抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器及制作方法与流程

本发明属于硅微机械传感器领域，涉及一种抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器及制作方法。

背景技术：
随着微机械系统(MEMS)传感器技术的发展，各种MEMS传感器倍受人们的关注，其中微机械加速度传感器已被广泛应用于不同领域，如在自动控制、振动测试和航空航天领域有着广泛的应用。压阻式加速度传感器的动态响应特性及输出线性较好，具有广阔的应用前景。然而，在进行各种运动的测量中，一维加速度传感器已不能很好的满足应用需求，因而三维加速度传感器便成为MEMS加速度传感器发展的一个重要方向。近几年中，不断有单片集成三维加速度传感器研制的报道，其中一类为三维加速度传感器是由单一敏感结构构成，其敏感元件是一个具有多个悬臂梁的敏感质量块所构成的质量块-弹簧系统，这种类型的加速度传感器是利用在同一系统中的三个方向上同时存在的最小扭转模态对X轴、Y轴和Z轴方向的加速度同时进行响应，然而它存在较高的旁轴灵敏度，会导致三个方向有较大的耦合干扰，信号的输出易出现干扰；另一类为将三个一维传感器进行组装，以形成所需的三维加速度传感器，但这会导致整个三维加速度传感器的体积较大，且对轴向对准精度有较高的要求，比较难以实现；第三类如公开号为CN1821787A的申请专利中所述，将三个相互独立的传感单元集成在同一芯片上构成单片集成三维加速度计，这种类型的加速度传感器中，Z轴方向上的加速度传感单元是由敏感薄板、质量块、敏感电阻和外框架构成，采用双端固支的双质量块结构，由于其Z轴方向的传感单元采用的是梁-双岛结构，会导致加速度传感器有较大的横向干扰。

技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器及其制作方法，用于解决现有技术中的三维加速度传感器所存在的三个方向有较大的耦合干扰，信号的输出易出现干扰的问题；器件尺寸较大，对轴向对准精度要求较高，比较难以实现的问题和加速度传感器有较大的横向干扰的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器，所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器包括：晶片和均集成于所述晶片上的X轴、Y轴和Z轴方向的三个相互独立的加速度传感单元，所述X轴、Y轴和Z轴方向的加速度传感单元集成于所述晶片的同一表面上；其中，所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的结构相同，均包括悬臂梁、位于所述悬臂梁上的第一敏感电阻和位于所述悬臂梁两侧的曲面；所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的彼此相互垂直分布，且其敏感方向均为所述晶片的平面方向；所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元内的所述第一敏感电阻分别连接成检测电路；所述Z轴方向的加速度传感单元包括至少一对固支板和多个第二敏感电阻；所述固支板的一端固支于所述晶片上，且每个所述固支板的固支端分别与相邻所述固支板固支端的相对端相邻；所述第二敏感电阻位于所述固支板的固支端，且位于同一块所述固支板上的相邻两个所述第二敏感电阻相互垂直；所述Z轴方向的加速度传感单元的敏感方向为所述晶片的垂直方向；所述第二敏感电阻相互连接成检测电路。优选地，所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元均包括两根所述悬臂梁和两个分别位于两根所述悬臂梁上的第一敏感电阻；所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的两个所述第一敏感电阻分别连接成惠斯通全桥检测电路。优选地，所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元内的两根所述悬臂梁均分别一端固支于所述晶片上，且一根所述悬臂梁的固支端与另一根所述悬臂梁固支端的相对端相邻，所述第一敏感电阻分别位于所述悬臂梁的固支端。优选地，所述Z轴方向的加速度传感单元包括一对固支板和四个第二敏感电阻；每个所述固支板的固支端设有两个所述第二敏感电阻，所述两个第二敏感电阻沿X轴方向的中心线均与所述固支板沿X轴方向的中心线相重合；四个所述第二敏感电阻连接成惠斯通全桥检测电路。优选地，所述固支板沿X轴方向平行排列。优选地，所述第一敏感电阻的横截面形状为“几”型或“匚”型；所述第二敏感电阻的横截面形状为“几”型或“匚”型。