專利名稱：硅微機械兩維傾角傳感器芯片及制作方法
技術領域：
本發明涉及自動化機器人控制的傳感器領域，特別涉及一種用于姿態監測和控制的硅微機械兩維傾角傳感器芯片及制作方法。
背景技術：
傾角傳感器是一種用于姿態監測和控制的傳感器，在衛星、導彈、坦克、火炮、飛機、汽車、艦船、地質石油勘探、建筑施工、機器人的陸地和水下作業等各種軍事及民用領域有極為廣泛的應用。傳統的傾角傳感器有水泡式、液體擺式、電容式、電感式、電位器式、氣體擺式等，大都只能檢測一維的角度變化，并且尺寸較大，不適用于對體積和重量有一定限制的領域。在能實現檢測二維角度變化的傾角傳感器中，大多采用了氣體擺式、雙軸式、磁流體式等結構。最近通過專利局檢索中心檢索到專利相關文件2004年上海薛水良申請的實用新型專利《一種光電角度傳感器》授權公告為CN 2752725Y。該專利是一種光電測量轉角的傳感器，利用凸輪形光柵輪擺動，改變硅電池的光通量，不是利用硅微機械技術檢測傾角的相關專利。
通過檢索非專利文獻檢索到U.Mescheder，S.Majer發表在《Sensors andActuators》A60(1997)雜志的文獻《Micromechanical inclinometer》，該文獻中提出一種硅微機械雙軸質量塊傾角傳感器，通過離子注入在硅梁上制作壓敏電阻，組成電橋，測量兩個方向的傾角。但其制作工藝復雜，用KOH體刻蝕技術，需凸角補償，使實際結構和設計尺寸有較大誤差。KOH腐蝕有一傾角，這大大減小了質量塊的體積，使靈敏度降低，而且也使傳感器陣列密度受到限制。需要分別進行濃硼和濃磷離子注入，使壓敏電阻難以精確控制，分布不均，橋路失衡。
發明內容
本發明的目的是研制出一種新的、體積小的、陣列密度高，同時能測量兩個方向傾角、制作工藝簡單的高靈敏度硅微機械兩維傾角傳感器芯片及制作方法。
本發明的技術方案是一種硅微機械兩維傾角傳感器，所述傳感器包括硼硅玻璃襯底、電極、蝶形質量塊、外圍框架、硅應變梁L1、L2、L3、L4；壓敏電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，特別是所述傳感器核心由一個可動的蝶形質量塊，成“十”字型結構的四個硅應變梁L1、L2、L3、L4構成，所述的應變梁L1、L2、L3、L4連接蝶形質量塊和外圍框架，所述的硼硅玻璃襯底和外圍框架通過封接技術進行固定連接，具有過載限位保護功能的硼硅玻璃襯底凹陷的深度應大于硅應變梁的變形量，傳感器在傾斜狀態時，所述的蝶形質量塊在重力作用下，使硅應變梁L1、L2、L3、L4產生應力；所述的蝶形質量塊的厚度與外圍框架的厚度相同，等于硅片的厚度，為300～600微米；所述的壓敏電阻R1、R2布置在硅應變梁L1的兩端，壓敏電阻R3、R4布置在硅應變梁L2的兩端，壓敏電阻R5、R6布置在硅應變梁L3的兩端，壓敏電阻R7、R8布置在硅應變梁L4的兩端；在傳感器傾斜時，硅應變梁產生應力改變壓敏電阻阻值；壓敏電阻R1、R2、R3、R4組成一個全橋電路，檢測繞Y方向的傾角，壓敏電阻R5、R6、R7、R8組成另一個全橋電路，檢測繞X方向的傾角。
所述的每個硅應變梁的尺寸一致，其厚度為5～20微米，長度為500～2000微米，寬度為50～300微米；所述的硼硅玻璃襯底的特征是其熱膨脹系數與硅接近；所述的電極分別與壓敏電阻電連接，把電信號傳到外圍電路，其電極個數根據具體情況確定。
