专利名称：具有抗横向干扰的硅纳米带巨压阻效应微加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种具有抗横向干扰的硅纳米带巨压阻效应微加速度计，属微惯性导航关键器件研究領域。
背景技术：
微机械加速度计是ー种体积小、功耗低、可批量化生产的加速度计，其广泛应用于的军用、民用领域内加速度、振动、过载信号的测试，另外，它也是空间运动物体姿态测量和控制的关键器件之一，一直受到航空航天领域的高度重视。传统掺杂エ艺的硅压敏电阻的电阻应变系数较小，随着传感器尺寸的变小，传统掺杂エ艺的压敏电阻已经不能满足现代高灵敏度测试的要求。硅纳米带电阻是ー种新型的硅压阻式电阻，其所表征的巨压阻效应的电阻应变系数高达5000，比传统体加工的硅压阻的电阻应变系数(100左右)高约2个数量级。将这种新型的硅纳米带电阻应用于加速度计的研究是对传统压敏电阻式加速度计的继承与突破。掺杂式压敏电阻一般都会制作在悬臂梁的根部来敏感检测方向上的应变。由于压阻式加速度计在使用中会遇到如安装误差、外界振动等问题，这些问题将会在加速度计除敏感方向以外的其他方向产生额外的干扰，制作在悬臂梁根部的压敏电阻也会敏感干扰方向的惯性力，这样势必会对加速度输出方向上的检测数据产生不同程度的误差；另外，掺杂式压敏电阻的掺杂厚度远大于50纳米，即压敏电阻会在其长度方向和宽度方向具有一定数值的电阻应变系数，若有横线干扰惯性カ的存在，压敏电阻一定会产生干扰的检测信号。本发明设计了横向缓冲梁，形成消耗能量机制，可最大程度的消除或减弱横向惯性カ对加速度计检测方向上输出的干扰；另外，采用硅纳米带电阻不但提高了加速度计的检测精度和灵敏度，而且约10纳米厚硅纳米带层会进ー步减小加速度的横向干扰。
发明内容
发明目的
本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计了ー种新型的高灵敏度的加速度计，以大幅度提高微机械加速度计的检测精度和分辨率，同时减小甚至消除横向加速度对检测方向上的干扰，使检测数据更加精准、可靠。技术方案
本发明主要结构由键合基底、敏感质量块、固定外框、组合梁、硅纳米线电阻、凹槽、阻尼孔组成，组合梁由检测梁、连接块、横向缓冲梁组成，硅纳米线电阻由硅纳米带电阻层、硅纳米带电阻正极、硅纳米带电阻负极组成；在键合基板I的四周区域键合有固定基座3，固定基座3内侧四边的中心位置处连接有组合梁4、5、6、7的一端，组合梁4、5、6、7的另一端分别连接于敏感质量块2的四角部位，敏感质量块I上均布有阻尼孔17，组合梁4、5、6、7的根部区域分别制作有硅纳米带电阻8、9、10、11。所述的键合基底I上制作有方形凹槽12，敏感质量块2可在凹槽12内上下、左右、前后运动。所述的组合梁4、5、6、7，结构相同，检测梁18连接于连接块19的中心位置，连接块19的两端分别连接于横向缓冲梁21、22，横向缓冲梁21、22的另一端连接于横向缓冲梁20、23。所述的敏感质量块2四边的中心位置加工有组合梁运动空间13、14、15、16，组合梁4、5、6、7分别嵌于组合梁运动空间13、14、15、16内，组合梁4、5、6、7可在组合梁运动空间13、14、15、16内上下、左右 、前后运动。所述的硅纳米带电阻8、9、10、11，结构相同，在硅衬底层24上制作有二氧化硅层25，二氧化硅层25上制作有折形的硅纳米带电阻层26，硅纳米带电阻层26的两端分别连接有娃纳米带电阻正极27、娃纳米带电阻负极28。工作原理
