CN102193002A - 加速度传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种用于检测地震、地音的加速度传感器及其制造方法，所述加速度传感器包括组成阵列式的若干个子结构，每一个子结构包括质量块、与质量块在横向上相互连接的锚点及可相互之间在横向上产生相对位移的梳齿；所述若干个子结构在横向上通过第一支撑结构相互连接，并且所述若干个子结构在垂直横向的纵向上通过第二支撑结构相互连接。所述加速度传感器可以通过连接各个子结构之间的第一、第二支撑结构来进行应力释放，从而提高了灵敏度。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种加速度传感器及其制造方法，尤其一种应用于地震勘测装置的加速度传感器及其制造方法。
【背景技术】
传统的地震检波器为电磁感应式检波器，其通过电磁感应的方式将振动信号转换为模拟电信号输出，该方式也是现今应用最普遍的检波器。区别于传统检波器，以MEMS技术为核心的数字检波器近年来取得了飞速发展，为地震检波器技术带来新的突破。随着MEMS技术的发展及数字检波器测试技术的不断成熟和完善，数字地震检波器必将是长期发展的必然趋势。MEMS技术以硅材料为基底，结合微机械加工工艺和IC工艺进行加工，是集微型传感器、执行器、信号处理器以及控制电路、接口电路、通信电路和电源为一体的微型机电系统。
由MEMS加速度传感器构成的地震检波器以感应加速度的变化，并通过闭环力反馈的形式将振动信号转换成高精度数字信号输出。加速度传感器可以等效为由质量块m、弹簧k与阻尼c组成的二阶振动系统，而由于地震波引起的加速度量级较小，因此要求设计动态范围大、分辨率高以及噪声小的检波器。从结构设计的角度出发，若要提高分辨率并希望器件本身噪声较小，可以通过两个途径来实现：1)提高品质因数，即采用真空封装的形式。2)增加质量块m的大小。
采用真空封装技术的典型产品为Sercel公司的MEMS加速度传感器，其Q值为10000，真空封装压强小于1mTorr。该产品采用梳齿结构实现电容检测，其优点为梳齿结构的加速度传感器工艺简单、成熟，缺点是高真空封装下，系统的稳定启动时间长，但是，现有的真空封装技术不是很成熟，不利于批量生产。
此外，梳齿加工工艺由于应力、应力梯度以及结构重力等因素影响，难以加工出大尺寸的单一质量块结构。迄今为止，国内目前尚未有类似产品或结构设计的相关文献。现有的大质量块结构的典型产品为Colibrys公司的Si-FlexTM系列检波器。然而，其工艺较为复杂，通常要采用湿法腐蚀浓硼自停止、硅玻璃三层键合或者硅硅四层键合等技术。
所以有必要设计出一种加速度传感器及其制造方法以解决上述技术问题。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于提供一种灵敏度较高的加速度传感器及其制造该加速度传感器的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种加速度传感器，包括组成阵列式的若干个子结构，每一个子结构包括质量块、与质量块在横向上相互连接的锚点及可相互之间在横向上产生相对位移的梳齿；所述若干个子结构在横向上通过第一支撑结构相互连接，并且所述若干个子结构在垂直横向的纵向上通过第二支撑结构相互连接。
进一步地，所述每一个子结构包括位于锚点一侧的支撑部，所述梳齿包括与质量块连接的活动梳齿及与支撑部连接的第一、第二固定梳齿，所述活动梳齿在横向上位于第一、第二固定梳齿之间。
进一步地，所述每一个子结构包括分别与质量块及锚点连接的第一、第二短梁，及位于第一、第二短梁之间且与第一、第二短梁连接的连接梁。
进一步地，所述连接梁为“S”形弹性梁或“U”形弹性梁或方框形弹性梁。
进一步地，所述质量块为方框形，包括在纵向上间隔设置的第一、第二连接部及在横向上间隔设置的第三、第四连接部，所述活动梳齿连接于第一、第二连接部上，所述第一短梁连接于第三、第四连接部上。
进一步地，所述第一支撑结构为横向上弹性、纵向上刚性的结构，所述第二支撑结构为横向上刚性、纵向上弹性的结构。
进一步地，所述第二支撑结构为“Z”形梁或“U”形梁或方框形梁，所述弹性结构均设有沿横向延伸的狭槽。
进一步地，所述每一个子结构均相同。
为解决上述技术问题，本发明还可以采用如下技术方案：一种制造上述加速度传感器的方法，包括如下步骤：
(a).提供SOI硅片作为基片；
(b).在SOI硅片的正面溅射或蒸发铝，并光刻后腐蚀出铝线；
(c).在SOI硅片的正面涂覆光刻胶，并光刻出刻蚀开口，再利用深反应离子刻蚀出加速度传感器的部分结构层；
(d).将SOI硅片放入缓冲氧化物中蚀刻，得到加速度传感器的可动结构层，并去除光刻胶。
进一步地，所述铝的厚度为1微米。
