[发明专利]一种低交叉轴灵敏度压阻式加速度计结构及制作方法

说明书

本发明公开了一种低交叉轴灵敏度压阻式加速度计的结构及制作方法，属于微电子机械系统领域。低交叉轴灵敏度压阻式加速度计由一个质量块(1)、八个支撑梁(2)、四个传感梁(3)和框架(4)组成。质量块(1)的重心位于支撑梁(2)的中性面内。传感梁(3)的上表面位于芯片表面以便于在其表面制作压敏电阻(5)。传感梁(3)的厚度远小于支撑梁(2)的厚度。在垂直芯片表面的Z轴加速度作用下，质量块(1)在Z轴方向运动带动传感梁(3)一起运动，通过压敏电阻(5)检测传感梁(3)的应变，从而得到Z轴加速度的大小。由于质量块(1)的重心位于支撑梁(2)的中性面内，在芯片表面内X轴或Y轴加速度作用下质量块(1)的偏转角度很小，从而具有较小的交叉轴灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种低交叉轴灵敏度压阻式加速度计结构及制作方法，特别是一种利用掩膜-无掩膜腐蚀技术制作的低交叉轴灵敏度压阻式加速度计结构及制作方法，属于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)领域。

背景技术

微型加速度计是一类重要的力学量传感器，具有体积小、重量轻、功耗和成本低、易集成、可批量生产等优点，不仅是微惯性测量组合的核心元件，也广泛应用于车辆控制、高速铁路、机器人、工业自动化、探矿、玩具、医疗等领域。按照检测质量的运动方式可以将微型加速度计分为线加速度计和摆式加速度计。按照有无反馈信号可以将微型加速度计分为开环偏差式和闭环力平衡式加速度计。按照敏感轴的数量可以将微型加速度计分为单轴、双轴以及三轴加速度计。按照信号检测方式可以将微型加速度计分为压阻式、电容式、隧道电流式、谐振式、热对流式、压电式加速度计。

压阻式加速度计采用压敏电阻作为敏感元件，将被测加速度转换为材料电阻率的变化以进行测量，具有简单的结构和读出电路、良好的直流响应、高灵敏度、线性度和可靠性、低成本以及大批量生产的优点。压阻式加速度计芯片由框架、质量块、微梁及制作在微梁特定区域的压敏电阻组成。当传感器加速度运动时，质量块的惯性力使微梁弯曲而产生应力，使压敏电阻的阻值发生变化，通过测量电阻阻值的变化即可获得加速度的大小。

压阻式加速度计有单悬臂梁、双悬臂梁、四梁和五梁等结构，这些结构关于z轴是不对称的，即支撑梁的中性面与质量块的重心不在同一平面，因此具有较大的交叉轴灵敏度。为了解决这一问题，人们提出两梁结构、悬臂梁-薄膜结构、四梁结构、六梁结构、八梁结构等形式的加速度结构，通过对加速度计的结构参数优化设计，使各轴之间力的传递得到隔离，在微梁的特定区域制作压敏电阻来减小交叉轴灵敏度。然而，梁上复杂的金属互连对传感器的性能和成品率会带来不利影响。更重要的是，当受到芯片面内的加速度时，质量块将会发生偏转。

采用双面同时加工的方法，可使传感器结构相对于微梁的中性面对称，质量块中心与微梁的中性面重合。但是这种结构的微梁的上表面与衬底表面不在同一平面上，难以制作压敏电阻，无法用于压阻式加速度传感器。Kyu Hyun Kim提出了一种斜对称的悬臂梁加速计以降低横向灵敏度，但必须采用投影对准方法在有台阶的硅片表面光刻电阻和电极的形状。在质量块上电镀铜或金层可以将质量块的重心上移到梁的中性面，也可降低横向灵敏度，但工艺复杂、成本较高。

发明内容

本发明的目的在于发明一种具有低交叉轴灵敏度的压阻式加速度计，在横向(面内)加速度作用下质量块的偏转角度很小。

为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：低交叉轴灵敏度压阻式加速度计由一个质量块、八个支撑梁、四个传感梁和框架组成。质量块的重心位于支撑梁的中性面内。传感梁的上表面位于芯片表面以便于在其表面制作压敏电阻。传感梁的厚度远小于支撑梁的厚度。