该加速度计安装在待测物体上，当Z轴方向有加速度的输入时，敏感质量块产生沿Z轴方向的惯性力使组合梁中的检测梁发生形变，导致其根部应力增大，制作在检测梁根部的硅纳米带电阻产生的巨压阻效应使其阻值发生剧烈变化，对将这些电阻组成的惠斯通电桥电路输出电压的检测就可以得到Z轴方向上加速度的大小；此时，若有沿X轴或Y轴或与X轴、Y轴有一定夹角的惯性力或无规律振动存在，组合梁结构中的双向横向缓冲梁会减少或吸收这些类型力的干扰，使检测梁根部的硅纳米带电阻不会敏感横向的干扰力，从而提高了加速度计在其检测方向上的精度。有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，此检测装置采用整体结构设计，以键合基底为载体，在键合基底上键合有固定外框，固定外框的四边中心位置处连接有组合梁，组合梁连接于敏感质量块的四角部位，且内嵌于组合梁运动空间内，组合梁由检测梁、连接块、横向缓冲梁组成，结构设计紧凑，既能充分利用空间，适合器件微型化，又能抗击横向干扰，提高检测精度，娃纳米带电阻由娃纳米带电阻层、娃纳米带电阻正极、娃纳米带电阻负极组成，硅纳米带电阻层所具有巨压阻效应比传统的硅压阻器件的压阻灵敏度高约2个数量级，可大幅提高硅压阻式传感器的检测灵敏度和分辨率，是一种十分理想的提高硅基压阻式MEMS器件的方法。
图I整体结构立体图 图2整体结构平面图
图3键合基底立体结构图 图4敏感质量块立体结构图 图5组合梁立体结构图 图6硅纳米带电阻的结构图 图中所示，附图标记清单如下
I、键合基底，2、敏感质量块，3、固定外框，4、组合梁，5、组合梁，6、组合梁，7、组合梁，8、娃纳米带电阻，9、娃纳米带电阻，10、娃纳米带电阻，11、娃纳米带电阻，12、凹槽，13、组合梁运动空间，14、组合梁运动空间，15、组合梁运动空间，16、组合梁运动空间，17、阻尼孔，18、检测梁，19、连接块，20、横向缓冲梁，21、横向缓冲梁，22、横向缓冲梁，23、横向缓冲梁，24、娃衬底层，25、ニ氧化娃层,26、娃纳米带电阻层,27、娃纳米带电阻正极,28、娃纳米带电阻负极。
具体实施例方式以下结合附图对本发明做进ー步说明
图1、2所示为整体结构的立体图、平面图，以键合基底I为载体，在键合基底I的四周边框上牢固键合有固定外框2， 固定外框2内侧四边的中心位置处连接于组合梁4、5、6、7的一端，组合梁4、5、6、7的另一端连接于敏感质量块2的四角部位，敏感质量块2上均布有阻尼孔17，在组合梁4、5、6、7的根部制作有硅纳米带电阻8、9、10、11。加速度计结构采用SOI材料加工，敏感质量块2、固定外框3、组合梁4、5、6、7由SOI的下层硅材料制作，SOI材料的中间绝缘层用于硅纳米带电阻8、9、10、11与固定外框3、组合梁4、5、6、7根部区域的隔离，SOI材料的上层硅材料制作硅纳米带电阻8、9、10、11。图3所示为键合基底的立体结构图，键合基底I的中心方形区域加工有凹槽12。键合基底I呈方形，由硅材料或玻璃材料制成，键合基底I的四周边框宽度于固定外框3的宽度相等，凹槽12的深度视敏感质量块2的运动距离决定，敏感质量块2可在由固定外框3的中心方形区域及凹槽12的组成的矩形空间内上下、前后、左右运动。图4所示为敏感质量块的结构图，敏感质量块2四边中心区域加工有组合梁运动空间13、14、15、16，敏感质量块2上均布有阻尼孔17。组合梁运动空间13、14、15、16的形状恰好于组合梁4、5、6、7的外侧边框形状吻合，组合梁4、5、6、7可在组合梁运动空间13、14、15、16内上下、前后、左右运动。阻尼孔17贯通于敏感质量块2，阻尼孔17可呈圆形，也可呈方形，阻尼孔17的数量的多少及尺寸的大小可根据应用环境和阻尼系数确定。图5所示为组合梁立体结构图，组合梁4、5、6、7结构相同，检测梁18连接于连接块19 ー侧的中心区域，连接块19同侧边的两端连接有横向缓冲梁21、22，横向缓冲梁21、22的另一端连接有横向缓冲梁20、23。检测梁18的厚度相对于连接块19的厚度较�。醇觳饬嚎闪槊舻母惺躗轴方向上的惯性力，横向缓冲梁20、21、22、23的厚度于连接块的厚度相等，宽度相对于检测梁18的宽度较窄，即横向缓冲梁20、21、22、23可在X轴、Y轴方向的敏感度将远大于其在Z轴方向的，即横向缓冲梁20、21、22、23在Z轴方向不敏感。