[发明专利]一种压阻式加速度传感器及其制作方法

说明书

本发明提供一种压阻式加速度传感器及其制作方法，该传感器的改进点在于敏感结构部分，敏感结构中的质量块左右两侧对称设有相互独立的各四个敏感梁，每个敏感梁上设一个力敏电阻；四个敏感梁的两侧各设一个用于支撑质量块的支撑梁，将力敏电阻制作在独立的敏感梁上可减小敏感梁的宽度，从而显著减小敏感梁对结构倔强系数的影响，获得高灵敏度和高优值；敏感梁靠近质量块中线位置，其挠曲较小，可减小旁轴灵敏度。支撑梁靠近质量块边缘，其力臂长，可更好地抑制旁轴加速度引起的质量块扭转。支撑梁上表面较低，表面无氧化层，可减小氧化层应力引起的结构挠曲。敏感梁厚度大于支撑梁，可实现应力集中，从而提高灵敏度和优值。

技术领域

本发明涉及一种压阻式加速度传感器及其制作方法，特别是涉及一种利用不同厚度的支撑梁和敏感梁来提高传感器性能的压阻式加速度传感器及其制作方法。

背景技术

微机械加速度计是微机电集成系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)技术领域的支柱性产品之一，具有尺寸小、成本低、可靠性高等优点，在消费类电子产品、汽车电子、工业控制和国防等领域具有广泛的应用。微机械加速度计按检测原理又可分为压阻式、压电式、隧道式、电容式等。其中，电阻式加速度计具有接口电路简单、抗干扰能力强、加工工艺简单等优点。

体微机械技术是制作压阻式加速度传感器的常用方法。体微机械压阻式加速度传感器采用三明治结构。所谓三明治结构由三层结构组成：上盖板、可动敏感结构和下盖板。其中可动敏感结构采用梁-质量块结构，即由数根梁支撑质量块结构，在梁上制作力敏电阻，当有加速度时，质量块产生位移使梁挠曲，从而在梁上产生应力，通过力敏电阻测量应力就可得到加速度值。上下盖板为可动结构提供保护，在上下盖板上还制作限位结构，限制高过载时质量块的位移，避免结构损坏。

灵敏度和带宽分别是表征加速度传感器的静态特性和动态特性的重要指标。但是，这两个指标对结构的要求存在矛盾。一般来说，结构倔强系数越小、质量块质量越大，则灵敏度越高、带宽越低；相反，结构倔强系数越大、质量块质量越小，则灵敏度越低、带宽越高。因此，一般采用灵敏度与带宽的乘积作为加速度传感器的优值。优值越高，则综合性能越好。

对于压阻式加速度传感器，灵敏度与梁上表面最大应力成正比，带宽与结构共振圆频率成正比，因此可以用梁上表面最大应力和共振频率的乘积作为敏感结构的优值S_Tf。对于双端固支梁-质量块结构的敏感结构，其优值S_Tf近似与质量块和梁体积比的平方根成正比：

由于梁的最小尺寸由工艺条件决定，难以缩小。当传感器尺寸缩小时，优值S_Tf也减小。更为严重的是，共振频率随结构等比例缩小而增大，当传感器尺寸缩小时，为了保证灵敏度和共振频率在合理范围内，必须适当增加梁的尺寸，造成优值S_Tf进一步减小。因此，优化敏感结构以提高结构的S_Tf优值是加速度传感器设计的一个挑战。

加速度传感器的另一个设计难点在于对旁轴灵敏度的抑制。加速度是矢量，有x，y和z三个分量，理想情况下单轴加速度传感器应当仅对一个分量敏感，但实际器件一般对三个分量均敏感，尽可能抑制对不需要分量的灵敏度(旁轴灵敏度)是传感器设计的另一个主要问题。

敏感结构的应力匹配也是加速度传感器的设计难点。梁质量块敏感结构对应力敏感。当梁表面存在氧化层时，氧化层内的热应力可以造成结构有微米量级的挠曲，造成器件性能下降甚至失效。常用的方法是先用体微机械加工技术对梁区减薄，再制作力敏电阻，这样可以在结构上下表面形成对称的氧化层，实现应力匹配。但是该方法与集成电路工艺的兼容性差。一般集成电路厂不提供体微机械加工服务，也不允许已进行了体微机械加工的硅片进入工厂。因此理想的加工流程是先在集成电路代工厂进行力敏电阻电桥的加工，然后进行体微机械加工。而该流程必须从结构上解决应力匹配问题。

发明内容