优选地，所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器还包括一硅盖板，所述硅盖板位于所述晶片形成有所述加速度传感单元的表面上，所述硅盖板与所述晶片相接触的表面上形成有第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，所述第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽分别与所述X轴方向的加速度传感单元、Y轴方向的加速度传感单元和Z轴方向的加速度传感单元上下对应，尺寸相同。优选地，所述第三凹槽的深度为1～10μm。优选地，所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器还包括一玻璃衬底，所述玻璃衬底键合于所述晶片具有所述加速度传感单元一面的相对面。本发明还提供一种抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的制作方法，包括以下步骤：1)提供一晶片，采用各向异性腐蚀溶液在所述晶片背面腐蚀形成预减薄槽，以达到制作传感器敏感单元所需的厚度；2)在所述晶片的正面进行离子注入或离子扩散以形成敏感电阻；3)在所述晶片的正面制作引线和焊盘；4)在所述晶片的背面键合硅玻璃衬底，以形成所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的下盖板；5)采用深反应离子刻蚀工艺同时释放X轴、Y轴方向的悬臂梁和Z轴方向的固支板；6)提供一硅盖板，在所述硅盖板一面对应于所述加速度传感单元的位置上腐蚀出凹槽，将所述硅盖板键合至所述晶片的正面，所述硅盖板具有凹槽的一面与所述晶片的正面相接触。如上所述，本发明的抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器，具有以下有益效果：所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器由三个相互独立的加速度传感单元集成为一体的，三个方向的信号不会相互耦合干扰，每个方向的加速度信号都能准确地输出提取；Z轴方向的加速度传感单元由相互平行设置的单端固支的固支板和位于固支板固支端的相互垂直的敏感电阻构成，有效地抑制了X轴、Y轴方向的加速度引起的横向干扰；并且通过对敏感结构的关键尺寸进行适当的设计修改，可以获得1万g～20万g的不同量程的具有抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器；在所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的制作工艺来看，三个方向的加速度传感单元在结构上存在相似之处，在工艺上均为制作微机械加工的常规工艺，在工艺上能够很好的相互兼容，易于集成，制作成本较低，容易实现大规模的生产。附图说明图1显示为本发明的抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器中晶片及形成于晶片上的敏感结构的三维结构示意图。图2显示为本发明的抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器中悬臂梁的三维结构示意图。图3显示为本发明的抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器中Z轴方向的加速度传感单元的三维结构示意图。图4显示为本发明的抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的三维结构示意图。图5显示为图4沿AA’方向的纵截面结构示意图。图6至8显示为本发明的抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器中Z轴方向的加速度传感单元的工作原理示意图；其中，图6为Z轴方向的加速度传感单元具有沿Z轴的加速度时的工作原理示意图；图7为Z轴方向的加速度传感单元具有沿X轴的加速度时的工作原理示意图；图8为Z轴方向的加速度传感单元具有沿Y轴的加速度时的工作原理示意图。图9显示为本发明的抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的制作方法的流程图。元件标号说明2晶片21X轴方向的加速度传感单元22Y轴方向的加速度传感单元23Z轴方向的加速度传感单元24悬臂梁25第一敏感电阻26曲面27固支板271固支板的固支端272固支板沿X轴方向的中心线28第二敏感电阻29引线焊盘3玻璃衬底4硅盖板41第一凹槽42第二凹槽43第三凹槽aZZ轴方向的加速度aXX轴方向的加速度aYY轴方向的加速度σZ固支板所受的沿Z轴方向的应力σX固支板所受的沿X轴方向的应力σY固支板所受的沿Y轴方向的应力具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。