作為對現有技術的進一步改進，所述的蝶形質量塊的形狀不限制于每個角是方形，其形狀特征是能充分充滿外圍框架內部的空間。
一種硅微機械兩維傾角傳感器的制作方法，包括熱氧化、光刻、硼離子注入、感應耦合等離子體干法刻蝕、硼硅玻璃濕法腐蝕、靜電封接、引線焊接、芯片封裝，特別是所述的感應藕合等離子體干法刻蝕技術對硅片進行正面刻蝕確定硅應變梁L1、L2、L3、L4的厚度，并和反面感應藕合等離子體干法釋放硅應變梁L1、L2、L3、L4和蝶形質量塊使之與外圍框架分離，其步驟是1.硅片清洗及雙面熱氧化；2.硅片正面光刻并腐蝕出硅應變梁L1、L2、L3、L4上的八個敏感電阻區窗口；3.正面第一次離子注入形成電阻區；
4.正面勻膠并光刻出電阻頭窗口；5.光刻膠作為掩膜，進行第二次離子注入以形成歐姆接觸區；6.以氧化層作掩膜，正面光刻并刻蝕出引線孔窗口及正面硅應變梁L1、L2、L3、L4窗口；7.雙面蒸發鍍金屬；8.背面光刻并刻蝕出硅應變梁L1、L2、L3、L4和外圍框架窗口；9.正面光刻并刻蝕出金屬引線和電極；10.合金化，完成歐姆接觸；11.正面感應藕合等離子體干法刻蝕出硅應變梁L1、L2、L3、L4結構，并控制厚度；12.背面感應藕合等離子體干法刻蝕出間隙，釋放結構；13.與玻璃襯底進行靜電封裝；14.金絲球焊引線并進行外封裝。
本發明的有益效果是相對于現有技術中提出一種硅微機械雙軸質量塊傾角傳感器，通過離子注入在硅梁上制作壓敏電阻，組成電橋，測量兩個方向的傾角。其不足之處是其制作工藝復雜，用KOH體刻蝕技術有一傾角，減小了質量塊的體積，使靈敏度降低，傳感器陣列密度受到限制，需要分別進行濃硼和濃磷離子注入，使壓敏電阻難以精確控制，造成硅梁的殘余應力大，增加非線性。
本發明的傳感器由一個可動的蝶形質量塊、成“十”字型結構的四個硅應變梁以及具有過載限位保護功能的硼硅玻璃襯底構成。該傳感器芯片能同時檢測出繞X和Y兩個方向的傾角變化。每個單晶硅應變梁在敏感位置布置兩個壓阻敏感電阻，對應兩個梁上的四個敏感電阻構成全橋輸出，檢測傾角變化。由此可見本發明的硅微機械兩維傾角傳感器，結構簡單、體積小、陣列密度高，同時能測量兩個方向傾角、制作工藝簡單的高靈敏度硅微機械兩維傾角傳感器芯片。其制作方法采用感應藕合等離子體干法刻蝕，能夠有效地增加質量塊體積提高靈敏度和精確控制應變梁厚度，提高傳感器芯片的陣列密度，利于提高成品率并降低成本。同時采用離子注入工藝對壓敏電阻區的均勻摻雜，注入劑量精確可控，壓敏電阻的一致性好，離子注入形成的電阻區結深較淺，這樣壓敏電阻就能充分利用最大應變表層，因此具有較高的靈敏度。
圖1是硅微機械兩維傾角傳感器芯片結構示意圖；圖2是硅微機械兩維傾角傳感器芯片制作方法流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作進一步解釋圖1是硅微機械兩維傾角傳感器芯片結構示意圖；圖1中，1為硼硅玻璃襯底，2為電極，3為蝶形質量塊，4為外圍框架。
硅微機械兩維傾角傳感器核心由一個可動的蝶形質量塊3、成“十”字型結構的四個硅應變梁L1、L2、L3、L4構成，硅應變梁連接蝶形質量塊3和外圍框架4，硼硅玻璃襯底1和外圍框架4通過封接技術進行固定，具有過載限位保護功能的硼硅玻璃襯底1凹陷的深度應大于應變梁的最大變形量。
