CN116609550B - Mems加速度计及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供一种MEMS加速度计及其制备方法。MEMS加速计包括：衬底；支撑柱，设置于衬底；第一连接梁，设置于支撑柱背离衬底的一侧；第二连接梁，设置于衬底并与第一连接梁相对间隔设置；感应元件和质量块，均设置于第二连接梁；双材料弹性支撑组件，位于第一连接梁和第二连接梁之间，两端分别与第一连接梁和第二连接梁连接，双材料弹性支撑组件由两个不同膨胀系数的材料制作形成。本公开的MEMS加速度计，能有效降低加速度计在承受较大加速度时第二连接梁发生断裂的可能性，具有一定的抗过载能力；另外，还可以避免质量块在未受到加速度时发生位移，从而抑制加速度计的零漂现象；最后，还可以实现对加速度计的温漂补偿。
Description
技术领域
本公开属于传感器技术领域，具体涉及一种MEMS加速度计及其制备方法。
背景技术
加速度计可以将加速度信号转化为电信号从而便于测量，它在工业控制、航空航天、汽车电子等领域应用广泛。基于MEMS
技术制造的加速度计具有体积小、精度高、易集成等优点。MEMS压阻式加速度计具有良好的线性度和可靠性、外围电路简单等优点,因而成为高量程微加速度计设计的首选,广泛应用于冲击环境的测量。典型的MEMS压阻式加速度计通常采用质量块加连接梁的结构。当外界加速度施加在质量块上时，质量块带动连接梁产生应变，位于连接梁上的压敏电阻的阻值发生改变，经过惠斯通电桥转化为电信号输出。但是MEMS压阻式加速度计普遍存在温漂问题，即由于温度发生变化，压敏电阻的电阻率会发生变化，进而压敏电阻的阻值发生变化，导致传感器的输出精度降低。此外，传统MEMS加速度计为了实现高灵敏度，连接梁普遍设置得较为细长，因此机械强度不高，抗过载能力较差，限制了加速度计的应用范围
发明内容
本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种MEMS加速度计及其制备方法。
本公开的一方面，提供一种MEMS加速度计，所述MEMS加速计包括：
衬底；
支撑柱，所述支撑柱设置于所述衬底；
第一连接梁，所述第一连接梁设置于所述支撑柱背离所述衬底的一侧；
第二连接梁，设置于所述衬底并与所述第一连接梁相对间隔设置；
感应元件和质量块，所述感应元件和所述质量块均设置于所述第二连接梁；
双材料弹性支撑组件，所述双材料弹性支撑组件位于所述第一连接梁和所述第二连接梁之间，所述双材料弹性支撑组件的两端分别与所述第一连接梁和所述第二连接梁连接，所述双材料弹性支撑组件由两个不同膨胀系数的材料制作形成。
在一些可选地实施方式中，所述双材料弹性支撑组件包括：
弹性件，所述弹性件的第一端与所述第一连接梁连接，所述弹性件的第二端与所述第二连接梁连接；
至少一组双材料层，所述双材料层包括依次层叠设置的第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和所述第二材料层的两端均分别与所述弹性件连接，并且，所述第一材料层的膨胀系数大于所述第二材料层的膨胀系数。
在一些可选地实施方式中，所述双材料弹性支撑组件包括相对间隔设置的两组双材料层；
朝向所述第一连接梁一侧的一组双材料层中的第一材料层远离所述第一连接梁设置，第二材料层靠近所述第一连接梁设置；
朝向所述第二连接梁一侧的一组双材料层中的第一材料层远离所述第二连接梁设置，第二材料层靠近所述第二连接梁设置。
在一些可选地实施方式中，所述质量块位于所述衬底的中央区域，所述第二连接梁围绕所述质量块设置，并分别位于所述质量块的各边的中央区域处。
在一些可选地实施方式中，所述双材料弹性支撑组件与所述感应元件对应设置。
在一些可选地实施方式中，所述MEMS加速度计包括四个感应元件；
所述四个感应元件均分别位于对应的所述第二连接梁背离所述衬底的一侧，并且其中两个位于所述第二连接梁靠近所述质量块的一侧，其余两个位于所述第二连接梁远离所述质量块的一侧。
