CN1523360A - 微型热流加速度计及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型热流加速度计及其制造方法，涉及传感器领域中的一种加速度计。它由密闭的单晶硅片、加热丝、温度传感器、内外腔体、检测电路等部件构成。它以气体为敏感介质、利用气体自然对流在加速度作用下发生改变的原理，测量某一坐标轴或同时测量两个坐标轴方向加速度的一种微传感器。它的加热丝和温度传感器悬固在硅腔体上面。加热丝产生的热场在有加速度时发生改变，通过检测电路检测温度传感器的温度变化从而测量出加速度值。本发明无检验质量块、弹性梁或应变梁等活动部件，因此它具有性能可靠，工艺简单成熟，制造成本低廉，采用微机械加工技术便于批量生产等特点，特别适用于智能炮弹、汽车、玩具等场合作加速度传感器。

Description

微型热流加速度计及其制造方法

技术领域

本发明涉及传感器领域中的一种微型热流加速度计及其制造方法，特别适用于智能炮弹、汽车、玩具等场合中作加速度传感器。

背景技术

由于加速度计能够测量加速度、速度、位移和倾斜度等物理量，它被广泛应用于惯性制导、微型卫星、自动控制、导航、GPS、汽车安全系统以及虚拟游戏机等诸多领域。一些机械和电子器件都能进行加速度的测量，如压电式、压阻式、电容式、隧道效应式，然而人们仍然希望能提供比当前器件成本更低、更可靠的加速度计。

微机电系统(MEMS)是指用微电子等批量加工工艺制造的集微机械与微电子等部件于一体的微系统，它可以分成多个独立的功能单元，输入的物理或化学信号由传感器转换为电信号，经过信号处理后，通过执行器与外界作用。MEMS的特点和优点是显而易见的：体积小、重量轻、性能稳定、通过工C等工艺可批量生产、成本低、性能一致性好、功耗低、谐振频率高、响应时间短、综合集成度高、附加值高、具有多种能量转化、传输等功能的效应等。

现有的加速度计中，压电加速度计包括一个在加速时产生电动势的压电或晶体材料，它一般用于测量振动，通常不适于恒定加速度的测量。压阻式加速度计由能在加速度下产生拉伸的机械材料构成，它将一个压电电阻放在产生拉伸的位置，从而获得由于加速度所产生的电信号，这种加速度计能在合适的成本下测量恒定的高加速度，然而它仅能在有限温度范围内使用，对环境温度也相当敏感。电容式加速度计是利用两块平行平板在加速相互靠近并产生电容变化而实现其功能的，电容的变化可以通过电子线路进行测量，可以做的很小，但是需要探测和测量的微小信号的电子线路。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种采用微机械加工工艺制作成结构简单、无活动质量块部件的微型热流加速度计及其制造方法，并且本发明还具有体积小、重量轻、成本低、加工成品率高、性能可靠、抗冲击能力强等特点。

本发明的目的是这样实现的，本发明制造方法包括步骤：

①在单晶硅片2上采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相沉积工艺淀积一层氮化硅膜或二氧化硅膜8；

②在氮化硅膜或二氧化硅膜8上涂一层光刻胶13，采用光刻工艺光刻形成加热丝6、温度传感器7的电阻结构图形；

③用磁控溅射工艺在光刻胶13、氮化硅膜或二氧化硅膜8上依次溅射第一层铬或钛黏附层、第二层金属温敏电阻、第三层金层14；

④将单晶硅2放入酒精容器内，采用超声剥离工艺剥离掉加热丝6和温度传感器7的电阻结构图形以外的第一层铬或钛等黏附层、第二层金属温敏电阻、第三层金层14，形成加热丝6、温度传感器7电阻结构图形；

