專利名稱：電磁－磁電式微機(jī)械諧振梁結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械諧振梁結(jié)構(gòu)，主要用作微機(jī)械傳感器或慣性器件中的諧振式敏感部件。
背景技術(shù)：
諧振梁是MEMS器件中的基本功能單元，一般作為二次敏感元件和一次敏感元件一起構(gòu)成復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)。一次敏感元件，如彈性膜片，在被測(cè)物理量q作用下發(fā)生相應(yīng)變形；諧振梁隨一次敏感元件變形受到相應(yīng)的軸向張力，其諧振頻率fn隨之改變，從而在fn與被測(cè)量q之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系；獲得fn即可獲得q，這就是諧振式敏感機(jī)理。
為了獲得fn，需要設(shè)法讓諧振梁處于諧振狀態(tài)，并檢測(cè)其諧振頻率fr，因此需要換能器，即激振器和拾振器。激振器將電能變換為機(jī)械能，使諧振梁振動(dòng)，拾振器將機(jī)械能變換為電能，獲得諧振梁的振動(dòng)信號(hào)。多數(shù)換能器都需要在諧振梁上附加其它材料的結(jié)構(gòu)，其中還包括換能器與梁主體之間的二氧化硅或氮化硅絕緣層，這些材料構(gòu)成了附加結(jié)構(gòu)，并與諧振梁主體構(gòu)成了多層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。這些工藝對(duì)梁機(jī)械性能的影響不可忽視。一個(gè)解決思路就是以單純的導(dǎo)電材料構(gòu)成諧振梁，并將其置于磁場(chǎng)中，利用電磁力實(shí)現(xiàn)激振，利用電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)拾振，即以梁自身為電磁式激振器和磁電式拾振器。
已有基于電磁-磁電原理的微機(jī)械諧振梁式傳感器的先有技術(shù)，它采用雙體諧振梁，將兩個(gè)并行的簡(jiǎn)單諧振梁在中點(diǎn)處連接為一體形成H型，一個(gè)梁用作激振，另一個(gè)梁用作拾振。該技術(shù)以外延工藝為主制造各部分結(jié)構(gòu)，避免了多個(gè)部分結(jié)合或鍵合引入的不穩(wěn)定性。為加工出諧振梁的懸空結(jié)構(gòu)，該先有技術(shù)在襯底材料上生長(zhǎng)了多個(gè)不同摻雜濃度或極性的外延層，以其中某些外延層為犧牲層，利用電化學(xué)腐蝕和重?fù)诫s停蝕技術(shù)去除犧牲層，保留所需部分，并控制結(jié)構(gòu)尺寸。整個(gè)制造過(guò)程至少需要經(jīng)過(guò)4次外延和多次刻蝕，其中梁的制造即需要2次不同濃度的摻雜外延，工藝略顯復(fù)雜。此外，由于外延工藝的外溢擴(kuò)散(out-diffusion)現(xiàn)象，外延層之間的界面會(huì)趨于“模糊”，而且某些場(chǎng)合重?fù)诫s會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)機(jī)械性能產(chǎn)生不希望的影響。
由于兩個(gè)簡(jiǎn)單諧振梁在電氣上也是連通的，存在共模耦合干擾，激振和拾振需經(jīng)過(guò)差動(dòng)變壓器進(jìn)行耦合。此外也有采用類似工藝的簡(jiǎn)單諧振梁的先有技術(shù)，該技術(shù)利用諧振梁的阻抗特性實(shí)現(xiàn)激振和拾振，耦合干擾問(wèn)題更難以解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠很好地解決耦合干擾問(wèn)題，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用的電磁-磁電式微機(jī)械諧振梁結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案電磁-磁電式微機(jī)械諧振梁結(jié)構(gòu)，由基體和磁場(chǎng)中的諧振梁構(gòu)成，基體包括一個(gè)隨被測(cè)物理量變化而變形的彈性膜片，諧振梁兩端固支于彈性膜片表面，其固有頻率隨彈性膜片變形而變化，實(shí)現(xiàn)輸入物理量的諧振式測(cè)量；基體和諧振梁采用SOI晶圓，以外延和刻蝕工藝加工而成；諧振梁兩端具有電極，并與磁場(chǎng)方向正交，通過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生厚度方向的安培力，振動(dòng)時(shí)在兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，采用間歇式方式工作構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，以徹底解決耦合干擾問(wèn)題。
