为300um，30um和lOum。在SOI硅片衬底上，通过正面刻蚀绝缘层上硅实现了谐振器的加工，在背面加工时，通过两步深刻蚀工艺采用无掩模方法实现了支撑梁和质量块的不等厚度加工。以下结合附图对本发明的加速度传感器进行详细描述。结合图1，传感器结构是由质量块I和两个H型谐振器4a、4b以及两个支撑梁3a、3b组成。两个谐振器按45°方向对称设置在质量块两侧。两个H型谐振器4a、4b的结构参数完全相同。两个支撑梁3a、3b的结构参数完全相同。同时，两个支撑梁3a、3b的厚度为H型谐振器4a、4b厚度的三倍。当有加速度作用于器件上，支撑梁3a、3b的作用是抑制谐振器所受的应变，而使得距支撑梁更接近一端的谐振器受到压应力，而另一端谐振器由于支撑梁对其作用不明显而受到拉应力。两端的谐振器所受到的应力方向相反，使得在加速度作用下频率变化方向相反，从而实现差分检测。结合图2，为实现电磁激励检测，在H型谐振器上分布激振电极6和检测电极5，为了避免电极之间电流(电压)信号出现串扰，影响检测，将每组谐振器分成两个中间连接的单梁，并将激振电极6和检测电极5分别布置在这两根单梁上。谐振器由两根长度、宽度和厚度完全一致的双端固支矩形梁构成，两根梁的中心部位用一个厚度与梁一样的矩形块连接，这样能确保两根梁在低阶频率时能够同时同相同频振动。激振电极6和检测电极5可以分别位于两根单梁上，降低信号之间的干扰，便于检测。结合图3，介绍了加速度传感器的MEMS加工工艺流程，具体为:a.准备 SOI 硅片(10+2+290)，单位:um ；b.SOI硅片双面生长绝缘层二氧化硅和氮化硅，采用lift-off (剥离)工艺制备正面金电极；c.正面光刻，反应离子刻蚀至中间氧化层得到正面结构；d.背面蒸发铝掩膜，第一次光刻去铝在谐振梁下方开窗口 ；e.去除步骤d后谐振梁下方的铝，第二次光刻露出支撑梁下方的铝。深刻蚀20um，获得台阶高度差；f.去除步骤e中第二次光刻后露出的支撑梁下方的铝，背面反应离子深刻蚀直至中间氧化层；g.采用CHF3三氟甲烷气体刻蚀掉中间氧化层，释放结构；结合图4，采用扫频仪HP4195A开环扫描，激励电压50mV，谐振器I (靠近支撑梁一侧)的中心频率是66.921kHz，另一测谐振器2的中心频率是62.969kHz。两组谐振器的振幅分别为1.5mVand 1.8mV, _3dB带宽170Hz，空气中Q值约400。结合图5，O-1g重力翻滚实验测试结果显示，谐振器I的谐振频率随加速度变大而增加，而谐振器2的谐振频率则呈递减变化，差分加速度可达584Hz/g。
权利要求
1.一种基于电磁激励检测方式的谐振式微机械加速度传感器，其特征在于:包括质量块(I)、两个H型谐振器(4a、4b)、两个支撑梁(3a、3b);两个H型谐振器(4a、4b)沿45°方向对称设置在质量块(I)两侧，两个H型谐振器(4a、4b)的一端分别与质量块(I)边缘固接，另一端分别与边框(2)边缘固接；其中一 H型谐振器两侧各设有一支撑梁，两个支撑梁(3a、3b)的一端分别与质量块⑴边缘固接，另一端分别与边框⑵边缘固接，两个支撑梁(3a、3b)和质量块⑴共同组成悬臂结构，支撑梁(3a、3b)对质量块⑴起支撑作用； 质量块(I)、两个H型谐振器(4a、4b)、两个支撑梁(3a、3b)位于同一平面上； 谐振器的谐振频率由结构参数及Z向加速度惯性力导致的谐振器上轴向应力决定。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于:两个H型谐振器(4a、4b)的长度、宽度和厚度完全相同，两个支撑梁(3a、3b)的长度、宽度和厚度完全相同；其中，三者的厚度比为:H型谐振器(4a、4b):支撑梁(3a、3b):质量块(I)等于1: 3: 30。
3.根据权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于:当有Z轴方向加速度惯性力作用在质量块(I)上时，由于支撑梁(3a、3b)的厚度大于谐振器(4a、4b)的厚度，起到抑制谐振器(4a、4b)应变的作用，而使得两支撑梁(3a、3b)夹持的一谐振器(4a)受到Z向轴向压应力，而另一谐 振器(4b)由于支撑梁对其作用不明显而受到Z向轴向拉应力；两谐振器(4a、4b)所受到的应力方向相反，使得在加速度作用下频率变化方向相反，从而实现差分检测；同时，由质量块(I)和支撑梁(3a、3b)组成的悬臂结构，使质量块和谐振器的惯性力-轴向应力转换效率提高，使得器件灵敏度大幅提高。
4.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于:所述两个H型谐振器(4a、4b)，包括两根长度、宽度和厚度完全一致的双端固支矩形梁，两根矩形梁的中心部位由厚度与矩形梁一样的矩形块连接，以确保两根矩形梁在谐振频率时能够同相同频振动；两个H型谐振器(4a、4b)上设有电极，在纵向两条状矩形梁的上表面分别覆有激振电极(6a、6b)或检测电极(5a、5b)，以用来激振谐振器和拾取振动信号，并可以降低信号之间的干扰，提高信噪比；激振电极(6a、6b)或检测电极(5a、5b)外端固接于边框(2)表面，分别与外界引线连接。
5.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于:所述传感器芯片衬底所用材料为SOI片，采用无掩模刻蚀方法，通过深刻蚀工艺实现复杂结构的不等厚度加工，并完成质量块(I)、边框(2)、两个支撑梁(3a、3b)、两个H型谐振器(4a、4b)在同一衬底材料上的直接加工。
全文摘要
本发明公开了一种基于电磁激励检测方式的谐振式微机械加速度传感器，涉及传感器技术，包括谐振器、支撑梁和质量块，且均通过在SOI硅片衬底上用MEMS工艺加工制作而成。两个H型谐振器对称分布在质量块的两侧，每一H型谐振器的矩形梁上溅射金属的激振/拾振电极，实现电磁激励和检测。两支撑梁分别位于一谐振器的两侧，与质量块一起组成悬臂结构。本发明使得H型双端固支谐振器的惯性力-轴向应力转化效率高，灵敏度较高；传感器采用标准SOI-MEMS工艺加工制作，成品率高；提高了加速度传感器的输出稳定性和抗干扰的能力；倍增了加速度传感器的灵敏度，同时可有效地降低应力、材料、温度等造成的影响，使得传感器稳定性更好。
文档编号G01P15/097GK103217553SQ201210017209
公开日2013年7月24日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者王军波, 商艳龙, 陈德勇 申请人:中国科学院电子学研究所