一种低横向耦合高灵敏度单轴加速度计芯片及其制作方法

本发明属于微机电系统（mems）单轴加速度计解耦测试，涉及一种低横向耦合高灵敏度单轴mems加速度计芯片及其制作方法。

背景技术：

1、强冲击单轴mems加速度计是一种专门用于测量极端动态载荷下冲击加速度的惯性传感器，其核心特征是能够承受数万至十几万倍重力加速度（g）的冲击载荷，精准获取强冲击加速度变化，广泛应用于军工、航空航天、汽车碰撞测试、工业设备监测等关键领域，尤其在导弹侵彻、爆炸分离、炮弹发射、飞行器着陆等极端冲击场景中，承担着加速度信号实时获取的核心任务，是保障相关设备精准控制与安全运行的关键核心元件之一。随着航空航天技术的迭代升级与武器装备智能化水平的提升，对强冲击单轴加速度计的量程、测量精度、抗过载能力及环境适应性提出了更为严苛的要求，其性能直接决定了载荷系统的控制精度与可靠性。

2、目前，现有强冲击单轴加速度计主要分为压电式、应变式、压阻式等多种类型；mems工艺依托微机电系统技术提升了强冲击加速度计的性能，实现了微型化、低功耗与cmos电路的良好兼容性。压阻式mems加速度计因响应速度快、测量精度高，在强冲击精准测量场景中具有独特优势。但在实际的强冲击加速度测试中，不可避免的受到离轴方向的横向冲击干扰，并产生寄生信号叠加到轴向测量信号中。该横向耦合问题，是当前技术应用中的痛点与主要瓶颈，尤其在10万g级的超高冲击环境下，横向耦合冲击产生的寄生应力显著。若不能有效抑制横向耦合，传感器将无法实现真实冲击加速度信号的准确捕获。为解决这一问题，有许多技术路线被提出，但都只能尽可能减小离轴冲击带来的影响，无法彻底消除横向耦合，使得无法充分适配高端装备的极端应用场景下精确测量的需求。

技术实现思路

1、针对现有强冲击单轴mems加速度计普遍存在横向耦合严重、测量精度影响大的问题，本发明的目的是提供一种低横向耦合高灵敏度单轴加速度计芯片及其制作方法，利用两个沿对称分布的z轴敏感单元对横向冲击加速度的差模响应特性，实现y轴横向灵敏度比近乎为零，x轴横向灵敏度比优于4%，同时倍增z轴向冲击灵敏度，兼具高线性度、高固有频率、工艺性好的优点，满足极端冲击环境下的高精度测量需求。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的一种低横向耦合高灵敏度单轴加速度计芯片， mems芯片整体呈长方形，芯片被平均分为相同的两部分，每个部分布设一个敏感单元；沿该长方形芯片的长边方向上布设有z轴一号敏感单元与z轴二号敏感单元，且两个z轴敏感单元关于mems芯片中心对称，两个敏感单元通过芯片边框实现物理隔离。

4、所述z轴敏感单元的测量轴向正交于芯片正方形表面所在的xoy平面，且测量轴向垂直于mems芯片上表面；同时，利用差模抵消共模叠加机制，实现横向干抵消抑制与主轴向灵敏度叠加倍增。所述差模抵消共模叠加机制是指中心对称布设的z轴一号敏感单元与z轴二号敏感单元，具有将横向冲击加速度转换为差模信号、将轴向冲击加速度转换为共模信号的能力，因此基于差模抵消共模叠加机制，实现横向干扰抑制与轴向灵敏度提升。

5、z轴敏感单元包含z轴一号敏感单元与z轴二号敏感单元，z轴一号敏感单元质量块通过z轴一号敏感单元变截面梁与芯片边框相连接；在mems芯片平行于y轴的中轴线上，z轴一号敏感单元变截面梁正面与芯片边框的连接处、z轴一号敏感单元质量块的连接处，布设有四个压阻力敏电阻与配套的欧姆接触区，压阻力敏电阻与欧姆接触区通过金属互连线电连接为惠斯通电桥，且惠斯通电桥配合焊盘形成z轴一号敏感单元检测电路；所述z轴二号敏感单元与z轴一号敏感单元结构相同，且二者关于芯片中心呈中心对称，使所述单轴加速度计满足解耦条件。

6、传感器受沿芯片长边的横向冲击加速度作用时，其z轴敏感单元应变形式被分为整体的横向偏移与质量块受惯性力引起的偏转；其中，与等效于z轴一号敏感单元质量块所受的惯性力，与等效于z轴二号敏感单元质量块所受的惯性力。压阻力敏电阻分布在点周围，未受力时初始阻值全为r，各压阻力敏电阻受力分别为；此芯片处于超静定状态，通过力法求解静不定结构求出其双端固支处约束力；用分别表示传感器右侧固支处的轴向应力、剪切应力与力矩，l表示芯片边长，e表示材料弹性模量，i表示惯性矩，a表示截面面积，得下式：

7、（1）

8、（2）

9、（3）

10、由于z轴一号敏感单元与z轴二号敏感单元结构相同，因此，，则可以求出其双端固支处应力如下：

11、（4）

12、 （5）

13、由于z轴一号敏感单元与z轴二号敏感单元中心对称分布，两个z轴敏感单元中相对应的电阻在受沿芯片长边横向冲击加速度作用时受力等大反向，呈现中心对称分布；将传感器的z轴一号敏感单元与z轴二号敏感单元所受横向冲击加速度转化为差模信号，而轴向冲击加速度仍为共模信号，通过叠加两个敏感单元的差分输出实现横向冲击加速度的差模抵消，使芯片获得极低的横向耦合；同时在芯片受到z轴轴向作用力时，能够实现轴向冲击加速度的共模叠加，提升mems芯片主轴向冲击灵敏度。

