[发明专利]谐振式加速度计谐振梁和支撑梁的二步腐蚀制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及谐振式加速度计的谐振梁和支撑梁的制造方法，特别是一种利用掩膜-无掩膜腐蚀技术制造谐振式加速度计的谐振梁和支撑梁的二步腐蚀方法，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。早在上世纪60年代末人们就开始研究一维微型硅加速度计。80年代末开始一维微型加速度计的规模化生产。进入到90年代，随着科学技术的发展和军事、商业市场的需求，开始研究三维微型加速度计，应用于军事、汽车电子、工业自动化、机器人技术、消费类电子产品等领域。由于微型加速度计具有体积小、重量轻、功耗和成本低、过载能力强、易集成、可大规模批量生产等优点，不仅成为微惯性测量组合的核心元件，也迅速应用到车辆控制、高速铁路、机器人、工业自动化、探矿、玩具、医疗等民用领域。

微型加速度计是利用传感质量的惯性力测量加速度的传感器。按照检测质量的运动方式可以分为线加速度计和摆式加速度计；按照信号检测方式分可为压阻式、电容式、隧道电流式、谐振式、热对流式、压电式加速度计。按照有无反馈信号可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，分为单轴、双轴以及三轴加速度计。上世纪90年代以后，随着MEMS技术的不断发展以及军事、商业市场的需求，单一方向的加速度测试已经不能满足各方面的需求，加速度计向三维方向发展，以用于检测空间加速度，为卫星导航、导弹制导、炮弹定向等军工项目和汽车防震保护、自动刹车、医疗等民用项目服务。三轴微型加速度计能够同时测量相互正交的三个轴向加速度。其测量原理包括电容式、压阻式、压电式和热对流式，按照质量块数目可分为多质量块和单质量块系统。

谐振式加速度传感器利用惯性力改变谐振器的轴向应力和应变，从而引起谐振频率变化，检测谐振频率的变化量获得加速度的大小。谐振式加速度传感器可以将被测加速度直接转换为稳定性和可靠性较高的频率信号，而且在传输过程中不易产生失真误差，无需经A/D转换器即可与数字系统接口。另外，谐振式加速度传感器动态范围宽、灵敏度和分辨率高、稳定性好、测量精度高，已达到1KHz/g的灵敏度和2μg的噪声水平，能够满足对加速度传感器的高性能要求。1996年Christian Burrer报道的电热激励/压阻检测谐振式加速度传感器由质量块、支撑悬臂梁和谐振梁组成。敏感质量块悬挂在与其中心轴线平行且对称的两根支撑梁的一端，支撑梁另一端固定在衬底上。谐振梁一端与敏感质量块相连，另一端固定在衬底上。当有垂直衬底表面的加速度作用于敏感质量块上时，质量块将在垂直方向移动，导致谐振梁产生拉伸或压缩应变，改变谐振梁的固有频率，灵敏度为250Hz/g。

同年D.W.Burns结合体微机械和表面微机械工艺制作了一种静电激励/压阻检测的多晶硅微梁谐振式加速度传感器，传感器包括质量块、上下密封盖、支撑弹性梁、两个同轴的谐振梁和检测谐振梁应变的压敏电阻组成。质量块和弹性梁为对称结构以降低交叉轴的干扰，上、下密封盖板为质量块提供挤压模阻尼和过载保护。密封外壳上施加直流偏压。谐振梁的驱动电极上施加小幅交流电压，产生的静电力驱动谐振梁振动。谐振梁固支端的压敏电阻测量梁振动引起的应变，放大后反馈到驱动电极，使谐振梁振动在谐振频率。两个谐振梁工作在差动模式，加速度使一个谐振梁的谐振频率增加，另外一个减小，以提高灵敏度并对共模信号(如温度交叉灵敏度)进行抑制。传感器的量程可以通过支撑梁的尺寸调节。对20g的量程，谐振梁的长度、宽度和厚度分别为200μm，40μm和2μm，谐振频率为500KHz，Z轴加速度检测灵敏度高达1750Hz/g。

2000年韩国Seoul国立大学Byeung-leu1 Lee等采用表面微机械工艺研制了一种惯性导航级的差动谐振式单轴加速度传感器(DRXL)，其敏感元件是静电激励的扭转梁谐振器。垂直方向的加速度测量利用静电刚度调节效应，通过加速度产生的惯性力改变弹性梁承受的静电力，实现对刚度系数的改变，从而引起谐振频率的变化，并采用两个形状互补的质量块实现差动测量。面内加速度传感器采用末端带有质量块的双端音叉，利用惯性力改变音叉的轴向力，从而改变谐振频率。面内加速度的谐振频率为23.4KHz，灵敏度最高达到128Hz/g，带宽为110Hz，精度为5.2μg；垂直方向的谐振频率为12KHz，灵敏度最高达到70Hz/g，带宽为100Hz，精度为2.5μg。