一种声表面波谐振器型热对流式双轴加速度计结构的制作方法

本实用新型涉及一种加速度传感器结构，尤其涉及一种声表面波谐振器型热对流式双轴加速度计结构，属于微机电（MEMS）传感技术领域。

背景技术：

MEMS( micro-electrical mechanical system，微机电系统) 加速度计以其功耗低、体积小、成本低、可批量生产等优点在汽车、消费电子、医疗、机器人以及国防等众多领域中得到了广泛应用。常规上，加速度计均包含一个惯性质量块，通过测量质量块在外加速度作用下产生的状态变化而感测此加速度。但质量块的存在会带来诸如抗冲击能力低、制作工艺复杂等缺点。

气流式惯性传感器采用气体介质代替固体质量块作为敏感载体，实现加速度等惯性量的检测。由于所包含气体介质的质量很小，避免引入惯性力的作用，具有结构简单，制作方法简单、成本低等优点，适用于大过载装备，并可通过多轴、多惯性量的系统组合实现综合感测功能，而热对流式加速度计则是其中应用较为广泛的一种。

Dao等、Luo等以及Leung等相继提出应用热对流原理感测加速度或者倾角的传感器结构（Convective accelerometer and inclinometer, US Patent 5581034, 1996; Micro-machined accelerometer with no proof mass, in Technical Digest of International Electron Device Meeting, pp. 899–902,1997; Study on linearity of a micro-machined convective accelerometer, Microelectronic Engineering, 65:87–101, 2001），其主要结构包括一个刻蚀在衬底上的微腔，微腔中部设置加热器，至少两个温度传感器分置在加热器的外侧。其主要原理是当未对结构施加加速度时，微腔中呈现对称的温度分布，而当施加一个横向加速度，微腔中的气体产生非对称的热对流，在各个温度传感器间产生温度差，该温度差正比于所施加的加速度的大小。

现有热对流加速度计，大多采用惠斯通电桥形式的热敏电阻或热电堆作为其温度传感元件，输出的感测量为电阻、电压或电流等模拟值，分辨率不高，精度低，不便于进行进一步的数字化处理。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于克服上述缺陷，研制一种声表面波谐振器型热对流式双轴加速度计结构。

本实用新型的目的是这样实现的，一种声表面波谐振器型热对流式双轴加速度计结构，其特征是：包括基板、顶面绝缘层、底面绝缘层、加热器，顶面绝缘层、底面绝缘层分别设置在基板的上表面和下表面，加热器设置在基板的中部；所述基板顶面绝缘层上对称分布于加热器上端面四侧设有4个同频率的声表面波谐振器；所述底面绝缘层上设有输入信号电极、输出信号电极、接地电极；所述基板封接有封帽，顶面绝缘层四边设有封接区，基板为正方形基板；

所述加热器包括圆形加热板、加热电极、加热地电极、中心电极、环形电极，圆形加热板嵌于基板顶面正中基板顶面绝缘层内，中心电极、环形电极贯穿基板和顶面绝缘层、底面绝缘层，且环形电极环绕中心电极，加热电极、加热地电极设置于基板底面绝缘层上；所述圆形加热板通过中心电极和环形电极与加热电极和加热地电极相连，所述环形电极与中心电极之间由包含第一绝缘层、基板层、第二绝缘层的复合隔离层隔离，所述环形电极与基板侧壁之间由第三绝缘层隔离，所述第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层的两端分别与基板的顶面绝缘层和底面绝缘层相接；