相较于现有技术，本发明加速度传感器可以通过连接各个子结构之间的第一、第二支撑结构来进行应力释放，从而提高了灵敏度。另外，本发明加速度传感器的加工工艺简单，利于产业化发展。
【附图说明】
图1是本发明加速度传感器的俯视示意图。
图2是图1所示的加速度传感器的子结构示意图。
图3是本发明加速度传感器的子结构于第二实施方式中的示意图。
图4是本发明加速度传感器的子结构于第三实施方式中的示意图。
图5是本发明加速度传感器的部分子结构之间横向连接的示意图。
图6是本发明加速度传感器的部分子结构之间纵向连接的示意图。
图7是本发明加速度传感器的制备流程示意图。
【具体实施方式】
请参图1所示，本发明加速度传感器100包括组成阵列式的若干个子结构1-9，所述若干个子结构1-9在横向(X轴方向)上通过第一支撑结构相互连接，并且所述若干个子结构1-9在沿垂直横向的纵向(Y轴方向)上通过第二支撑结构相互连接。本发明加速度传感器100用以检测X轴的加速度。在本发明加速度传感器100的实施方式中，所述阵列采用3*3的正方形阵列，包含九个子结构1-9，并通过第一、第二支撑结构连成一个整体。当然，阵列的设置并不局限于3*3的正方形阵列，在其他实施方式中，根据设计需求也可以采用不同的排列方式，如3*2的长方形阵列或4*4的正方形阵列等。
由于所有子结构1-9的结构均相同，以下仅对子结构1进行详细说明。请参图2所示，所述子结构1包括方框形质量块11、与质量块11在横向上相互连接的锚点15、位于锚点15两侧的支撑部14a、14b及可相互之间在横向上产生相对位移的梳齿16。所述质量块11包括相互平行且在纵向上间隔设置的第一、第二连接部11a、11b，及在横向上间隔设置的第三、第四连接部11c、11d。所述梳齿16包括分别连接于第一、第二连接部11a、11b上的若干活动梳齿12a、12b、连接于支撑部14a上的第一、第二固定梳齿13a、13c，及连接于支撑部14b上的第三、第四固定梳齿13b、13d，其中活动梳齿12a在横向上位于第一、第二固定梳齿13a、13c之间，活动梳齿12b在横向上位于第三、第四固定梳齿13b、13d之间。所述活动梳齿12a与第一、第二固定梳齿13a、13c之间，及活动梳齿12b与第三、第四固定梳齿13b、13d之间在横向上可产生相对位移，用以检测X轴方向上的加速度(容后详述)。
所述第三、第四连接部11c、11d通过四个第一短梁16a、16b、16c、16d、四个第二短梁17a、17b、17c、17d及两个连接梁10a、10b与锚点15连接。所述连接梁10a连接第一短梁16a、16b及第二短梁17a、17b且位于它们之间。所述连接梁10b连接第一短梁16c、16d及第二短梁17c、17d且位于它们之间。所述连接梁10b具有弹性，主要目的是实现在其运动方向(本实施方式中为X轴方向)的弹性较大，其余方向的刚度较大，以实现对运动方向加速度检测的同时，抑制其他方向加速度的干扰。在本实施方式中，所述连接梁10a、10b大致为“S”形弹性梁，其设有两个沿纵向延伸的狭槽10c。请参图3及图4所示，在其他实施方式中，所述连接梁10a、10b也可以为“U”形弹性梁20a、20b或方框形弹性梁21a、21b。“U”形弹性梁20a、20b及方框形弹性梁21a、21b同样分别设有沿纵向延伸的狭槽20c及21c。
在子结构1中，锚点15与支撑部14a、14b固定在衬底(未图示)上，其余部分悬浮于衬底上方，为可动部分。当X轴向加速度作用于子结构1上时，在连接梁10a、10b的支撑下，质量块11带动活动梳齿12a、12b在X轴向产生一定位移。活动梳齿12a、12b与对应的第一、第二固定梳齿13a、13c及第三、第四固定梳齿13b、13d之间的电容量就相应的产生变化，通过检测该电容的变化量就能测得加速度值。结合现有加工工艺，活动梳齿12a、12b与第一、第二固定梳齿13a、13c及第三、第四固定梳齿13b、13d可通过变间距、差分的形式对称排布于质量块11的两端。如图2所示，当有沿X轴正方向的加速度作用在子结构1上时，活动梳齿12a与第一固定梳齿13a及活动梳齿12b与第三固定梳齿13b之间的间距变大；而活动梳齿12a与第二固定梳齿13c及活动梳齿12b与第四固定梳齿13d之间的间距变小，从而形成差分输出形式。
请参图5所示，本发明加速度传感器100通过第一支撑结构在横向上连接子结构1与子结构2。由于图1所示的加速度传感器100整体结构在X轴方向弹性较大，在一定程度上释放了X轴方向上的应力。第一支撑结构为横向上弹性、纵向上刚性的结构(在本实施方式中为短梁18)，作为横向上相邻两个质量块11的连接部分，也可以起到释放应力的作用。类似地，子结构2与子结构3、子结构4与子结构5等的质量块11在横向上也通过短梁18相连。短梁18的具体形状、尺寸、个数及连接方式等可以根据具体要求灵活设计。