所述的磁場(chǎng)采用永磁體或電磁線圈產(chǎn)生，相異磁極位于諧振梁兩側(cè)，故磁場(chǎng)穿過(guò)諧振梁并與其長(zhǎng)度方向及厚度方向正交。
所述的基體和諧振梁采用的SOI晶圓由SiO2掩埋層(BOX)、單晶硅層(SCS)和襯底組成，BOX層厚1～2μm；SCS層為N型(摻磷)，摻雜濃度約1×1019～2×1019cm-3，厚約4～10μm，襯底為低摻雜N型。
所述的基體和諧振梁采用SOI晶圓，以外延和刻蝕工藝加工方法如下(1)利用刻蝕工藝對(duì)所述SOI晶圓的SCS層和BOX層進(jìn)行選擇性去除，將BOX層的保留部分用作犧牲層；
(2)在結(jié)構(gòu)表面生長(zhǎng)N型1×1019cm-3摻雜的第一外延層，連接SCS層的保留部分與襯底，構(gòu)成單晶硅整體結(jié)構(gòu)；(3)淀積TEOS，利用化學(xué)機(jī)械拋光平面化，再次生長(zhǎng)同樣摻雜的第二外延層，構(gòu)成新的單晶硅整體結(jié)構(gòu)；(4)利用選擇性刻蝕去除剩余的SiO2，釋放出雙端固支的諧振梁；在諧振梁兩端之外的外延層表面制作電極，以連接電路。
所述的采用間歇式工作方式構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)包括激勵(lì)電路、諧振梁、檢測(cè)電路和控制電路，在激勵(lì)狀態(tài)，控制電路控制激勵(lì)電路輸出激振信號(hào)，使諧振梁起振；在檢測(cè)狀態(tài)，控制電路控制激勵(lì)電路關(guān)閉激振信號(hào)，諧振梁進(jìn)入自由振動(dòng)狀態(tài)，振幅逐漸衰減但仍能保持一段時(shí)間，控制電路控制檢測(cè)電路利用這段時(shí)間進(jìn)行拾振信號(hào)的檢測(cè)和放大，待諧振梁接近停振狀態(tài)，激勵(lì)電路再次輸出激振信號(hào)，使諧振梁再次起振，如此重復(fù)。
本發(fā)明的原理本發(fā)明的激振和拾振原理如圖2所示。圖中，x軸為諧振梁2的長(zhǎng)度方向，亦是電流的方向，z軸為梁的厚度方向，亦是振動(dòng)方向，y軸為諧振梁2的寬度方向，亦是磁場(chǎng)的大致方向。設(shè)穿過(guò)諧振梁2的磁感應(yīng)強(qiáng)度的y軸分量沿x軸的分布為 諧振梁2中流過(guò)交流電流i(t)，則微元dx所受z向安培力為 根據(jù)右手螺旋定則， 方向?yàn)閦軸(厚度)方向，故諧振梁2受到厚度方向的交變作用力而起振。
當(dāng)諧振梁2振動(dòng)時(shí)，諧振梁2兩端產(chǎn)生交流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。設(shè)梁的z向瞬時(shí)速度為 則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 其中L為諧振梁2有效長(zhǎng)度。只考慮一階模態(tài)，則各點(diǎn) 同相，并假設(shè)負(fù)載電阻足夠大，則可在諧振梁2兩端獲得反映諧振梁瞬時(shí)振動(dòng)狀態(tài)的交流拾振電壓vi(t)＝E(t)。
獲得vi(t)只是解決了拾振問(wèn)題，但拾振信號(hào)的檢測(cè)仍然是個(gè)難題。本發(fā)明的諧振梁2為簡(jiǎn)單諧振梁，機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)完全重合，故激振和拾振只能共用一個(gè)導(dǎo)體(諧振梁)，微弱的拾振信號(hào)完全被激振信號(hào)淹沒(méi)，采用傳統(tǒng)方法難以真正實(shí)現(xiàn)兩者的解耦。為此可借鑒Thierry Corman、KjellNorén等人在論文《“Burst”Technology with Feedback-Loop Control forCapacitive Detection and Electrostatic Excitation of Resonant SiliConSensors》中提出的間歇式(Burst)原理。但本發(fā)明所采用的具體原理與之不同。