蝶形質量塊3的厚度與外圍框架4的厚度相同，等于硅片的厚度，為300～600微米。蝶形質量塊3的形狀為四個角是方形，與外圍框架4距離50～100微米。
壓敏電阻R1、R2布置在硅應變梁L1的兩端，壓敏電阻R3、R4布置在硅應變梁L2的兩端，壓敏電阻R5、R6布置在硅應變梁L3的兩端，壓敏電阻R7、R8布置在硅應變梁L4的兩端。壓敏電阻R1、R2、R3、R4組成一個全橋電路，壓敏電阻R5、R6、R7、R8組成另一個全橋電路，每個阻值大小一樣，為1～10千歐姆。
每個硅應變梁的尺寸完全一致，其厚度為5～20微米，長度為500～2000微米，寬度為50～300微米。
硼硅玻璃襯底1熱膨脹系數為2.2～2.5×10-6/K。
圖2是硅微機械兩維傾角傳感器芯片制作方法流程圖。在圖2中，硅微機械兩維傾角傳感器制作流程是首先蝶形質量塊3和外圍框架4所在的硅片清洗及雙面熱氧化(步驟100)；然后正面光刻并腐蝕出硅應變梁L1、L2、L3、L4上的八個敏感電阻區窗口，并第一次離子注入形成電阻區，正面勻膠并以光刻膠為掩膜光刻出電阻頭窗口，進行第二次離子注入以形成歐姆接觸區(步驟110)；接著雙面熱氧化并以氧化層作掩膜，正面光刻并刻蝕出引線孔窗口及正面硅應變梁L1、L2、L3、L4窗口，雙面蒸發鍍鋁(步驟120)；而后背面光刻并刻蝕出硅應變梁L1、L2、L3、L4和外圍框架4窗口，正面光刻并刻蝕出鋁引線和電極2，合金化完成歐姆接觸(步驟130)；正面感應藕合等離子體干法刻蝕出硅應變梁L1、L2、L3、L4結構，并控制厚度(步驟140)；背面感應藕合等離子體干法刻蝕出間隙，釋放結構(步驟150)；最后敏感結構與玻璃襯底進行靜電封裝(步驟160)；金絲球焊引線并進行外封裝(步驟170)。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明的硅微機械兩維傾角傳感器芯片及制作方法進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1，一種硅微機械兩維傾角傳感器，所述傳感器包括硼硅玻璃襯底(1)，電極(2)，蝶形質量塊(3)，外圍框架(4)，硅應變梁L1、L2、L3、L4；壓敏電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，其特征在于所述傳感器核心由一個可動的蝶形質量塊(3)，成“十”字型結構的四個硅應變梁L1、L2、L3、L4構成，所述的應變梁L1、L2、L3、L4連接蝶形質量塊(3)和外圍框架(4)，所述的硼硅玻璃襯底(1)和外圍框架(4)通過封接技術進行固定連接，具有過載限位保護功能的硼硅玻璃襯底(1)凹陷的深度應大于硅應變梁的變形量，傳感器在傾斜狀態時，所述的蝶形質量塊(3)在重力作用下，使硅應變梁L1、L2、L3、L4產生應力；所述的蝶形質量塊(3)的厚度與外圍框架(4)的厚度相同，等于硅片的厚度，為300～600微米；所述的壓敏電阻R1、R2布置在硅應變梁L1的兩端，壓敏電阻R3、R4布置在硅應變梁L2的兩端，壓敏電阻R5、R6布置在硅應變梁L3的兩端，