专利名称：曲面贴合过载保护的硅微加速度传感器及制造方法
技术领域：
本发明涉及一种适合高量程(1万～10万g)加速度传感器和制造方法，更确切地说是这类硅微加速度传感器耐高冲击过载是采用曲面贴合式被动保护的方法和措施实施的。属于硅微机械传感器技术领域，也属于惯性测量传感器技术领域。
背景技术：
随着硅微机械加工工艺的日益成熟，硅微机械加速度传感器由于其价格低、精度高、适合于批量生产，而被广泛地应用于各类运动过程的监控中。其中在高冲击环境下进行高g量程下测量的传感器在军、民两方面都有着典型而重要的应用。该类传感器的检测核心部件为硅悬臂梁力学敏感结构和构造其上的压阻等电敏感器件。在传感器测量过程中，经常会出现高冲击过载情况，因此需要采用过载保护方法和措施来保护器件免于损坏。已有的过载保护结构一般是采用位于悬臂梁一侧(或两侧)加突起点[见图1(a)]或二侧各一个平行平面[见图1(b)]来阻挡过载运动的方法，约束悬臂梁在过载情况下的挠曲范围。当悬臂梁在过载情况下，其质心或顶端与突起或保护平面形成点接触，使悬臂梁结构由原来的根部一点支承变为两点支承，从而提高了悬臂梁在过载情况下的承载能力而免于折断，这是到目前为止悬臂梁过载保护的主要方法。例如，[1]H.Chen，S.Shen，M.Bao，Overrange capacity ofapiezoresistive microaccelerometer，Sensors and Actuators，A58，1997，pp.197-201.[2]A.Partridge，J.Reynolds，B.Chui，E.Chow，A.Fitagerald，L.Zhang，N.Maluf，T.Kenny，A high performance planar piezoresistive accelerometer，Journal ofMicroelectromechanical Systems，Vol.9，No.1，2000，pp.58-66.在他们所描述的微加速度器中，均采用这种过载保护方法。然而，这种过载保护的方法有其一定的局限性，特别是当悬臂梁承受较大冲击过载时，除两点支承外的其余悬空部分仍然可以移动而导致梁的损坏。所以现有的单点保护方法耐高冲击过载保护能力仍然不够，特别是在高测量范围加速度传感器中使用不能满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种更有效的过载保护结构及实施方法，以克服现有悬臂梁过载保护结构存在的不足。其基本构思是设计和制作一种新型的曲面过载保护结构，使微机械加速度传感器在承受较大冲击过载时，仍能对微机械加速度传感器提供较好的保护。
本发明的基本原理如下图2为加速度传感器悬臂梁过载曲面保护原理顶视示意图。根据悬臂梁力学分析，当长度和厚度分别为L和w的矩形等截面悬臂梁在加速度a的作用下向一侧挠曲时。其挠曲函数为f(x)=pa→2w2Ex2(x2-4Lx+6L2)]]>其中f(x)为坐标x点的挠曲位移、ρ为硅的密度、E为硅的扬氏模量。说明悬臂梁上不同x点处其挠曲位移是不同的，且是一个较复杂的函数关系。为提高过载保护的能力，改变现有的单点接触保护为曲面处处贴合的保护。换言之，过载保护曲面也作成与梁挠曲同样的曲线，在梁的挠曲达到过载范围后，梁的整个侧面将自然地与保护侧面基本完全贴合。在更大的冲击或过载下整个梁上几乎所有部分都不再进一步增加挠曲，从而使过载保护效果比现有的单点保护大大提高。
为进一步说明本发明的实质性特点和显著进步，用图3详细阐明。图3显示了采用该过载保护发明的具有抗高过载冲击的高g值加速度传感器的立体截面图。它由硅框架1、硼扩散压阻敏感电阻区2、悬臂梁3和抗高过载冲击的保护曲面4等部分组成，其保护曲面位于悬臂梁3的上下二个侧面。其工作原理为当基座承受加速度时，悬臂梁横向弯曲，由于压阻效应，硼扩散区的电阻率发生变化，经惠斯通电桥联接后实现输出。当对电桥输入一定的电压时，输出电压的变化与加速度的变化成正比，因此测量输出电压的变化规律就能测得加速度的变化。
本发明的加速度传感器可以使敏感悬臂梁和过载保护结构的制作共同利用DRIE同时完成，因而保证了结构制造的精度。亦即利用先进的深反应离子刻蚀(DRIE)加工横向挠曲悬臂梁的同时，在其两侧加工出与前面公式表达的梁挠曲相同的过载保护曲面。该曲面的形状由光刻掩模板制作和DRIE工艺的精度来决定。而这方面集成加工的精度恰恰是很高的，这样保证在梁过载时能够基本完全贴合到对面的保护曲面上，因此达到提高器件过载能力的目标。
整个器件利用N型掺杂(100)硅片的微机械加工技术来实施的。由于采用了先进的DRIE等工艺，适合于批量生产。其制作的工艺步骤简单描述如下(1)将硅片背面各向异性腐蚀至一定厚度，其厚度值等于悬臂梁设计宽度。