該論文雖然采用了間歇激勵(lì)方式，但仍試圖使傳感器工作于連續(xù)振動(dòng)狀態(tài)，由于傳感器輸出信號(hào)很微弱，且相位對(duì)噪聲很敏感，連續(xù)振動(dòng)實(shí)際不易可靠實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)電路也較復(fù)雜。因此本發(fā)明采用“間歇振動(dòng)”而非該論文提出的“間歇激勵(lì)”原理，使諧振梁真正工作于間歇式振動(dòng)狀態(tài)，其基本時(shí)序如圖3所示。在激勵(lì)狀態(tài)，電路輸出激振信號(hào)，使諧振梁起振；在檢測(cè)狀態(tài)，關(guān)閉激振信號(hào)，諧振梁2進(jìn)入自由振動(dòng)狀態(tài)，振幅逐漸衰減但仍能保持一段時(shí)間，檢測(cè)電路利用這段時(shí)間進(jìn)行拾振信號(hào)的檢測(cè)和放大；待諧振梁2接近停振狀態(tài)，電路再次輸出激振信號(hào)，使諧振梁再次起振，如此重復(fù)。與先有技術(shù)中的基于差動(dòng)變壓器耦合或阻抗特性的檢測(cè)方法相比，該方法徹底解決了耦合干擾問(wèn)題，且不需要變壓器之類的干擾隔離器件。
SOI(絕緣體上的單晶硅)為“SCS-BOX-襯底”三層結(jié)構(gòu)的晶圓材料。在MEMS加工中，BOX層的一個(gè)重要用途就是“預(yù)制的”犧牲層。SiO2與Si腐蝕選擇性好，且熱膨脹率接近，因而SiO2是理想的犧牲層材料。SOI晶圓中的SCS-BOX界面質(zhì)量高，利用BOX犧牲層可以獲得良好的厚度精度和表面質(zhì)量，故本發(fā)明采用SOI晶圓，并以其BOX為犧牲層加工諧振梁底部的空隙。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)采用SOI晶圓和濕法刻蝕技術(shù)，工藝簡(jiǎn)單；以SOI晶圓的BOX層為犧牲層加工諧振梁底部的空隙，結(jié)構(gòu)精度和表面質(zhì)量好；諧振梁主要由外延層構(gòu)成，且無(wú)需重?fù)诫s，便于控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力，便于獲得較理想的外延層；外延層高摻雜，襯底低摻雜，有利于消除自摻雜效應(yīng)，工藝性好；采用間歇式原理實(shí)現(xiàn)了激振信號(hào)和拾振信號(hào)間的解耦，使機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)重合的簡(jiǎn)單諧振梁結(jié)構(gòu)真正獲得實(shí)用。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的激振和拾振原理示意圖；圖3為本發(fā)明的間歇式原理的時(shí)序示意圖；圖4為本發(fā)明的基本工藝步驟；圖5為間歇式原理實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的原理示意圖；圖6為磁場(chǎng)發(fā)生裝置的第一種空間布置方式的橫截面示意圖；圖7為磁場(chǎng)發(fā)生裝置的第二種空間布置方式的橫截面示意圖；圖8為采用本發(fā)明構(gòu)成的諧振式壓力傳感器的敏感結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為采用本發(fā)明構(gòu)成的諧振式加速度計(jì)的敏感結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由基體1和置于磁場(chǎng) 中的諧振梁2構(gòu)成，基體1為隨被測(cè)物理量變化而發(fā)生彈性變形的彈性膜片，諧振梁2兩端固支于基體1表面，其固有頻率隨基體1變形而變化，實(shí)現(xiàn)輸入物理量的諧振式測(cè)量；基體1和諧振梁2采用SOI晶圓，以外延和刻蝕工藝加工而成；諧振梁2兩端具有電極，并與磁場(chǎng) 的方向正交，通過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生厚度方向的安培力，振動(dòng)時(shí)在兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，采用間歇式原理構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，以徹底解決耦合干擾問(wèn)題。