在一些可选地实施方式中，所述第一材料层采用Al、Cu、Au和Mo材料中的一者制作形成；和/或，
所述第一材料层的厚度范围为100nm～2000nm。
在一些可选地实施方式中，所述第二材料层采用单晶硅、多晶硅、二氧化硅和氮化硅中的一者制作形成；和/或，
所述第二材料层的厚度范围为100nm～2000nm。
在一些可选地实施方式中，所述感应元件采用压敏电阻。
本公开的另一方面，提供一种MEMS加速度计的制备方法，所述方法包括：
提供衬底和第一连接梁；
在所述衬底的上表面形成第二连接梁和质量块图形；
在所述衬底的背面释放第二连接梁和质量块；
对第二连接梁进行P型掺杂，形成感应元件；
在所述第二连接梁上制备双材料弹性支撑组件；其中，所述双材料弹性支撑组件由两个不同膨胀系数的材料制作形成；
在所述衬底的上表面形成与所述双材料弹性支撑组件高度相匹配的支撑柱；
将第一连接梁的下表面与所述支撑柱和所述双材料弹性支撑组件的上表面结合在一起，得到所述MEMS加速度计。
本公开实施例的MEMS加速度计及其制备方法，通过所设置的双材料弹性支撑组件，其对所述第二连接梁的活动空间起限制作用，从而有效降低加速度计在承受较大加速度时所述第二连接梁发生断裂的可能性，具有一定的抗过载能力。所述第一连接梁以及所述双材料弹性支撑组件对所述质量块的提拉作用与所述质量块自身重力相抵消，可以避免所述质量块在未受到加速度时发生位移，从而抑制加速度计的零漂现象。并且，双材料弹性支撑组件由两个不同膨胀系数的材料制作形成，实现对加速度计的温漂补偿。
附图说明
图1为本公开MEMS加速度计的一个实施例的结构示意图；
图2为图1中所示的MEMS加速度计的俯视图；
图3为本公开MEMS加速度计的惠斯通电桥的示意图；
图4至图11为本公开MEMS加速度的制备方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
如图1和图2所示，本公开实施例涉及一种MEMS加速度计，所述MEMS加速计包括：第一连接梁1、支撑柱2、第二连接梁5、衬底6、双材料弹性支撑组件7、质量块8和感应元件9。
具体的，如图1和图2所示，在一些实施例中，第一连接梁1的材质为单晶硅或玻璃的至少一种，厚度范围为5μm～200μm，所述第一连接梁1连接所述支撑柱2和所述双材料弹性支撑组件7的上端，所述第一连接梁1一端连接所述支撑柱2，另一端连接所述双材料弹性支撑组件7，宽度等于或略大于所述支撑柱2的宽度。
继续参考图1和图2，在一些实施例中，支撑柱2的材料为单晶硅、多晶硅或二氧化硅的至少一种，厚度范围为5μm～100μm，支撑柱2左右对称地设置于所述第一连接梁1的下方，并支撑于衬底1的上表面，所述支撑柱与所述第一连接梁1对所述双材料弹性支撑组件7的上端共同起到固定作用。
继续参考图1和图2，在一些实施方式中，MEMS加速度计包括四根第一连接梁1和四根第二连接梁5，所述四根第二连接梁5位于所述衬底6的上表面，围绕所述质量块8设置，分别位于所述质量块8各边的中点处，第二连接梁5的厚度范围为2um～200μm。
在一些实施例中，一并参考图1至图3，MEMS加速度计包括四个感应元件9，该感应元件9为压敏电阻。所述四个感应元件9均分别位于对应的所述第二连接梁5背离所述衬底6的一侧，也即位于第二连接梁5的上表面，并且其中两个位于所述第二连接梁5靠近所述质量块8的一侧，其余两个位于所述第二连接梁5远离所述质量块8的一侧。这样设置的作用是在加速度作用下所述感应元件9两两之间产生相反的电阻变化，将四个感应元件9通过惠斯通电桥的方式进行连接，可以将加速度信号转换为惠斯通电桥输出的电信号。
在一些实施例中，如图1和图2所示，所述质量块8位于所述衬底6的中央区域，厚度范围为2μm～400μm。