所述声表面波谐振器包括1个叉指换能器、分置于叉指换能器两侧的2个反射器和压电薄膜块，所述叉指换能器包括叉指阵列及其两端的输入汇流电极、输出汇流电极，所述反射器包括短路反射指阵列及其两端的接地汇流电极，所述压电薄膜块制作在基板顶面绝缘层上，所述叉指阵列和短路反射指阵列制作在压电薄膜块上，所述输入汇流电极、输出汇流电极和接地汇流电极制作在压电薄膜块两侧的基板顶面绝缘层上；所述基板上设有贯穿基板、顶面绝缘层、底面绝缘层的金属过孔；输入汇流电极、输出汇流电极和接地汇流电极分别通过贯穿基板和顶面绝缘层、底面绝缘层的金属过孔与基板底面的输入信号电极、输出信号电极和接地电极相连，金属过孔与基板侧壁之间由过孔绝缘层隔离，所述过孔绝缘层的两端分别与基板顶面绝缘层和底面绝缘层相接；

所述封帽为外方内圆截面的半中空结构，所述基板顶面绝缘层的四边覆盖金属层形成封接区，封接区与封帽下端面同形，封帽的下端面与基板顶面四边的封接区键合，形成一个圆柱形截面的立体封闭微腔。

所述基板的材料为硅单晶，所述顶面绝缘层、底面绝缘层、第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层、过孔绝缘层的材料为二氧化硅或者氮化硅。

所述圆形加热板的材料为多晶硅。

所述中心电极、环形电极、加热电极和加热地电极的材料为铜。

所述封帽的材料为硅。

所述封接区的材料为金。

所述压电薄膜块的材料为氧化锌、或者氮化铝。

所述声表面波谐振器的叉指换能器和反射器的材料为铝、铝铜合金、铜、或者金。

所述输入信号电极、输出信号电极、接地电极的材料为铜。

本实用新型结构合理简单、生产制造容易、使用方便，通过本实用新型，一种声表面波谐振器型热对流式双轴加速度计结构，包括正方形基板，制作在基板上下表面的顶面绝缘层和底面绝缘层，制作在基板中部的加热器，制作在基板顶面绝缘层上且对称分布在加热器上端面四侧的4个同频率的声表面波谐振器，制作在基板底面绝缘层上的输入信号电极、输出信号电极、接地电极，制作在基板顶面绝缘层四边的封接区，封接在基板顶面上的封帽；

所述加热器包括嵌于基板顶面正中基板顶面绝缘层内的圆形加热板、贯穿基板和顶面绝缘层、底面绝缘层的中心电极、环绕中心电极且贯穿基板和顶面绝缘层、底面绝缘层的环形电极、制作于基板底面绝缘层上的加热电极和加热地电极，所述圆形加热板通过中心电极和环形电极与加热电极和加热地电极相连，所述环形电极与中心电极之间由包含第一绝缘层、基板层、第二绝缘层的复合隔离层隔离，所述环形电极与基板侧壁之间由第三绝缘层隔离，所述第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层的两端分别与基板的顶面绝缘层和底面绝缘层相接；

所述声表面波谐振器包括1个叉指换能器、分置于叉指换能器两侧的2个反射器和压电薄膜块，所述叉指换能器包括叉指阵列及其两端的输入汇流电极、输出汇流电极，所述反射器包括短路反射指阵列及其两端的接地汇流电极，所述压电薄膜块制作在基板顶面绝缘层上，所述叉指阵列和短路反射指阵列制作在压电薄膜块上，所述输入汇流电极、输出汇流电极和接地汇流电极制作在压电薄膜块两侧的基板顶面绝缘层上，输入汇流电极、输出汇流电极和接地汇流电极分别通过贯穿基板和顶面绝缘层、底面绝缘层的金属过孔与基板底面的输入信号电极、输出信号电极和接地电极相连，金属过孔与基板侧壁之间由过孔绝缘层隔离，所述过孔绝缘层的两端分别与基板顶面绝缘层和底面绝缘层相接；

所述封帽为外方内圆截面的半中空结构，所述基板顶面绝缘层的四边覆盖金属层形成封接区，所述封接区与封帽下端面同形，所述封帽的下端面与基板顶面四边的封接区键合，形成一个圆柱形截面的立体封闭微腔；

