專利名稱：一種硅微機械傾角傳感器和制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動化機器人控制的傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種用于姿態(tài)監(jiān)測和控制的硅微機械傾角傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種硅微機械傾角傳感器，傳感器包括硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B、具有一級臺階的玻璃襯底(2)、電極(3)、壓敏電阻(4)A、壓敏電阻(4)B、硅應(yīng)變梁(5)，其特征在于傳感器結(jié)構(gòu)是由兩個大小不同的硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B和連接它們的兩個相互平行的硅應(yīng)變梁(5)和下面的具有一級臺階的玻璃襯底(2)構(gòu)成，玻璃臺階的高度等于硅應(yīng)變梁的最大變形量；其中傳感器上面的硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B表面均有電極(3)，兩個走向相互垂直的壓敏電阻(4)A、壓敏電阻(4)B分布在硅應(yīng)變梁(5)的兩端且四個壓敏電阻交叉對稱，傳感器下面玻璃襯底(2)的上級臺階可選任一個硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B作為固定質(zhì)量塊與其固定封接在一起；
當選左質(zhì)量塊(1)A作為自由端時，右邊的硅質(zhì)量塊(1)B作為固定質(zhì)量塊與玻璃襯底(2)的上級臺階固定封接，反之當選右質(zhì)量塊(1)B作為自由端時，左邊的硅質(zhì)量塊(1)A作為固定質(zhì)量塊與玻璃襯底(2)的上級臺階固定封接；由于硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B表面均有電極(3)，因此壓敏電阻(4)A、壓敏電阻(4)B的信號可以從選作固定硅質(zhì)量塊的一端上輸出。
所述的硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B是兩個平面尺寸不等、厚度相同、具有不同質(zhì)量的硅質(zhì)量塊，硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B的厚度為300～500微米。
所述的兩個硅應(yīng)變梁(5)的厚度均為5～30微米，它們之間相距400微米～3毫米，其平面尺寸完全相同，相互平行且完全對稱，均沿著硅晶體的方向。
所述的具有一級臺階的玻璃襯底(2)選用與硅的熱膨脹系數(shù)較為接近的硼硅玻璃。
所述的硅微機械傾角傳感器制作的方法是1)硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B所在硅片的清洗及雙面熱氧化；2)硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B所在硅片正面光刻出兩個硅應(yīng)變梁(5)上的壓敏電阻(4)A、壓敏電阻(4)B的離子注入?yún)^(qū)窗口；3)正面第一次離子注入形成電阻區(qū)；4)正面勻膠并光刻出電阻頭區(qū)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(qū)；6)采用LPCVD在雙面上淀積一層氮化硅；7)正面光刻出分離槽結(jié)構(gòu)窗口和引線孔窗口；8)背面光刻出分離槽結(jié)構(gòu)窗口；9)正面濺射Cr-Au復(fù)合金屬；10)正面光刻出Cr-Au引線和電極；11)采用各向異性濕法腐蝕或干法硅深刻蝕技術(shù)加工出硅敏感單元結(jié)構(gòu)；12)采用掩模拋光技術(shù)加工出具有一級臺階的硼硅玻璃襯底，玻璃臺階的高度等于硅應(yīng)變梁的最大變形量；13)硅敏感單元結(jié)構(gòu)與玻璃襯底(2)的上級臺階表面進行靜電封接；14)用金絲球焊機將作為固定端硅質(zhì)量塊表面的電極(3)用引線引出，并對傳感器進行外殼封裝。