在一些实施例中，如图1和图2所示，所述双材料弹性支撑组件7位于所述第一连接梁1和所述第二连接梁5之间，所述双材料弹性支撑组件7的两端分别与所述第一连接梁1和所述第二连接梁5连接。也就是说，所述双材料弹性支撑组件7一端连接所述第一连接梁1，另一端连接所述第二连接梁5，因此对所述第二连接梁5的活动空间起限制作用，从而有效降低加速度计在承受较大加速度时所述第二连接梁5发生断裂的可能性，因此本实施例的MEMS加速度具有抗过载能力。此外，所述第一连接梁1以及所述双材料弹性支撑组件7对所述质量块8的提拉作用与所述质量块8自身重力相抵消，可以避免所述质量块8在未受到加速度时发生位移，从而抑制加速度计的零漂现象。另外，所述双材料弹性支撑组件7由两个不同膨胀系数的材料制作形成，由于材料的热膨胀系数不同，当温度升高时，该双材料弹性支撑组件能够有效补偿升温导致的输出降低；大概温度降低时，该双材料弹性支撑组件能够有效补偿降温导致的输出增加。因此本实施例的MEMS加速度计，通过所设置的双材料弹性支撑组件还实现了对加速度计的温漂补偿。
本实施例的MEMS加速度计，通过所设置的双材料弹性支撑组件，其对所述第二连接梁的活动空间起限制作用，从而有效降低加速度计在承受较大加速度时所述第二连接梁发生断裂的可能性，具有一定的抗过载能力。所述第一连接梁以及所述双材料弹性支撑组件对所述质量块的提拉作用与所述质量块自身重力相抵消，可以避免所述质量块在未受到加速度时发生位移，从而抑制加速度计的零漂现象。并且，双材料弹性支撑组件由两个不同膨胀系数的材料制作形成，实现对加速度计的温漂补偿。
示例性的，如图1和图2所示，所述双材料弹性支撑组件7包括：弹性件(图中未标号)和相对间隔设置的两组双材料层，所述弹性件的第一端与所述第一连接梁1连接，所述弹性件的第二端与所述第二连接梁5连接。每组双材料层均包括依次层叠设置的第一材料层3和第二材料层4，所述第一材料层3和所述第二材料层4的两端均分别与所述弹性件连接，并且，所述第一材料层3的膨胀系数大于所述第二材料层4的膨胀系数。
具体的，如图1和图2所示，所述第一材料层3与所述第二材料层4共同构成所述双材料弹性支撑组件7中水平放置的双材料层。朝向所述第一连接梁1一侧的一组双材料层中的第一材料层3远离所述第一连接梁1设置，第二材料层4靠近所述第一连接梁1设置。朝向所述第二连接梁5一侧的一组双材料层中的第一材料层3远离所述第二连接梁5设置，第二材料层4靠近所述第二连接梁5设置。也就是说，如图1所示，在所述双材料弹性支撑组件7靠近所述第一连接梁1一侧，所述第二材料层4位于所述第一材料层3上方，在所述双材料弹性支撑组件7靠近所述第二连接梁5一侧，所述第一材料层3位于所述第二材料层4上方。
需要说明的是，MEMS加速度计中的双材料弹性支撑组件除了包括两组双材料层以外，本领域技术人员还可以根据实际需要，设计其它组数量的双材料层，本实施例对此并不限制。
在一些实施例中，所述第一材料层3的材料为Al、Cu、Au、Mo等具有较高热膨胀系数的材料，厚度范围为100nm～2000nm，所述第二材料层4的材料为单晶硅、多晶硅、二氧化硅或氮化硅等具有较低热膨胀系数的材料，厚度范围为100nm～2000nm，所述第一材料层3与所述第二材料层4厚度相同。
在一些实施例中，如图1和图2所示，所述双材料弹性支撑组件7的下端设置于所述感应元件9(也即压敏电阻)上方。当温度升高时，所述压敏电阻的电阻率降低，阻值减小，加速度计的输出降低，由于材料的热膨胀系数不同，所述第一材料层3比所述第二材料层4体积膨胀更大，所述双材料弹性支撑组件7拉伸，对所述第一连接梁1和所述第二连接梁5施加压应力，导致所述压敏电阻的阻值增加，从而补偿了升温导致的输出降低。同理，温度降低时，所述压敏电阻的压阻系数增加，加速度计的输出增加，所述第二材料层4比所述第一材料层3的体积膨胀更大，所述双材料弹性支撑组件7收缩，对所述第一连接梁1和所述第二连接梁5施加拉应力，导致所述压敏电阻的阻值降低，从而补偿了降温导致的输出增加。综上所述，本实施例的双材料弹性支撑组件实现了对加速度计的温漂补偿