请参图6所示，本发明加速度传感器100通过第二支撑结构在纵向上连接子结构1与子结构4的质量块11。所述第二支撑结构为横向上刚性、纵向上弹性的结构。由于图1所示的加速度传感器100整体结构在Y轴方向的刚度较大，该纵向上弹性的结构可以较好地释放Y轴方向的应力。所述第二支撑结构为“Z”形梁19或“U”形梁22或方框形梁23(与图3及图4所示的“U”形弹性梁20a、20b及方框形弹性梁21a、21b结构类似)。所述第二支撑结构均设有沿横向延伸的狭槽24，使第二支撑结构在纵向具有较好的弹性。类似地，子结构2与子结构5、子结构3与子结构6等的质量块11在纵向上也通过纵向上弹性的结构相连。
图7揭示了本发明加速度传感器100的制造方法，包括以下步骤：
(a).提供SOI硅片作为基片，所述SOI硅片包括底层硅层A1、顶层硅层A2及夹层二氧化硅层A3；
(b).在SOI硅片的正面溅射或蒸发铝，厚度为1微米，光刻后腐蚀出铝线A4；
(c).在SOI硅片的正面涂覆光刻胶，光刻出刻蚀开口A5，深反应离子刻蚀(DRIE)出加速度传感器100的部分结构层；
(d).将SOI硅片放入缓冲氧化物蚀刻(BOE)，得到加速度传感器100的可动结构层，并去除光刻胶。
相较于现有技术，在相同尺寸条件下，本发明阵列式加速度传感器100与单个质量块以及单个支撑系统结构形式的加速度传感器相比，可以通过质量块11之间的第一、第二支撑结构来进行应力释放，从而提高了灵敏度。同时，本发明阵列式加速度传感器100采用了将若干个子结构1-9并联成一个整体的形式，从而增大了输出信号。另外，本发明加速度传感器100整体结构的质量比较大，在一定程度上降低了布朗热噪声，同时通过真空封装技术，以实现高分辨率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，不应以此限制本发明的范围，即凡是依本发明权利要求书及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种加速度传感器，其特征在于：包括组成阵列式的若干个子结构，每一个子结构包括质量块、与质量块在横向上相互连接的锚点及可相互之间在横向上产生相对位移的梳齿；所述若干个子结构在横向上通过第一支撑结构相互连接，并且所述若干个子结构在垂直横向的纵向上通过第二支撑结构相互连接。
2.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：所述每一个子结构包括位于锚点一侧的支撑部，所述梳齿包括与质量块连接的活动梳齿及与支撑部连接的第一、第二固定梳齿，所述活动梳齿在横向上位于第一、第二固定梳齿之间。
3.如权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于：所述每一个子结构包括分别与质量块及锚点连接的第一、第二短梁，及位于第一、第二短梁之间且与第一、第二短梁连接的连接梁。
4.如权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于：所述连接梁为“S”形弹性梁或“U”形弹性梁或方框形弹性梁。
5.如权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于：所述质量块为方框形，包括在纵向上间隔设置的第一、第二连接部及在横向上间隔设置的第三、第四连接部，所述活动梳齿连接于第一、第二连接部上，所述第一短梁连接于第三、第四连接部上。
6.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：所述第一支撑结构为横向上弹性、纵向上刚性的结构，所述第二支撑结构为横向上刚性、纵向上弹性的结构。
7.如权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于：所述第二支撑结构为“Z”形梁或“U”形梁或方框形梁。
8.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：所述每一个子结构均相同。
9.一种制造权利要求1加速度传感器的方法，包括如下步骤：
(a).提供SOI硅片作为基片；
(b).在SOI硅片的正面溅射或蒸发铝，并光刻后腐蚀出铝线；
(c).在SOI硅片的正面涂覆光刻胶，并光刻出刻蚀开口，再利用深反应离子刻蚀出加速度传感器的部分结构层；
(d).将SOI硅片放入缓冲氧化物中蚀刻，得到加速度传感器的可动结构层，并去除光刻胶。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述铝的厚度为1微米。
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