本發(fā)明的有益效果是該傳感器是一種具有雙應(yīng)變梁的微機械傾角傳感器，能夠顯著提高抗側(cè)向沖擊能力并減輕側(cè)向耦合的干擾。硅應(yīng)變梁兩端的質(zhì)量塊采用不對稱設(shè)計，可根據(jù)不同需要選擇其中一個質(zhì)量塊作為自由端，另一個硅質(zhì)量塊與玻璃襯底封接在一起。不同硅應(yīng)變梁對應(yīng)位置上的兩個壓敏電阻相互垂直，分別沿著硅晶體的兩個不同晶向，可構(gòu)成差動輸出以提高靈敏度。兩個硅質(zhì)量塊上均有電極，壓敏電阻的信號可從任一端的硅質(zhì)量塊上表面引出，降低了局部引線斷裂造成信號斷路的風(fēng)險，因而可提高成品率。


圖1是硅微機械傾角傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖2是硅微機械傾角傳感器制作工藝流程圖。
圖中1.(1A、1B)硅質(zhì)量塊，2.具有一級臺階的玻璃襯底，3.電極，4.(4A、4B)壓敏電阻，5.硅應(yīng)變梁。
兩個走向相互垂直的壓敏電阻4A、壓敏電阻4B，布置在硅應(yīng)變梁5的兩端，壓敏電阻4A、壓敏電阻4B的信號可以從任一端的硅質(zhì)量塊上輸出，安裝在兩個硅應(yīng)變梁5上的四個壓敏電阻4A、壓敏電阻4B交叉對稱。
傳感器上面的硅質(zhì)量塊1A、硅質(zhì)量塊1B其中任一個可與下面的玻璃襯底2的上級臺階封接在一起，玻璃襯底2選用與硅的熱膨脹系數(shù)較為接近的硼硅玻璃。
當左質(zhì)量塊1A作為自由端時，右邊的硅質(zhì)量塊1B與玻璃襯底2的上級臺階封接，反之當右質(zhì)量塊1B作為自由端時，左邊的硅質(zhì)量塊1A與玻璃襯底2的上級臺階封接。即當一端的硅質(zhì)量塊懸空時，硅應(yīng)變梁5處于應(yīng)變狀態(tài)，其應(yīng)變大小及其分布隨著傾角的不同而相應(yīng)改變。
兩個硅應(yīng)變梁5的厚度均為5～30微米，其平面尺寸完全相同，它們之間相距400微米～3毫米，相互平行且完全對稱，均沿著硅晶體的方向。
硅質(zhì)量塊1A、硅質(zhì)量塊1B是兩個平面尺寸不等、厚度相同、具有不同質(zhì)量的硅質(zhì)量塊，硅質(zhì)量塊1A、硅質(zhì)量塊1B的厚度為300～500微米。硅微機械傾角傳感器制作的方法是硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊1B所在硅片的清洗及雙面熱氧化；硅質(zhì)量塊1A、硅質(zhì)量塊1B所在硅片正面光刻出兩個硅應(yīng)變梁5上的壓敏電阻4A、壓敏電阻4B的離子注入?yún)^(qū)窗口；正面第一次離子注入形成電阻區(qū)；正面勻膠并光刻出電阻頭區(qū)窗口；以光刻膠作為掩膜，進行第二次離子注入以形成歐姆接觸區(qū)；采用LPCVD在雙面上淀積一層氮化硅；正面光刻出分離槽結(jié)構(gòu)窗口和引線孔窗口；背面光刻出分離槽結(jié)構(gòu)窗口；正面濺射Cr-Au復(fù)合金屬；正面光刻出Cr-Au引線和電極3；采用各向異性濕法腐蝕或干法硅深刻蝕技術(shù)加工出硅敏感單元結(jié)構(gòu)；采用掩模拋光技術(shù)加工出具有一級臺階的硼硅玻璃襯底2，玻璃臺階的高度等于硅應(yīng)變粱的最大變形量；硅敏感單元結(jié)構(gòu)與玻璃襯底2的上級臺階表面進行靜電封接；用金絲球焊機將作為固定端硅質(zhì)量塊表面的電極3用引線引出，并對傳感器進行外殼封裝。
權(quán)利要求
1.一種硅微機械傾角傳感器，傳感器包括硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B、具有一級臺階的玻璃襯底(2)、電極(3)、壓敏電阻(4)A、壓敏電阻(4)B、硅應(yīng)變梁(5)，其特征在于傳感器結(jié)構(gòu)是由兩個大小不同的硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B和連接它們的兩個相互平行的硅應(yīng)變梁(5)和下面的具有一級臺階的玻璃襯底(2)構(gòu)成，玻璃臺階的高度等于硅應(yīng)變梁的最大變形量；其中傳感器上面的硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B表面均有電極