所述基板的材料为硅单晶，所述顶面绝缘层、底面绝缘层、第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层、过孔绝缘层的材料为二氧化硅或者氮化硅，所述圆形加热板的材料为多晶硅，所述中心电极、环形电极、加热电极和加热地电极的材料为铜，所述封帽的材料为硅，所述封接区的材料为金；

所述压电薄膜块的材料为氧化锌、或者氮化铝，所述声表面波谐振器的叉指换能器和反射器的材料为铝、或者铝铜合金、或者铜、或者金，所述输入信号电极、输出信号电极（36）、接地电极的材料为铜。

利用上述声表面波谐振器型热对流式双轴加速度计结构进行双轴加速度感测的原理和方法为：

通过加热电极和加热地电极给加热器通电使圆形加热盘发热，结合硅质封帽的导热作用，在封闭微腔内形成中心对称的热流和温度梯度分布；

当未对结构施加加速度时，封闭微腔内保持原有的中心对称的温度梯度分布不变，封闭微腔中对称分置于基板顶面绝缘层上加热器四侧的4个声表面波谐振器感应到相同的温度，输出相同频率的谐振信号；

当对结构施加水平横向或者水平纵向加速度时，封闭微腔内的气体热流受科里奥力的作用产生与加速度方向相反的偏移，微腔内的横向温度梯度或纵向温度梯度呈现非对称分布，沿横向或者纵向设置的一对声表面波谐振器感应到不同的温度，输出不同频率的谐振信号，其频率差正比于所施加的加速度的大小；

通过基板底面的输入信号电极、输出信号电极、接地电极将各个声表面波谐振器与外部放大器、移相器和频率检测仪器相连构成相应的振荡电路；

测量与不同位置处的声表面波谐振器对应的振荡电路输出振荡信号的频率，依据与沿横向或者纵向设置的一对声表面波谐振器对应的振荡电路输出振荡信号的频率差值及其符号，即可确定施加于结构上的双轴加速度的大小和方向；

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

（1）采用声表面波谐振器作为温度传感元件，输出量为准数字的谐振频率或振荡频率，分辨率高、测量精度高，便于对测量结果作进一步的数字化处理；

（2）采用硅单晶基板，便于与信号处理电路集成；

（3）采用常规的微机械加工工艺，并采用正方形基板和封帽结构，便于采用圆片级封装技术，适合于批量化生产。

附图说明

图1是本实用新型中基板顶面结构示意图；

图2是本实用新型中基板底面结构示意图；

图3是本实用新型中声表面波谐振器结构示意图；

图4是本实用新型中基板上声表面波谐振器所在区域的结构剖视图；

图5是本实用新型中加热器结构示意图；

图6是本实用新型中基板上加热器所在区域的结构剖视图；

图7是本实用新型封装后结构剖视图。

图中：1基板、2加热器、3声表面波谐振器、4封帽、11顶面绝缘层、12底面绝缘层、13封接区、21圆形加热板、22中心电极、23环形电极、24加热电极、25加热地电极、26第一绝缘层、27第二绝缘层、28第三绝缘层、31叉指换能器、32反射器、33压电薄膜块、34金属过孔、35输入信号电极、36输出信号电极、37接地电极、41封闭微腔、311叉指阵列、312输入汇流电极、313输出汇流电极、321短路反射指阵列、322接地汇流电极。

具体实施方式

以下结合附图以及附图说明对本实用新型作进一步的说明。

一种声表面波谐振器型热对流式双轴加速度计结构，包括基板1、顶面绝缘层11、底面绝缘层12、加热器2，顶面绝缘层11、底面绝缘层12分别设置在基板1的上表面和下表面，加热器2设置在基板1的中部；基板1顶面绝缘层11上对称分布于加热器2上端面四侧设置4个同频率的声表面波谐振器3；在底面绝缘层12上设置输入信号电极35、输出信号电极36、接地电极37；基板1封接有封帽4，顶面绝缘层11四边设置于封接区13，基板1为正方形基板。