⑤采用光刻工艺及碘化钾湿法腐蚀工艺，腐蚀掉加热丝6、温度传感器7电阻结构图形上的金层，形成加热丝6、温度传感器7温敏电阻结构；

⑥采用硅各向异性湿法腐蚀工艺腐蚀单晶硅片2，单晶硅片2腐蚀加工形成内腔体1结构，氮化硅膜或二氧化硅膜8上的加热丝6、温度传感器7通过氮化硅膜或二氧化硅膜8悬空固定在内腔体1上，形成管芯结构；

⑦管芯结构用导电胶粘接在管壳4底面上，单晶硅片2与管壳4和壳帽5之间形成外腔体3；

⑧用储能焊将壳帽5封装在管壳4上，封装壳帽5时，内腔体1和外腔体3内填充工作气体，完成微型热流加速度计加工。

本发明微型热流加速度计，它包括单晶硅片2、管壳4、壳帽5，其特征在于还包括：内腔体1、外腔体3、加热丝6、1至4对温度传感器7-1至7-4、氮化硅膜或二氧化硅膜8、检测电路9，其中单晶硅片2表面上采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相沉积工艺淀积加工一层氮化硅膜或二氧化硅膜8，采用光刻工艺在氮化硅膜或二氧化硅膜8上加工形成加热丝6、1至4对温度传感器7-1至7-4电阻结构图形，用磁控溅射工艺在氮化硅膜或二氧化硅膜8上依次溅射第一层铬或钛黏附层、第二层金属温敏电阻、第三层金层14，用超声剥离工艺剥离掉加热丝6、1至4对温度传感器7-1至7-4电阻结构图形以外的第一层铬或钛等黏附层、第二层金属温敏电阻、第三层金层14，形成加热丝6、温度传感器7电阻结构图形，用碘化钾湿法腐蚀溶液腐蚀掉加热丝6、温度传感器7电阻图形上的第三层金层，形成加热丝6、温度传感器7温敏电阻结构，采用硅各向异性湿法腐蚀单晶硅片2加工形成内腔体1结构，加热丝6、温度传感器7温敏电阻结构通过氮化硅膜或二氧化硅膜8悬空固定在腔体1上面，形成管芯结构，管芯结构用导电胶粘接在管壳4底面上，单晶硅片2与管壳4和壳帽5之间形成外腔体3结构，封帽5和管壳4用储能焊密封粘接；管壳4和壳帽5之间形成的内腔体1、外腔体3内填充工作气体，检测电路9通过导线与1至4对温度传感器7-1至7-4连接，加热丝6通过导线与恒压源连接。

本发明温度传感器7用温敏电阻、或热电耦、热电堆制作。加热丝6和温度传感器7的金属温敏电阻可采用铂、或钨、镍铬合金制作，加热丝6和温度传感器7也可采用多晶硅电阻制作。内腔体1、外腔体3内填充的工作气体采用氮气、或氦气、氩气、氙气、氪气、二氧化碳气体。加热丝6制作成折线形、或矩形、方形、圆形电阻丝结构形状。加热丝6上、下、左、右对称等距离加工安装四对温度传感器7构成双轴结构加速度计，或加热丝6两侧对称等距离加工安装两对温度传感器7构成单轴结构加速度计。

本发明检测电路9由1至4对温度传感器7-1至7-4连接成桥式电路、差分放大器10、恒压源11、恒流源12构成，其中两对温度传感器7构成一组桥式电路，恒压源11两端分别与加热丝6两端连接形成热场，恒流源12一端与温度传感器7-1入端1脚或温度传感器7-3入端5脚和温度传感器7-2入端12脚或温度传感器7-4入端13脚并接，恒流源12另一端与温度传感器7-1入端3脚或温度传感器7-3入端7脚和温度传感器7-2入端10脚或温度传感器7-4入端15脚并接，温度传感器7-1入端4脚或温度传感器7-3入端8脚和温度传感器7-2入端11脚或温度传感器7-4入端14脚与差分放大器10入端2脚并接，温度传感器7-2入端9脚或温度传感器7-4入端16脚和温度传感器7-1入端2脚或温度传感器7-3入端6脚与差分放大器10入端1脚并接，差分放大器10出端3脚外接端口A、入端4脚接地端、入端5脚接电源入端+V电压端。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1.本发明采用四对或两对温度传感器构成双轴或单轴加速度计，而且两轴的性能一致性很好，交叉耦合小于1‰。