本公开的MEMS加速度计工作原理如下：
如图1至图3所示，所述质量块8在外界加速度的作用下会带动所述第二连接梁5产生位移，所述第二连接梁5上的应力分布发生变化，靠近所述质量块8的应力和远离所述质量块8的应力方向相反，进而导致分布于其上的压敏电阻R1、R2和R3、R4产生反向的电阻变化，四个压敏电阻互联形成惠斯通电桥，因此通过检测惠斯通电桥输出的电压即可实现对加速度的检测。
当温度升高时，所述压敏电阻的电阻率降低，进而阻值降低，导致加速度计的输出降低，由于材料的热膨胀系数不同，所述第一材料层3比所述第二材料层4体积膨胀更大，所述双材料弹性支撑组件7拉伸，同时对所述第一连接梁1和所述第二连接梁5施加压应力，导致所述压敏电阻的阻值增加，从而补偿了升温导致的输出降低。同理，温度降低时，所述压敏电阻的电阻率增加进而阻值增加，导致加速度计的输出增加，所述第二材料层比所述第一材料层3体积膨胀更大，所述双材料弹性支撑组件7收缩，同时对所述第一连接梁1和所述第二连接梁5施加拉应力，导致所述压敏电阻的阻值降低，从而补偿了降温导致的输出增加，实现了对加速度计的温漂补偿。
此外，所述双材料弹性支撑组件7一端连接所述第一连接梁1，一端连接所述第二连接梁5，因此对第二连接梁5的活动空间起限制作用，从而有效降低加速度计在承受较大加速度时第二连接梁5发生断裂的可能性，因此本公开的MEMS加速度计具有抗过载能力。所述第一连接梁1以及所述双材料弹性支撑组件7对所述质量块8的提拉作用与所述质量块8自身重力相抵消，可以避免所述质量块8在未受到加速度时发生位移，从而抑制加速度计的零漂现象。
本公开实施例的另一方面，提供一种MEMS加速度计的制备方法，MEMS加速度的结构可以参考前文相关记载，在此不做赘述。所述方法包括：
步骤一、提供衬底。
具体的，如图4所示，准备一片厚度为500μm的N型(100)硅片作为衬底层6。
步骤二、在所述衬底的上表面形成第二连接梁和质量块图形。
具体的，如图5所示，通过光刻和刻蚀衬底6的上表面形成第二连接梁5和质量块8图形。
步骤三、在所述衬底的背面释放第二连接梁和质量块。
具体的，如图6所示，通过背面光刻和刻蚀释放第二连接梁5和质量块8。
步骤四、对第二连接梁进行P型掺杂，形成感应元件。
具体的，如图7和图8所示，通过离子注入对第二连接梁5进行P型掺杂，形成四个压敏电阻。
步骤五、在所述第二连接梁上制备双材料弹性支撑组件；其中，所述双材料弹性支撑组件由两个不同膨胀系数的材料制作形成。
具体的，如图9所示，通过光刻、磁控溅射和等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)制备四个高度为5μm的铝和二氧化硅双材料弹性支撑组件7。
步骤六、在所述衬底的上表面形成与所述双材料弹性支撑组件高度相匹配的支撑柱。
具体的，如图10所示，通过光刻和PECVD形成与双材料弹性支撑组件7等高的二氧化硅支撑柱2。
步骤七、将第一连接梁的下表面与所述支撑柱和所述双材料弹性支撑组件的上表面结合在一起，得到所述MEMS加速度计。
具体的，如图11所示，准备四片厚度为5μm的玻璃片作为第一连接梁1，通过组装工艺将玻璃片的下表面与支撑柱2和双材料弹性支撑组件7的上表面结合在一起，完成本发明MEMS加速度计的制备。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。
Claims (8)
1.一种MEMS加速度计，其特征在于，MEMS加速度计包括：
衬底；
支撑柱，所述支撑柱设置于所述衬底；
第一连接梁，所述第一连接梁设置于所述支撑柱背离所述衬底的一侧；
第二连接梁，设置于所述衬底并与所述第一连接梁相对间隔设置；
感应元件和质量块，所述感应元件和所述质量块均设置于所述第二连接梁；
双材料弹性支撑组件，所述双材料弹性支撑组件位于所述第一连接梁和所述第二连接梁之间，所述双材料弹性支撑组件的两端分别与所述第一连接梁和所述第二连接梁连接，所述双材料弹性支撑组件由两个不同膨胀系数的材料制作形成；