所述加热器2包括圆形加热板21、加热电极24、加热地电极25、中心电极22、环形电极23，圆形加热板21嵌于基板1顶面正中基板顶面绝缘层11内，中心电极22、环形电极23贯穿基板1和顶面绝缘层11、底面绝缘层12，且环形电极23环绕中心电极22，加热电极24、加热地电极25设置于基板1底面绝缘层12上；所述圆形加热板21通过中心电极22和环形电极23与加热电极24和加热地电极25相连，所述环形电极23与中心电极22之间由包含第一绝缘层26、基板1层、第二绝缘层27的复合隔离层隔离，所述环形电极23与基板1侧壁之间由第三绝缘层28隔离，所述第一绝缘层26、第二绝缘层27、第三绝缘层28的两端分别与基板1的顶面绝缘层11和底面绝缘层12相接。

所述声表面波谐振器3包括1个叉指换能器31、分置于叉指换能器31两侧的2个反射器32和压电薄膜块33，所述叉指换能器31包括叉指阵列311及其两端的输入汇流电极312、输出汇流电极313，所述反射器32包括短路反射指阵列321及其两端的接地汇流电极322，所述压电薄膜块33制作在基板顶面绝缘层11上，所述叉指阵列311和短路反射指阵列321制作在压电薄膜块33上，所述输入汇流电极312、输出汇流电极313和接地汇流电极322制作在压电薄膜块33两侧的基板顶面绝缘层11上；所述基板1上设置有贯穿基板1、顶面绝缘层11、底面绝缘层12的金属过孔34；输入汇流电极312、输出汇流电极313和接地汇流电极322分别通过贯穿基板1和顶面绝缘层11、底面绝缘层12的金属过孔34与基板1底面的输入信号电极35、输出信号电极36和接地电极37相连，金属过孔34与基板1侧壁之间由过孔绝缘层341隔离，所述过孔绝缘层341的两端分别与基板1顶面绝缘层11和底面绝缘层12相接；

所述封帽4为外方内圆截面的半中空结构，所述基板1顶面绝缘层11的四边覆盖金属层形成封接区13，封接区13与封帽4下端面同形，封帽4的下端面与基板1顶面四边的封接区13键合，形成一个圆柱形截面的立体封闭微腔41。

进一步的，基板1的材料为硅单晶，顶面绝缘层11、底面绝缘层12、第一绝缘层26、第二绝缘层27、第三绝缘层28、过孔绝缘层341的材料为二氧化硅或者氮化硅。圆形加热板21的材料为多晶硅。中心电极22、环形电极23、加热电极24和加热地电极25的材料为铜。

所述封帽4的材料为硅。所述封接区13的材料为金。所述压电薄膜块33的材料为氧化锌、或者氮化铝。所述声表面波谐振器3的叉指换能器31和反射器32的材料为铝、铝铜合金、铜、或者金。所述输入信号电极35、输出信号电极36、接地电极37的材料为铜。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，一种声表面波谐振器型热对流式双轴加速度计结构，包括正方形硅单晶基板，覆盖在基板顶面和顶面的二氧化硅绝缘层，制作在基板中部的加热器，制作在基板顶面绝缘层上且对称分布在加热器上端四侧的4个相同谐振频率的声表面波谐振器，制作在基板底面绝缘层上的铜质输入电极、输出电极、接地电极、加热电极、加热地电极，制作在基板上分别连接各个声表面波谐振器的输入汇流电极、输出汇流电极、接地汇流电极与基板底面的输入信号电极、输出信号电极、接地电极的铜质金属过孔，封接在基板顶面的硅质封帽，内含圆柱体形凹槽的硅质封帽与基板顶面四边的金质封接区共熔键合形成一个圆柱体形的封闭微腔。