请参阅图1至图3，本发明提供一种抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器，所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器包括：晶片2和均集成于所述晶片2上的X轴、Y轴和Z轴方向的三个相互独立的加速度传感单元，所述X轴、Y轴和Z轴方向的加速度传感单元集成于所述晶片2的同一表面上；其中，所述X轴方向的加速度传感单元21和所述Y轴方向的加速度传感单元22的结构相同，均包括悬臂梁24、位于所述悬臂梁24上的第一敏感电阻25和位于所述悬臂梁24两侧的曲面26；所述X轴方向的加速度传感单元21和所述Y轴方向的加速度传感单元22的彼此相互垂直分布，且其敏感方向均为所述晶片2的平面方向；所述X轴方向的加速度传感单元21和所述Y轴方向的加速度传感单元22内的所述第一敏感电阻25分别连接成检测电路；所述Z轴方向的加速度传感单元23包括至少一对固支板27和多个第二敏感电阻28；所述固支板27的一端固支于所述晶片2上，且每个所述固支板27的固支端271分别与相邻所述固支板27固支端的相对端相邻；所述第二敏感电阻28位于所述固支板27的固支端271，且位于同一块所述固支板27上的相邻两个所述第二敏感电阻27相互垂直；所述Z轴方向的加速度传感单元23的敏感方向为所述晶片2的垂直方向；所述第二敏感电阻28相互连接成检测电路。具体的，所述晶片2为双面抛光的硅片。具体的，所述第一敏感电阻25和所述第二敏感电阻28均为压敏电阻。具体的，请结合图1参阅图2，所述X轴方向的加速度传感单元21和所述Y轴方向的加速度传感单元22均包括两根平行设置的所述悬臂梁24和两个分别位于两根所述悬臂梁24上的第一敏感电阻25；所述X轴方向的加速度传感单元21和所述Y轴方向的加速度传感单元22的两个所述第一敏感电阻25分别连接成惠斯通全桥检测电路。具体的，所述X轴方向的加速度传感单元21和所述Y轴方向的加速度传感单元22中的两个所述悬臂梁24均彼此相互平行设置；所谓所述X轴方向的加速度传感单元21和所述Y轴方向的加速度传感单元22的彼此相互垂直分布是指所述X轴方向的加速度传感单元21内的所述悬臂梁24与所述Y轴方向的加速度传感单元22内的所述悬臂梁24相互垂直。具体的，请结合图1参阅图3，本实施例中，所述Z轴方向的加速度传感单元23包括一对固支板27和四个第二敏感电阻28；每个所述固支板27的固支端271设有两个所述第二敏感电阻28，所述两个第二敏感电阻28相互垂直，即如图1所示，一个所述第二敏感电阻28与X轴的方向平行，另一个所述第二敏感电阻28则与Y轴的方向平行；所述两个第二敏感电阻28沿X轴方向的中心线均与所述固支板27沿X轴方向的中心线相重合；四个所述第二敏感电阻27连接成惠斯通全桥检测电路。具体的，所述固支板27的长度方向与X轴的方向相同，两个所述固支板27沿X轴方向平行排列。具体的，所述X轴方向的加速度传感单元21、Y轴方向的加速度传感单元22和Z轴方向的加速度传感单元23在所述晶片2的正面沿X轴的方向依次分布。所述Z轴方向的加速度传感单元23中的两个所述固支板27的固支位置不同，即一块所述固支板27靠近所述Y轴方向的加速度传感单元22的一端固支于所述晶片2内，另一块所述固支板27远离所述Y轴方向的加速度传感器22的一端固支于所述晶片2内。具体的，所述第一敏感电阻25的横截面形状为“几”型或“匚”型；所述第二敏感电阻28的横截面形状为“几”型或“匚”型。具体的，所述X轴方向的加速度传感单元21和所述Y轴方向的加速度传感单元22内的两根所述悬臂梁24可以与所述Z轴方向的加速度传感单元23内的所述固支板27的结构相似，均分别一端固支于所述晶片2上，且一根所述悬臂梁24的固支端与另一根所述悬臂梁固支端的相对端相邻，所述第一敏感电阻25分别位于所述悬臂梁24的固支端。具体的，所述悬臂梁24和所述固支板27的均只有一端与所述晶片2固支连接，所述悬臂梁24与所述固支板27的下方即除了固支端一侧的其他侧面均与所述晶片2之间留有足够的间隙，以便于所述悬臂梁24和所述固支板27在收到外界加速度的时候有上下左右运动的空间。请参阅图4至图5，所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器还包括一硅盖,4，所述硅盖板4位于所述晶片2形成有所述加速度传感单元的表面上，所述硅盖板4与所述晶片2相接触的表面上形成有第一凹槽41、第二凹槽42和第三凹槽43，所述第一凹槽41、第二凹槽42和第三凹槽43分别与所述X轴方向的加速度传感单元21、Y轴方向的加速度传感单元22和Z轴方向的加速度传感单元23上下对应，尺寸相同。