[发明专利](111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于硅微机械传感器领域，涉及一种(111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器及制作方法。

背景技术

随着MEMS技术迅猛发展，伴随着硅微机械加工技术的日趋成熟，基于硅微机械加工技术制作的加速度计以其具有体积小、成本低、性能高和适合于大批量生产等优点，现已广泛应用于不同领域并发挥着重要作用,如：汽车安全气囊、碰撞测试、消费类电子产品、地震波检测、军用惯性技术导航以及机器人产业及自动化控制等各种运动监控工程。其中，爆炸、冲击以及侵彻弹引信是其中一种非常特殊的应用，它需要检测的加速度可以达到数万g水平甚至更高。因此，要求加速度传感器不仅要具有高的灵敏度,更重要的是加速度传感器自身结构应该具有良好的高强度抗冲击能力，从而保证加速度传感器在能够检测到所需要的信号前不至于因为高强度冲击而损坏散失工作能力。

目前，随着自动化控制程度的进一步深入，许多现代化自动控制领域都要求感知待检测装置的三轴加速度信号。因此，相对于单轴加速度传感器，三轴加速度传感器具有更大的应用前景和更巨大的市场潜力。当前，三轴加速度检测主要采用以下两种途径来解决：(1)利用3个独立单轴加速度传感器安装在互相垂直的3个方向上实现三轴加速度信号检测；(2)采用单片集成的三轴加速度传感器实现三轴加速度信号检测。对于第一种解决方案，由于采用3个独立的加速度传感器，因此这种方式不仅存在成本高、体积大等不利因素，而且传感器在安装过程中不容易保证三轴之间的安装精度。对于第二种方案不仅大大缩小了加速度传感器芯片尺寸、降低的芯片制作成本，而且安装过程相对要容易很多。

但是，传统单片集成的三轴加速度传感器多采用三明治结构(即：玻璃-硅-硅或硅-硅-硅三层键合结构方式)，其中，中间层为加速度传感器的结构层，上、下两层分别为加速度传感器盖板和支撑基板。这种单片集成的三轴加速度传感器结构不仅整体芯片尺寸偏大、制作工艺复杂、成本高；而且多层材料键合过程中，键合工艺和不同键合材料之间热膨胀系数不同所导致的残余应力会严重恶化到加速度传感器的输出稳定性，从而大大降低传感器的综合检测性能。此外，这种多层键合的加速度传感器结构由于整体芯片体积过大且多层键合结构进一步恶化的传感器整体结构强度，因此这种采用多层结构方式的加速度传感器很难用于超高g值(>7万g)加速度检测。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种(111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器及制作方法，用于解决现有技术中的三轴微机械加速度传感器难以满足超高g量程(>7万g)检测，以及存在的高成本、大尺寸、低强度和制作工艺复杂的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种(111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器，所述(111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器包括：(111)单硅片和均集成于所述(111)单硅片上的X轴、Y轴和Z轴方向的三个相互独立的加速度传感单元，所述X轴、Y轴和Z轴方向的加速度传感单元集成于所述(111)单硅片的同一表面上；其中，所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的结构相同，均包括第一悬臂梁、位于所述第一悬臂梁上的第一压力敏感电阻和位于所述第一悬臂梁两侧的第一可动间隙；所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的彼此相互垂直分布，且其敏感方向在所述(111)单硅片的平面方向；所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元内的所述第一压力敏感电阻分别相互连接成检测电路；所述Z轴方向的加速度传感单元包括第二悬臂梁、位于所述第二悬臂梁上的第二压力敏感电阻、位于所述(111)单硅片表面的参考电阻和位于所述第二悬臂梁下表面与所述(111)单硅片之间的第二可动间隙；所述Z轴方向的加速度传感单元的敏感方向为所述(111)单硅片的垂直方向；所述第二压力敏感电阻与所述参考电阻相互连接成检测电路。

优选地，所述第二悬臂梁的长度方向为<211>晶向，所述第二悬臂梁与所述X轴方向的加速度传感单元内的所述第一悬臂梁及所述Y轴方向的加速度传感单元内的所述第一悬臂梁的夹角均为45°。

优选地，所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元均包括两根所述第一悬臂梁，每根所述第一悬臂梁上均设有两个所述第一压力敏感电阻；所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的四个所述第一压力敏感电阻分别连接成惠斯通全桥检测电路。