2.本发明制造的加速度计无活动部件，具有极高的抗冲击能力，可以达到材料本身的抗冲击强度，抗冲击强度大于50000g。

3.本发明采用微机械加工工艺制作，因此具有体积小，重量轻，结构简单，生产工艺简易成熟，加工成品率高，成本低，便于批量生产。

附图说明

图1  是本发明双轴加速度计主视结构示意图。

图2  是本发明双轴加速度计主视图的俯视结构示意图。

图3  是本发明检测电路9的电原理图。

图4  是本发明制作工艺加工流程图。

图5  是本发明温度传感器7的热电偶结构示意图。

图6  是本发明单轴加速度计结构示意图。

具体实施方式

参照图1至图6，本发明实施方法包括步骤(如图4)：

(1)在单晶硅片2上采用通用的化学气相淀积设备的低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相沉积工艺淀积一层氮化硅膜或二氧化硅膜8，(如图4-1)。实施例采用低压化学气相淀积工艺淀积一层氮化硅膜。

(2)在氮化硅膜或二氧化硅膜8上用涂胶机涂一层正胶AZ1500型光刻胶13，采用通用光刻机的光刻工艺光刻形成加热丝6、温度传感器7的电阻结构图形，(如图4-2)。

(3)用磁控溅射工艺在光刻胶13、氮化硅膜或二氧化硅膜8上依次溅射第一层铬或钛黏附层、第二层金属温敏电阻、第三层金层14，(如图4-3)。实施例溅射第一层铬层，第一层铬层上溅射第二层铂层，作为加热丝6和温度传感器7的电阻层。

(4)将单晶硅2放入酒精容器内，采用超声剥离工艺剥离掉加热丝6和温度传感器7的电阻结构图形以外的第一层铬或钛等黏附层、第二层金属温敏电阻、第三层金层14，形成加热丝6、温度传感器7电阻结构图形，(如图4-4)，实施例采用超声工艺剥离第一层铬层、第二层铂层、第三层金层14。

(5)采用通用光刻机的光刻工艺及碘化钾溶液湿法腐蚀工艺，腐蚀掉加热丝6、温度传感器7电阻结构图形上的第三层金层，形成加热丝6、温度传感器7温敏电阻结构。

(6)采用氢氧化钾溶液的硅各向异性湿法腐蚀工艺腐蚀单晶硅片2，单晶硅片2腐蚀加工形成内腔体1结构，氮化硅膜或二氧化硅膜8上的加热丝6、温度传感器7通过氮化硅膜或二氧化硅膜8悬空固定在内腔体1上，形成管芯结构(如图4-5)。

(7)管芯结构用导电胶粘接在管壳4底面上，放入180℃烘箱中固化2小时。

(8)用储能焊将壳帽5封装在管壳4上，单晶硅片2与管壳4和壳帽5之间形成外腔体3结构，封装壳帽5时，内腔体1和外腔体3内填充工作气体为氮气、或氦气、氩气、氙气、氪气、二氧化碳气体，实施例内外腔体1、3内填充工作气体为氮气，完成微型热流加速度计加工。

本发明微型热流加速度计，它包括内腔体1、单晶硅片2、外腔体3、管壳4、壳帽5、加热丝6、1至4对温度传感器7-1至7-4、氮化硅膜或二氧化硅膜8、检测电路9，(如图1、图2)。