(3)，兩個走向相互垂直的壓敏電阻(4)A、壓敏電阻(4)B，布置在硅應(yīng)變梁(5)的兩端且四個壓敏電阻交叉對稱，傳感器下面的玻璃襯底(2)的上級臺階可選任一個硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B作為固定質(zhì)量塊與其固定封接在一起；當選左質(zhì)量塊(1)A作為自由端時，右邊的硅質(zhì)量塊(1)B作為固定質(zhì)量塊與玻璃襯底(2)的上級臺階固定封接，反之當選右質(zhì)量塊(1)B作為自由端時，左邊的硅質(zhì)量塊(1)A作為固定質(zhì)量塊與玻璃襯底(2)的上級臺階固定封接；由于硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B表面均有電極(3)，因此壓敏電阻(4)A、壓敏電阻(4)B的信號可以從選作固定封接硅質(zhì)量塊的一端上輸出；所述的硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B是兩個平面尺寸不等、厚度相同、具有不同質(zhì)量的硅質(zhì)量塊，硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B的厚度為300～500微米；所述的兩個硅應(yīng)變梁(5)的厚度均為5～30微米，它們之間相距400微米～3毫米，其平面尺寸完全相同，相互平行且完全對稱，均沿著硅晶體的方向；所述的具有一級臺階的玻璃襯底(2)選用與硅的熱膨脹系數(shù)較為接近的硼硅玻璃。
2.一種如權(quán)利要求1所述的硅微機械傾角傳感器制作的方法，其特征在于1)硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B所在硅片的清洗及雙面熱氧化；2)硅質(zhì)量塊(1)A、硅質(zhì)量塊(1)B所在硅片正面光刻出兩個硅應(yīng)變梁(5)上的壓敏電阻(4)A、壓敏電阻(4)B的離子注入?yún)^(qū)窗口；3)正面第一次離子注入形成電阻區(qū)；4)正面勻膠并光刻出電阻頭區(qū)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(qū)；6)采用LPCVD在雙面上淀積一層氮化硅；7)正面光刻出分離槽結(jié)構(gòu)窗口和引線孔窗口；8)背面光刻出分離槽結(jié)構(gòu)窗口；9)正面濺射Cr-Au復(fù)合金屬；10)正面光刻出Cr-Au引線和電極(3)；11)采用各向異性濕法腐蝕或干法硅深刻蝕技術(shù)加工出硅敏感單元結(jié)構(gòu)；12)采用掩模拋光技術(shù)加工出具有一級臺階的硼硅玻璃襯底(2)，玻璃臺階的高度等于硅應(yīng)變梁的最大變形量；13)硅敏感單元結(jié)構(gòu)與玻璃襯底(2)的上級臺階表面進行靜電封接；14)采用金絲球焊機將作為固定端硅質(zhì)量塊表面的電極(3)用引線引出，并對傳感器進行外殼封裝。
全文摘要
一種用于姿態(tài)監(jiān)測和控制的硅微機械傾角傳感器和制作方法，所述的傳感器由兩個大小不同的硅質(zhì)量塊和連接它們的兩個相互平行的硅應(yīng)變梁和下面的具有一級臺階的玻璃襯底構(gòu)成。傳感器上部的兩個硅質(zhì)量塊表面均有電極，兩個硅應(yīng)變梁上的四個壓敏電阻交叉對稱，不同硅應(yīng)變梁對應(yīng)位置上的兩個壓敏電阻相互垂直，分別沿著硅晶體的兩個不同晶向，可構(gòu)成差動輸出以提高靈敏度。硅應(yīng)變梁兩端的質(zhì)量塊采用不對稱設(shè)計，可根據(jù)不同需要選擇其中一個質(zhì)量塊作為自由端，另一個為固定質(zhì)量塊與玻璃襯底的上級臺階固定封接在一起。具有雙應(yīng)變梁的微機械傾角傳感器，能夠顯著提高抗側(cè)向沖擊能力并減輕側(cè)向耦合的干擾，結(jié)構(gòu)簡單，其制作工藝較容易實現(xiàn)。
文檔編號G01C9/06GK1475771SQ03132188
公開日2004年2月18日 申請日期2003年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月5日
發(fā)明者孔德義, 梅濤, 張濤, 倪林, 孫斐, 陶永春 申請人:中國科學(xué)院合肥智能機械研究所