(2)淡硼扩散形成具有压阻效应的敏感电阻，其方块电阻值在100-250欧姆范围内。
(3)浓硼扩散使可变电阻区的两端与外面的金属引线形成欧姆接触；接触的方块电阻在10-20欧姆范围内。
(4)在欧姆接触区刻蚀出引线孔。
(5)在硅片上表面淀积薄膜铝并刻成引线和焊盘。
(6)采用深反应离子刻蚀工艺同时加工出悬臂梁的厚度以及过载保护曲面结构，此曲面是按上述挠曲函数进行设计加工的。利用计算机图形生成和激光束加工的掩模板来光刻出DRIE刻蚀图样，利用光刻胶作为刻蚀掩模材料，精确地同时形成悬臂梁和曲面保护结构。
综上所述，本发明的优点是(1)在图2中，悬臂梁的过载保护采用位于悬臂梁两侧的两个曲面，此曲面函数与悬臂梁承受最大过载时梁的挠度曲面相吻合。当悬臂梁承受较大过载时，悬臂梁与保护曲面形成整体密切接触，相对于传统的采用单点保护方法的两点支承，悬臂梁上的应力分布更均匀，进一步改善了梁在过载情况下的受力情况，能显著提高高过载情况下对悬臂梁的保护能力和器件工作的可靠性。
(2)采用这样过载结构的加速度传感器为单片硅的整体式结构，无需另外封接过载保护盖板，因此具有结构简单和体积小的优势，同时也提高了制造成品率和降低了生产成本。
(3)即使在保护曲面加工时个别地方存在缺陷，因面接触也不会影响悬臂梁与保护曲面之间的接触，所以本发明构思巧妙，实施方便。
图1是现有的两种单点接触过载保护结构示意图。
(a)一侧加突起点的保护结构(b)二侧各一个平行平面的保护结构图2(a)是本发明提供的曲面贴合式过载保护顶视图。
图2(b)是按挠曲函数计算的贴合式过载保护的曲面。
图3是本发明提供的曲面贴合式过载保护立体截面图。
图中1—硅框架2—硼扩散敏感电阻区3—未受载前悬臂梁3＇—受载后悬臂梁弯曲形状4—抗高过载冲击的保护曲面5—过载保护的突起点6—平行平面 W—悬臂梁宽度L—悬臂梁长度—示意加速度的方向具体实施方式
设计实例1
设计量程为10万g、耐过载30万g的冲击加速度传感器。经设计，悬臂梁长度为515微米，厚度为16微米，宽度为50微米。在10万g加速度作用下，梁上各点的挠度可以按上述公式计算，例如梁末端挠度为5.5微米等。两只敏感电阻分布于梁根部靠两侧位置来感受应力的变化，经惠斯通电桥连接后输出电信号。整个期间在N掺杂的(100)硅片上实施的，传感器为单片硅的整体式结构，无需另外封接过载保护板。
权利要求
1.一种曲面贴合过载保护的硅微加速度传感器，包括硅框架(1)、硼扩散压阻敏感电阻区(2)、悬臂梁(3)，其特征在于a.悬臂梁的过载保护采用位于悬臂梁两侧的两个曲面；该曲面是按悬臂梁的挠曲函数 设计的；b.硅微加速度传感器为单片硅的整体式结构。
2.按权利要求1所述的曲面贴合过载保护的硅微加速度传感器的制造方法，包括利用N型掺杂(100)硅片微机械加工技术，其特征在于用深反应离子刻蚀加工横向挠曲悬臂梁的同时，在其二侧加工出与挠曲函数表达的梁挠曲相同的过载保护曲面。
3.按权利要求2所述的曲面贴合过载保护的硅微加速度传感器的制造方法，其特征在于具体工艺步骤是(1)将硅片背面各向异性腐蚀至一定厚度，其厚度值等于悬臂梁设计宽度；(2)淡硼扩散形成具有压阻效应的敏感电阻，其方块电阻值在100-250欧姆范围内；(3)浓硼扩散使可变电阻区的两端与外面的金属引线形成欧姆接触；接触的方块电阻在10-20欧姆范围内；(4)在欧姆接触区刻蚀出引线孔；(5)在硅片上表面淀积薄膜铝并刻成引线和焊盘；(6)采用深反应离子刻蚀工艺同时加工出悬臂梁的厚度以及过载保护曲面结构，此曲面是按悬臂梁的挠曲函数进行设计加工的；利用计算机图形生成和激光束加工的掩模板来光刻出DRIE刻蚀图样，利用光刻胶作为刻蚀掩模材料，精确地同时形成悬臂梁和曲面保护结构。
全文摘要
本发明涉及一种曲面贴合过载保护的硅微加速度传感器及制造方法,属于硅微机械传感器技术领域。其结构特征在于悬臂梁的过载保护是采用位于悬臂梁两侧的二个曲面,该曲面是按悬臂梁的挠曲函数设计的,整个硅微加速度传感器为单片硅的整体式结构,无需另外封接过载保护盖板。本传感器在制作方面的特征是利用N掺杂(100)硅片微机械加工技术,用深反应离子刻蚀加工横向悬臂梁的同时,在其二侧加工出与挠曲函数表达的梁挠曲相同的过载保护曲面。本发明特点是结构简单、构思巧妙,传感器体积小,制作方便,可适合高量程(1万—10万g)的加速度传感器,具有广阔的应用前景。
文档编号G01P15/02GK1337581SQ0112683
公开日2002年2月27日 申请日期2001年9月21日 优先权日2001年9月21日
发明者李昕欣, 董健, 王跃林 申请人:中国科学院上海冶金研究所