高性能双轴微加速度传感器制作探究.pdfVIP

高性能双轴徽加速度传感器制作研究‘ 刘泽文刘理天李志坚 清华大学徽电子学研究所 毫 伊福庭 北京高能所BEPC同步辐射实验室 摘要 本文给出了将Ic工艺与LIGA工艺相结合，在硅基材料上以镍金属为结构材料制作 高性能微加速度传感器的研究结果。由于来用了金属材料，器件在较小的尺寸下可获得 较高的灵敏度。采用特殊的结构形式，可使器件处于最佳阻尼状态。制作过程主要包括 厚胶光学光刻，淀积电镀种子层．电化学淀积牺牲层、X射线掩模制作、x射线曝光等。 关键词：徽加速度传感器，LIGA．光刻、Ic工艺 一．引言 微加速度传感器是MEMS技术的重要应用领域，国内外已发表多种类型具有不同应 用背景的微加速度传感器。所使用的方法有表面硅工艺、体硅工艺、以及LIGA技术等。 硅技术具有工艺成熟、易于实现系统集成等优点，但材料选择范围有一定的限制。LIGA 技术在实现高宽比图形结构和选择结构材料方面有很大的灵活性，是硅技术的一个很好 的补充。我们将工艺与工艺结合，开展在硅基上用镍材料制作高精度双轴微加速度传感 器的研究。该器件采用悬臂式结构．运用电化学沉淀和牺牲层技术制作出固定块、悬臂 粱、质块和固定电容极板，从而形成惯性质量一弹簧系统。其结构商度为150[xm。由于 采用镶作器件材料，其密度为8．99／cm3，高出硅近4倍。在较小的几何尺寸下易于获得高 的灵敏度。当粱的长度和宽度分别为1430p和25p．m，质量块的长度和宽度分别为1320p,m 和400jun时，灵敏度可达10％左右。电容式加速度传感器的两极之间的空气提供了质块 一弹簧系统的阻尼。经计算发现，系统在通常下阻尼比约为0．05，处于欠阻尼状态。为 了保证器件有一个良好的幅频特性，有必要提高阻尼的系数。为此我们将质量块设计成E 字形。采用这一结构不会增加制作工艺的复杂性，同时有利于引线与封装。通过对结构 高度进行优化，最终可确保阻尼为o．65。这时器件的静态电容为2．6pV。 本文给出了金属电容式双轴微加速度传感器的结构原理以及在硅基上采用LIGA工 艺用镍材料制作高精度加速度传感器的研究结果。 二．结构设计 金属加速度传感器一般采用悬臂式结构“’，本加速度传感器的基本结构如图1所示， 在硅基底上利用LIGA方法和牺牲层技术制作出固定块、悬臂粱、质量块和固定电容极 。国家教委留学回国人员科研基金资助项目 板。当器件的敏感轴方向有加速度a时，由于惯性力的作用，质量块产生位移，使悬臂 粱弯曲变形。根据力学原理进行分析，可阻将质量块的位移写成一定的解析形式(21。位 移量正比于正比于输入加速度， 同时与器件的结构和材料的性质 有关。 竺 - 若L。是粱和质量块的总长， Lb是梁的长度，研究表明，当L。 ／L．=O．52时，器件有最佳灵敏度。 由此我们选定器件的总长度L。= 2750 p,m，梁的长度为1430岫。 灵敏度同时与粱和质量块的宽度 有关。当梁和质量块和宽度分别 和25哪w=4001an时，灵敏度 在100／dg左右。电容式加速度传 感器一般采用差容式测量技术。 零加速度输入时固定块和移动块 之间的间距d将直接影响系统信 号的获取及传感器的量程，考虑 到工艺条件和设计目标，我们取 d=41am。