具体的，所述第三凹槽43的深度明显小于所述第一凹槽41和所述第二凹槽42的深度。优选地，本实施例中，所述第三凹槽的深度为1～10μm。将对应于所述Z轴方向的加速度传感单元23的第三凹槽43的深度限定为只有几个微米，能够实现Z轴方向的加速度传感单元的阻尼控制。具体的，所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器还包括一玻璃衬底3，所述玻璃衬底3键合于所述晶片2具有所述加速度传感单元一面的相对面。具体的，所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的工作原理如下：对于所述X轴方向的加速度传感单元21，其包括两根平行设置的所述悬臂梁24和两个分别位于两根所述悬臂梁24上的第一敏感电阻25；两个所述第一敏感电阻25连接成惠斯通全桥检测电路；且两根所述悬臂梁24中的一根所述悬臂梁24的固支端与另一根所述悬臂梁固支端的相对端相邻，所述第一敏感电阻25分别位于所述悬臂梁24的固支端；当所述X轴方向的加速度传感单元21收到敏感方向冲击加速度时，所述悬臂梁24横向弯曲，通过压阻效应，所述悬臂梁24上的两个所述第一敏感电阻25的阻值发生变化经惠斯通电桥输出变化信号，以确定相应加速度的大小。对于所述Y轴方向的加速度传感单元22，由于所述Y轴方向的加速度传感单元22的结构与所述X轴方向的加速度传感单元21的结构相同，其工作原理也相同，这里不再累述。对于所述Z轴方向的加速度传感单元23，如图3所示，所述Z轴方向的加速度传感单元23包括所述晶片2、两块平行的单端固支的所述固支板27和四个第二敏感电阻28。每块所述固支板27的固支端271制作了两个相互垂直的第二敏感电阻28，即两个所述第二敏感电阻28一个平行于X轴的方向，另一个平行于Y轴的方向，亦即，每块所述固支板27上包括的两个所述第二敏感电阻28一个为横向电阻，另一个为纵向电阻。所述横向电阻和所述纵向电阻在相同应力作用下，阻值的变化数值相同，符号相反。拉应力作用时，所述横向电阻阻值增加、所述纵向电阻阻值减小；压应力作用时，所述横向电阻阻值减小、所述纵向电阻阻值增加。正是充分利用了所述横向电阻和所述纵向电阻在同一应力作用下阻值变化相反的这一特点。结合加速度作用下两个所述固支板27的受力特点，设计了压阻的具体形状和布局，同时抑制了X轴、Y轴方向的横向干扰。详细说明如下：(1)Z轴方向的传感单元的输出假设四个所述第二敏感电阻28的起始阻值都相等且为均R，U0是供电电压，对于恒压源供电，不考虑温度引起的压阻变化。如图6所示，在Z轴敏感方向加速度az作用时，两块所述固支板27向下弯曲，两块所述固支板27的固支端271上表面均受到拉应力σZ。横向电阻受到拉应力作用时，阻值增加为R+△R；纵向电阻受到拉应力作用时，阻值减小为R-△R。Z轴方向的传感单元的输出为：恒压源供电时，惠斯通电桥输出与和输入电压U0都成正比。(2)Z轴方向的传感单元的X横向干扰抑制如图7所示，在X横向加速度作用时，因两块所述固支板27的固支端271的位置不同，两块所述固支板27上受力情况如图7所示。两块所述固支板27一个受拉应力，另一个受压应力。在压应力作用下，横向电阻的阻值减小为R-△R，纵向电阻的阻值增加R+△R；同理在拉应力作用下横向电阻的阻值增加为R+△R，纵向电阻的阻值减小为R-△R。则Z轴方向的传感单元的输出为：最终惠斯通电桥输出为零，即没有X轴的横向干扰。(3)Z轴传感单元的Y横向干扰抑制如图8所示，在Y横向加速度作用下，两个所述固支板27侧向弯曲，所述固支板27沿X轴方向的中心线272两侧分别受拉和受压如图8所示。每一个所述第二敏感电阻28，无论是横向电阻还是纵向电阻，均具有轴对称性，所述第二敏感电阻28在所述固支板27沿X轴方向的中心线272一侧的部分如果受拉应力作用，则另一侧的部分就受压应力作用，反之依然。每个所述第二敏感电阻28在压应力和拉应力共同作用下，阻值的增加值和阻值减小值相抵消，因此每个所述第二敏感电阻28的阻值无变化，惠斯通电桥输出为零。即没有Y轴的横向干扰。需要说明的是，所述Z轴方向的传感单元23的抑制横向干扰的技术也同样适用于所述X轴方向的传感单元21和所述Y轴方向的传感单元22。在一个实施例中，量程为5万g的所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的尺寸为：所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的长度为4600μm，宽度为3500μm，厚度为1300μm；其中，所述X轴方向的传感元件21和所述Y轴方向的传感元件22中的所述悬臂梁24的长度为515μm，宽度为16μm，厚度为50μm；所述Z轴方向的传感元件23中的所述固支板27的长度为515μm，宽度为200μm，厚度为20μm。