温度传感器7加工制作成温敏电阻、或热电耦、热电堆，作用是检测加速度形成的温度变化，从而达到测量加速度的目的，(如图5)。加热丝6制作成折线形、或矩形、方形、圆形电阻丝结构形状，作用形成热场，实施例采用矩形电阻丝结构制作。加热丝6上、下、左、右对称等距离加工安装四对温度传感器7构成双轴结构加速度计，可同时测量上下、左右方向的加速度(如图1、图2)，或加热丝6两侧对称等距离加工安装两对温度传感器7构成单轴结构加速度计，测量一个方向的加速度(如图6)。

本发明检测电路9由1至4对温度传感器7-1至7-4连接成桥式电路、差分放大器10、恒压源11、恒流源12构成(如图3)，恒压源11作用是激励加热丝6形成热场，检测温度传感器7的温度变化，输出加速度信号，图3是检测电路9实施例的电原理图，并按其连接线路，差分放大器10、恒压源11、恒流源12实施例自制而成。

本发明简要工作原理如下：

加热丝6加热使其周围的气体温度升高、密度减小，腔体1、3内的气体发生对流。位于加热丝6相等距离上的两对温度传感器7用来测量加热器两边的温度差。器件封装在密封管壳4内防止外部气流对器件的影响。加速度计的敏感方向为加热丝6和温度传感器7平面内与温度传感器7垂直的方向。敏感方向无加速度时，加热丝6水平两边相等位置上的温度相等，两个温度传感器7的输出相等；敏感方向有加速度时，腔体1、3内的气体在外加速度的作用下对流，加热丝6水平两边相等位置上出现温度差，两对温度传感器7的输出就产生差异。两对温度传感器7构成电桥结构。这样外界的加速度信号就可以转化为电桥的输出电压信号，测出加速度值。

Claims (8)

1.一种微型热流加速度计制造方法，其特征在于包括步骤：

①在单晶硅片(2)上采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相沉积工艺淀积一层氮化硅膜或二氧化硅膜(8)；

②在氮化硅膜或二氧化硅膜(8)上涂一层光刻胶(13)，采用光刻工艺光刻形成加热丝(6)、温度传感器(7)的电阻结构图形；

③用磁控溅射工艺在光刻胶(13)、氮化硅膜或二氧化硅膜(8)上依次溅射第一层铬或钛黏附层、第二层金属温敏电阻、第三层金层(14)；

④将单晶硅(2)放入酒精容器内，采用超声剥离工艺剥离掉加热丝(6)和温度传感器(7)的电阻结构图形以外的第一层铬或钛等黏附层、第二层金属温敏电阻、第三层金层(14)，形成加热丝(6)、温度传感器(7)电阻结构图形；

⑤采用光刻工艺及碘化钾湿法腐蚀工艺，腐蚀掉加热丝(6)、温度传感器(7)电阻结构图形上的金层，形成加热丝(6)、温度传感器(7)温敏电阻结构；

⑥采用硅各向异性湿法腐蚀工艺腐蚀单晶硅片(2)，单晶硅片(2)腐蚀加工形成内腔体(1)结构，氮化硅膜或二氧化硅膜(8)上的加热丝(6)、温度传感器(7)通过氮化硅膜或二氧化硅膜(8)悬空固定在内腔体(1)上，形成管芯结构；