所述双材料弹性支撑组件包括：
弹性件，所述弹性件的第一端与所述第一连接梁连接，所述弹性件的第二端与所述第二连接梁连接；
相对间隔设置的两组双材料层，所述双材料层包括依次层叠设置且水平放置的第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和所述第二材料层的两端均分别与所述弹性件连接，所述第一材料层的膨胀系数大于所述第二材料层的膨胀系数，并且，
朝向所述第一连接梁一侧的一组双材料层中的第一材料层远离所述第一连接梁设置，第二材料层靠近所述第一连接梁设置；朝向所述第二连接梁一侧的一组双材料层中的第一材料层远离所述第二连接梁设置，第二材料层靠近所述第二连接梁设置。
2.根据权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述质量块位于所述衬底的中央区域，所述第二连接梁围绕所述质量块设置，并分别位于所述质量块的各边的中央区域处。
3.根据权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述双材料弹性支撑组件与所述感应元件对应设置。
4.根据权利要求1至3任一项所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述MEMS加速度计包括四个感应元件；
所述四个感应元件均分别位于对应的所述第二连接梁背离所述衬底的一侧，并且其中两个位于所述第二连接梁靠近所述质量块的一侧，其余两个位于所述第二连接梁远离所述质量块的一侧。
5.根据权利要求1至3任一项所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述第一材料层采用Al、Cu、Au和Mo材料中的一者制作形成；和/或，
所述第一材料层的厚度范围为100nm～2000nm。
6.根据权利要求1至3任一项所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述第二材料层采用单晶硅、多晶硅、二氧化硅和氮化硅中的一者制作形成；和/或，
所述第二材料层的厚度范围为100nm～2000nm。
7.根据权利要求1至3任一项所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述感应元件采用压敏电阻。
8.一种MEMS加速度计的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底和第一连接梁；
在所述衬底的上表面形成第二连接梁和质量块图形；
在所述衬底的背面释放第二连接梁和质量块；
对第二连接梁进行P型掺杂，形成感应元件；
在所述第二连接梁上制备双材料弹性支撑组件；其中，所述双材料弹性支撑组件由两个不同膨胀系数的材料制作形成；
在所述衬底的上表面形成与所述双材料弹性支撑组件高度相匹配的支撑柱；
将第一连接梁的下表面与所述支撑柱和所述双材料弹性支撑组件的上表面结合在一起，得到所述MEMS加速度计；其中，
所述双材料弹性支撑组件包括：
弹性件，所述弹性件的第一端与所述第一连接梁连接，所述弹性件的第二端与所述第二连接梁连接；
相对间隔设置的两组双材料层，所述双材料层包括依次层叠设置且水平放置的第一材料层和第二材料层，所述第一材料层和所述第二材料层的两端均分别与所述弹性件连接，所述第一材料层的膨胀系数大于所述第二材料层的膨胀系数，并且，
朝向所述第一连接梁一侧的一组双材料层中的第一材料层远离所述第一连接梁设置，第二材料层靠近所述第一连接梁设置；朝向所述第二连接梁一侧的一组双材料层中的第一材料层远离所述第二连接梁设置，第二材料层靠近所述第二连接梁设置。
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