14、上述低横向耦合高灵敏度单轴 mems 加速度计芯片的制作方法，包括如下步骤：

15、步骤一，对单晶硅的硅片进行双面热氧化，在硅片的上表面和下表面分别形成一层热氧二氧化硅层。

16、步骤二，采用压阻力敏电阻掩膜版，旋涂光刻胶后通过标准光刻工艺蚀刻光刻胶，将压阻力敏电阻图形化后通过反应离子刻蚀去除硅片表面氧化层，利用硼离子注入形成压阻力敏电阻，随后去除光刻胶与氧化层。再沉积一层二氧化硅，采用欧姆接触掩膜版，旋涂光刻胶后通过标准光刻工艺蚀刻光刻胶，将欧姆接触区图形化后通过反应离子刻蚀去除硅片表面氧化层，利用硼离子注入形成欧姆接触区，随后去除光刻胶与氧化层。

17、步骤三，在硅片背面利用运动间隙掩膜版，旋涂光刻胶后通过标准光刻工艺蚀刻光刻胶，将运动间隙图形化后通过反应离子刻蚀去除硅片表面氧化层，利用深反应离子刻蚀向下刻蚀形成运动间隙。随后去除光刻胶与氧化层。

18、步骤四，在硅片背面沉积一层二氧化硅并旋涂一层光刻胶，在硅片背面利用质量块掩膜版，通过标准光刻工艺蚀刻光刻胶，将质量块图形化后通过反应离子刻蚀去除硅片表面氧化层，利用深反应离子刻蚀向下刻蚀形成质量块结构。随后去除光刻胶与氧化层。

19、步骤五， 在硅片背面沉积一层二氧化硅并旋涂一层光刻胶，在硅片背面利用背面穿通掩膜版，通过标准光刻工艺蚀刻光刻胶，将其图形化后通过反应离子刻蚀去除硅片表面氧化层，利用深反应离子刻蚀向下刻蚀释放敏感微梁结构与变截面梁结构。随后去除光刻胶与氧化层。

20、步骤六，在硅片正面沉积一层氮化硅并旋涂一层光刻胶，在硅片正面利用互连线孔板，通过标准光刻工艺蚀刻光刻胶，将互连线孔图形化后通过反应离子刻蚀去除硅片表面互连线孔处的氮化硅，形成互连线孔。随后去除光刻胶。

21、步骤七，在硅片正面沉积一层光刻胶，在硅片正面利用金属互连线掩膜版和焊盘掩膜版，通过标准光刻工艺蚀刻光刻胶，将互连线与焊盘图形化后，利用溅射工艺沉积一层金属铝，随后利用剥离工艺去除光刻胶与多余的金属铝，形成互连线与焊盘。所述低横向耦合高灵敏度单轴加速度计芯片制作完成。

22、有益效果：

23、1、本发明公开的一种低横向耦合高灵敏度单轴加速度计芯片及其制作方法，该mems芯片两个z轴敏感单元，记为z轴一号敏感单元与z轴二号敏感单元，其沿该长方形芯片的长边的方向布设。这样布设的z轴一号敏感单元、二号敏感单元在横向冲击加速度作用时会产生对称的力学响应，能将横向冲击加速度转化为差模信号，同时z轴向冲击加速度信号仍为共模信号，这时只需将z轴一号敏感单元与z轴二号敏感单元的输出相叠加，则可以抵消掉z轴敏感单元的横向耦合实现解耦，同时倍增z轴敏感单元的主轴向冲击灵敏度。进一步的，z轴敏感单元采用改进的变截面梁结构，去除传统全膜片的应力集中区，避免超高冲击下的mems芯片结构失效。该传感器能测量z轴向10万g量程的冲击加速度，每个敏感单元的固有频率均优于1mhz，具有高工作带宽、抗高过载的优点。在5v供电输入电压下，该传感器解耦后的z轴向冲击灵敏度约为3.03μv/g，解耦后的y轴向横向灵敏度几乎为零，实现横向耦合的差模几乎完全抵消，指标完美，同时x轴横向灵敏度约为0.11μv/g，横向灵敏度比约优于3.6%。本发明通过优化mems芯片结构中的力学响应，解决传统强冲击加速度计的横向耦合过高的问题，显著提高测量精度。

24、2、本发明公开的一种低横向耦合高灵敏度单轴加速度计芯片及其制作方法，对各测量单元的结构进行针对性优化设计，z轴敏感单元改进传统全膜片式结构，将应力集中区镂空形成变截面梁，同时该芯片将两个z轴敏感单元沿长方形芯片长边对称布设，使其受横向惯性加速度作用时产生等大反向的对称的力学响应，将横向冲击加速度转化为差模信号，而z轴向冲击信号保持为共模信号，通过对两个z轴敏感单元的输出进行叠加，实现横向耦合的抵消抑制，同时倍增z轴轴向灵敏度，差模抵消共模叠加的形式也能够降低灵敏度与谐振频率的相互制约关系。

25、3、本发明公开的一种低横向耦合高灵敏度单轴加速度计芯片的制作方法，根据mems芯片的结构特点，引入反应离子蚀刻、等离子化学气相沉积、深反应离子刻蚀技术等方法，在保证传感器形状精度的情况下，简化工艺流程，降低加工成本。