⑦管芯结构用导电胶粘接在管壳(4)底面上，单晶硅片(2)与管壳(4)和壳帽(5)之间形成外腔体(3)；

⑧用储能焊将壳帽(5)封装在管壳(4)上，封装壳帽(5)时，内腔体(1)和外腔体(3)内填充工作气体，完成微型热流加速度计加工。

2.一种微型热流加速度计，它包括单晶硅片(2)、管壳(4)、壳帽(5)，其特征在于还包括：内腔体(1)、外腔体(3)、加热丝(6)、1至4对温度传感器(7-1)至(7-4)、氮化硅膜或二氧化硅膜(8)、检测电路(9)，其中单晶硅片(2)表面上采用低压化学气相淀积工艺或等离子增强化学气相沉积工艺淀积加工一层氮化硅膜或二氧化硅膜(8)，采用光刻工艺在氮化硅膜或二氧化硅膜(8)上加工形成加热丝(6)、1至4对温度传感器(7-1)至(7-4)电阻结构图形，用磁控溅射工艺在氮化硅膜或二氧化硅膜(8)上依次溅射第一层铬或钛黏附层、第二层金属温敏电阻、第三层金层(14)，用超声剥离工艺剥离掉加热丝(6)、1至4对温度传感器(7-1)至(7-4)电阻结构图形以外的第一层铬或钛等黏附层、第二层金属温敏电阻、第三层金层(14)，形成加热丝(6)、温度传感器(7)电阻结构图形，用碘化钾湿法腐蚀溶液腐蚀掉加热丝(6)、温度传感器(7)电阻图形上的第三层金层，形成加热丝(6)、温度传感器(7)温敏电阻结构，采用硅各向异性湿法腐蚀单晶硅片(2)加工形成内腔体(1)结构，加热丝(6)、温度传感器(7)温敏电阻结构通过氮化硅膜或二氧化硅膜(8)悬空固定在腔体(1)上面，形成管芯结构，管芯结构用导电胶粘接在管壳(4)底面上，单晶硅片(2)与管壳(4)和壳帽(5)之间形成外腔体(3)结构，封帽(5)和管壳(4)用储能焊密封粘接；管壳(4)和壳帽(5)之间形成的内腔体(1)、外腔体(3)内填充工作气体，检测电路(9)通过导线与1至4对温度传感器(7-1)至(7-4)连接，加热丝(6)通过导线与恒压源连接。

3.根据权利要求2所述的微型热流加速度计及其制造方法，其特征在于温度传感器(7)用温敏电阻、或热电耦、热电堆制作。

4.根据权利要求3所述的微型热流加速度计及其制造方法，其特征在于加热丝(6)和温度传感器(7)的金属温敏电阻可采用铂、或钨、镍铬合金制作，加热丝(6)和温度传感器(7)也可采用多晶硅电阻制作。

5.根据权利要求4所述的微型热流加速度计及其制造方法，其特征在于内腔体(1)、外腔体(3)内填充的工作气体采用氮气、或氦气、氩气、氙气、氪气、二氧化碳气体。

6.根据权利要求5所述的微型热流加速度计及其制造方法，其特征在于加热丝(6)制作成折线形、或矩形、方形、圆形电阻丝结构形状。

7.根据权利要求6所述的微型热流加速度计及其制造方法，其特征在于加热丝(6)上、下、左、右对称等距离加工安装四对温度传感器(7)构成双轴结构加速度计，或加热丝(6)两侧对称等距离加工安装两对温度传感器(7)构成单轴结构加速度计。

8.根据权利要求7所述的微型热流加速度计及其制造方法，其特征在于检测电路(9)由1至4对温度传感器(7-1)至(7-4)连接成桥式电路、差分放大器(10)、恒压源(11)、恒流源(12)构成，其中两对温度传感器(7)构成一组桥式电路，恒压源(11)两端分别与加热丝(6)两端连接形成热场，恒流源(12)一端与温度传感器(7-1)入端1脚或温度传感器(7-3)入端5脚和温度传感器(7-2)入端12脚或温度传感器(7-4)入端13脚并接，恒流源(12)另一端与温度传感器(7-1)入端3脚或温度传感器(7-3)入端7脚和温度传感器(7-2)入端10脚或温度传感器(7-4)入端15脚并接，温度传感器(7-1)入端4脚或温度传感器(7-3)入端8脚和温度传感器(7-2)入端11脚或温度传感器(7-4)入端14脚与差分放大器(10)入端2脚并接，温度传感器(7-2)入端9脚或温度传感器(7-4)入端16脚和温度传感器(7-1)入端2脚或温度传感器(7-3)入端6脚与差分放大器(10)入端1脚并接，差分放大器(10)出端3脚外接端口A、入端4脚接地端、入端5脚接电源入端+V电压端。

Images