壓敏電阻R7、R8布置在硅應變梁L4的兩端；在傳感器傾斜時，硅應變梁產生應力改變壓敏電阻阻值；壓敏電阻R1、R2、R3、R4組成一個全橋電路，檢測繞Y方向的傾角，壓敏電阻R5、R6、R7、R8組成另一個全橋電路，檢測繞X方向的傾角；所述的每個硅應變梁的尺寸一致，其厚度為5～20微米，長度為500～2000微米，寬度為50～300微米；所述的硼硅玻璃襯底(1)的特征是其熱膨脹系數與硅接近；所述的電極(2)分別與壓敏電阻電連接，把電信號傳到外圍電路。
2，根據權利要求1所述的硅微機械兩維傾角傳感器，所述的蝶形質量塊(3)的形狀不限制于每個角是方形，其形狀特征是能充分充滿外圍框架(4)內部的空間。
3，根據權利要求1所述的硅微機械兩維傾角傳感器，所述的分別與壓敏電阻電連接電極(2)的個數根據硅應變梁布線情況確定。
4，一種如權利要求1所述的硅微機械兩維傾角傳感器的制作方法，包括熱氧化、光刻、硼離子注入、感應耦合等離子體干法刻蝕、硼硅玻璃濕法腐蝕、靜電封接、引線焊接、芯片封裝，其特征在于所述的感應藕合等離子體干法刻蝕技術對硅片進行正面刻蝕確定硅應變梁L1、L2、L3、L4的厚度和反面感應藕合等離子體干法釋放硅應變梁L1、L2、L3、L4和蝶形質量塊(3)使之與外圍框架(4)分離，其步驟是1.硅片清洗及雙面熱氧化；2.硅片正面光刻并腐蝕出硅應變梁L1、L2、L3、L4上的八個敏感電阻區窗口；3.正面第一次離子注入形成電阻區；4.正面勻膠并光刻出電阻頭窗口；5.光刻膠作為掩膜，進行第二次離子注入以形成歐姆接觸區；6.以氧化層作掩膜，正面光刻并刻蝕出引線孔窗口及正面硅應變梁L1、L2、L3、L4窗口；7.雙面蒸發鍍金屬；8.背面光刻并刻蝕出硅應變梁L1、L2、L3、L4和外圍框架(4)窗口；9.正面光刻并刻蝕出金屬引線和電極(2)；10.合金化，完成歐姆接觸；11.正面感應藕合等離子體干法刻蝕出硅應變梁L1、L2、L3、L4結構，并控制厚度；12.背面感應藕合等離子體干法刻蝕出間隙，釋放結構；13.與玻璃襯底進行靜電封裝；14.金絲球焊引線并進行外封裝。
全文摘要
本發明公開了一種硅微機械兩維傾角傳感器芯片及制作方法，所述的傳感器由一個可動的蝶形質量塊、成“十”字型結構的四個硅應變梁以及具有過載限位保護功能的硼硅玻璃襯底構成。該傳感器芯片能同時檢測出X和Y兩個方向的傾角變化。每個單晶硅應變梁在敏感位置布置兩個壓阻敏感電阻，對應兩個梁上的四個敏感電阻構成全橋輸出，檢測傾角變化。制作方法采用感應藕合等離子體干法刻蝕，有效地增加質量塊體積和精確控制應變梁厚度，提高傳感器芯片的陣列密度，制作工藝簡單，容易實現。離子注入工藝對壓敏電阻區的摻雜，壓敏電阻的一致性好，離子注入形成的電阻區結深較淺，這樣壓敏電阻就能充分利用最大應變表層，因此具有較高的靈敏度。
文檔編號B81C1/00GK1970431SQ20061009813
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月28日 優先權日2006年11月28日
發明者單建華, 孔德義, 梅濤, 張正勇, 陳池來, 方麗, 林丙濤 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院