需要说明的是，所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器、所述Y轴方向的传感单元22中所述悬臂梁24和所述固支板27的长度为沿X轴方向的尺寸，宽度为沿Y轴方向的尺寸，厚度为沿Z轴方向的尺寸；所述X轴方向的传感单元21中所述悬臂梁24的长度为沿Y轴方向的尺寸，宽度为沿X轴方向的尺寸，厚度为沿Z轴方向的尺寸。将所述5万g量程的所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器安装在冲击实验装置上进行测试，测试的方法为落杆自由下落与钢砧碰撞，碰撞过程能够产生加速度幅值从10000g到20000g之间的半正弦冲击波，通过数据采集系统记录同一冲击过程中三个传感单元的冲击波响应。分别以X轴、Y轴、Z轴方向为加速度输入方向进行测试，同时获得三个传感单元的冲击波形响应，读取传感单元在敏感方向以及两个横向加速度作用下的主波响应的最大输出值，如表1所示。表1传感单元的横向干扰为横向加速度作用下的主波响应的最大输出值UT与敏感方向加速度作用下的主波响应的最大输出值US之比，即：计算得出所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器各轴的横向干扰，如表2。表2由表2中的测试数据可知，所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的三个传感单元横向干扰均小于5％。需要说明的是，只需要通过对上述敏感结构的关键尺寸进行适当的设计修改，即可以获得1万g～20万g的不同量程的具有抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器。请参阅图9，本发明还提供一种抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的制作方法，包括以下步骤：1)提供一晶片，采用各向异性腐蚀溶液在所述晶片背面腐蚀形成预减薄槽，以达到制作传感器敏感单元所需的厚度；所述各向异性的腐蚀溶液为加热至30℃～70℃，质量百分数为30％～50％的KOH溶液，优选地，本实施例中，所述各向异性的腐蚀溶液为加热至50℃，质量百分数为40％的KOH溶液；2)在所述晶片的正面进行硼离子注入或硼离子扩散以形成具有压阻效应的敏感电阻；3)在所述晶片的正面溅射铝以形成引线和焊盘；4)采用键合机在所述晶片的背面键合硅玻璃衬底，以形成所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的下盖板；所述键合方式可以为阳极键合或静电键合；优选地，本实施例中，所述键合方式为静电键合；5)采用深反应离子刻蚀工艺同时释放X轴、Y轴方向的悬臂梁和Z轴方向的固支板；6)提供一硅盖板，在所述硅盖板一面对应于所述X轴、Y轴和Z轴加速度传感单元的位置上分别腐蚀出第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，将所述硅盖板键合至所述晶片的正面，所述硅盖板具有凹槽的一面与所述晶片的正面相接触；所述第三凹槽的深度明显小于所述第一凹槽和所述第二凹槽的深度，优选地，本实施例中，所述第三凹槽的深度为1～10μm，以实现Z轴方向的加速度传感单元的阻尼控制。综上所述，本发明提供一种抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器，所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器由三个相互独立的加速度传感单元集成为一体的，三个方向的信号不会相互耦合干扰，每个方向的加速度信号都能准确地输出提取；Z轴方向的加速度传感单元由相互平行设置的单端固支的固支板和位于固支板固支端的相互垂直的敏感电阻构成，有效地抑制了X轴、Y轴方向的加速度的横向干扰；并且通过对敏感结构的关键尺寸进行适当的设计修改，可以获得1万g～20万g的不同量程的具有抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器；在所述抑制横向干扰的三维集成微机械加速度传感器的制作工艺来看，三个方向的加速度传感单元在结构上存在相似之处，在工艺上均为制作微机械加工的常规工艺，在工艺上能够很好的相互兼容，易于集成，制作成本较低，容易实现大规模的生产。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。