图6所示为硅纳米带电阻的结构图，硅纳米带电阻8、9、10、11结构相同，在硅衬底层24上设置有ニ氧化硅层25，在ニ氧化硅层25上设置有硅纳米带电阻层26，硅纳米带电阻层26的两端分别连接有硅纳米带电阻正极27、硅纳米带电阻负极28。硅纳米带电阻8、9、10、11采用SOI材料制成，SOI的上层硅结构层厚度约为10_50纳米，上层硅结构经过掺杂后形成具有巨压阻效应的硅纳米带电阻，硅纳米带电阻层26的宽度、长度的大小和回折数的数量视加速度计设计參数及应用环境決定。硅纳米带电阻正极27、硅纳米带电阻负极28为金材料，在硅纳米带电阻层26的两端进行良好处理与硅纳米带电阻正极27、硅纳米带电阻负极28形成良好欧姆接触。
权利要求
1.具有抗横向干扰的硅纳米带巨压阻效应微加速度计，其特征在于主要结构由键合基底、敏感质量块、固定外框、组合梁、硅纳米线电阻、凹槽、阻尼孔组成，组合梁由检测梁、连接块、横向缓冲梁组成，娃纳米线电阻由娃纳米带电阻层、娃纳米带电阻正极、娃纳米带电阻负极组成；在键合基板(I)的四周区域键合有固定基座(3)，固定基座(3)内侧四边的中心位置处连接有组合梁(4、5、6、7)的一端，组合梁(4、5、6、7)的另一端分别连接于敏感质量块(2)的四角部位，敏感质量块(I)上均布有阻尼孔(17)，组合梁(4、5、6、7)的根部区域分别制作有硅纳米带电阻(8、9、10、11)。
2.根据权利要求I所述具有抗横向干扰的硅纳米带巨压阻效应微加速度计，其特征在于所述的键合基底(I)上制作有方形凹槽(12)，敏感质量块(2)可在凹槽(12)内上下、左右、前后运动。
3.根据权利要求I所述具有抗横向干扰的硅纳米带巨压阻效应微加速度计，其特征在干所述的组合梁(4、5、6、7)，结构相同，检测梁(18)连接于连接块(19)的中心位置，连接块(19)的两端分别连接于横向缓冲梁(21、22)，横向缓冲梁(21、22)的另一端连接于横向缓冲梁(20、23)。
4.根据权利要求I所述具有抗横向干扰的硅纳米带巨压阻效应微加速度计，其特征在于所述的敏感质量块(2)四边的中心位置加工有组合梁运动空间(13、14、15、16)，组合梁(4、5、6、7)分别嵌于组合梁运动空间(13、14、15、16)内，组合梁(4、5、6、7)可在组合梁运动空间(13、14、15、16)内上下、左右、前后运动。
5.根据权利要求I所述具有抗横向干扰的硅纳米带巨压阻效应微加速度计，其特征在于所述的硅纳米带电阻(8、9、10、11)，结构相同，在硅衬底层(24)上制作有ニ氧化硅层(25), ニ氧化硅层(25)上制作有折形的硅纳米带电阻层(26)，硅纳米带电阻层(26)的两端分别连接有硅纳米带电阻正极(27)、硅纳米带电阻负极(28)。
全文摘要
一种具有抗横向干扰的硅纳米带巨压阻效应微加速度计，主要结构由键合基底、敏感质量块、固定外框、组合梁、硅纳米线电阻、凹槽、阻尼孔组成，组合梁由检测梁、连接块、横向缓冲梁组成，硅纳米线电阻由硅纳米带电阻层、硅纳米带电阻正极、硅纳米带电阻负极组成；以键合基底为载体，在键合基底上键合有固定外框，固定外框的四边中心位置处连接有组合梁，组合梁连接于敏感质量块的四角部位，且内嵌于组合梁运动空间内，组合梁由检测梁、连接块、横向缓冲梁组成，结构设计紧凑，既能充分利用空间，适合器件微型化，又能抗击横向干扰，提高检测精度，硅纳米带电阻由硅纳米带电阻层、硅纳米带电阻正极、硅纳米带电阻负极组成，硅纳米带电阻层所具有巨压阻效应比传统的硅压阻器件的压阻灵敏度高约2个数量级，可大幅提高硅压阻式传感器的检测灵敏度和分辨率。
文档编号G01P15/12GK102680738SQ20121005764
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年3月7日
发明者刘俊, 李孟委, 李锡广, 杜康, 王莉 申请人:中北大学
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