如圖4所示，基體1和諧振梁2采用的SOI晶圓由單晶硅層13、SiO2掩埋層12和襯底11組成。如圖4a所示，SiO2掩埋層12厚1～2μm；單晶硅層13為N型(摻磷)，摻雜濃度1×1019～2×1019cm-3，厚4～10μm；襯底11為低摻雜N型。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主要依靠對(duì)上述SOI晶圓采用外延和濕法刻蝕等工藝而獲得，具體步驟如下(其中省略了通用的掩模圖形光刻工序)
(1)如圖4b所示，以SiO2掩埋層12為停止層對(duì)單晶硅層13進(jìn)行刻蝕，獲得第二單晶硅層15，以第二單晶硅層15為掩模，以襯底11為停止層，對(duì)SiO2掩埋層12進(jìn)行刻蝕，獲得第二SiO2掩埋層14。第二SiO2掩埋層14將作為后續(xù)工藝的犧牲層。
(2)如圖4c所示，以第二SiO2掩埋層14為停止層對(duì)第二單晶硅層15進(jìn)行刻蝕，獲得與未來(lái)的諧振梁對(duì)應(yīng)的第三單晶硅層16。由于圖4(b)結(jié)構(gòu)表面存在由第二SiO2掩埋層14與第二單晶硅層15構(gòu)成的5～12μm高的“工字形”凸臺(tái)，已不是完整平面，為保證光刻質(zhì)量，淀積聚酰亞胺進(jìn)行表面平整化，之后在聚酰亞胺表面淀積TEOS，最后涂敷光刻膠。刻蝕時(shí)，依光刻膠→SiO2→聚酰亞胺→SCS的次序轉(zhuǎn)移圖形，最后去除掩模材料。版圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)補(bǔ)償圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程的誤差，并且，為避開(kāi)凸臺(tái)的邊緣部分，矩形的第三單晶硅層16比其下方的第二SiO2掩埋層14的對(duì)應(yīng)部分略為縮短。
(3)如圖4d在圖4c結(jié)構(gòu)表面生長(zhǎng)6～12μm摻雜濃度與第三單晶硅層16接近的第一外延層17。由于外延工藝固有的選擇性，外延層只會(huì)生長(zhǎng)在第三單晶硅層16及襯底11暴露部分的表面，故第一外延層17具有圖中的H型結(jié)構(gòu)。由于外延工藝固有的局部效應(yīng)，襯底表面外延層的厚度大于第三單晶硅層16表面外延層的厚度，故外延層厚度應(yīng)以前者為準(zhǔn)。
(4)如圖4e所示，在圖4d結(jié)構(gòu)表面淀積約15μm的TEOS，填充低凹部，然后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，獲得完整的平面化表面；之后再進(jìn)行一次化學(xué)拋光，以進(jìn)一步消除表層應(yīng)力。化學(xué)拋光的去除量應(yīng)盡可能薄(0.5μm以下)，避免降低表面平坦度。此時(shí)，第三單晶硅層16應(yīng)減薄為1～2μm的第四單晶硅層18，第一外延層17相應(yīng)減薄為2～4μm的第二外延層19。
(5)如圖4f所示，以步驟(3)的摻雜濃度在第四單晶硅層18和第二外延層19表面選擇性生長(zhǎng)第三外延層20。第三外延層20的厚度決定諧振梁的厚度，例如4μm厚的第三外延層將獲得6～8μm厚的諧振梁。
(6)如圖4g所示，此時(shí)第四單晶硅層18、第二外延層19和第三外延層20構(gòu)成1×1019～2×1019cm-3摻雜的單晶硅整體結(jié)構(gòu)，稱之為上層結(jié)構(gòu)21；上層結(jié)構(gòu)21則通過(guò)兩側(cè)加寬的固支區(qū)22與襯底11形成單晶硅整體結(jié)構(gòu)。采用HF濕法刻蝕去除所有剩余的SiO2，釋放出諧振梁2，諧振梁2由第三外延層20中間段和第四單晶硅層18組成，與下方的襯底11具有1～2μm安全距離，即SiO2掩埋層的厚度。
(7)在固支區(qū)22表面制作電極，最終獲得圖1所示結(jié)構(gòu)。
(8)對(duì)襯底11進(jìn)行加工，使其具有敏感特定物理量的功能，具體見(jiàn)下文對(duì)基體1實(shí)施方式的討論。
上述工藝只需1～2次外延，2次外延的工藝條件完全相同，且完全采用濕法刻蝕，不需要干法刻蝕和電化學(xué)腐蝕，因而工藝簡(jiǎn)單，成本較低。利用SOI晶片的單晶硅層和外延層構(gòu)成諧振梁，摻雜濃度適中，且單晶硅整體結(jié)構(gòu)上除電極外不存在異種材料，熱穩(wěn)定性得到了保證。由于襯底摻雜濃度很低，而外延層摻雜濃度較高，有助于避免自摻雜效應(yīng)，工藝性好。
在各部分摻雜濃度的選取上，主要考慮工藝條件、絕緣/導(dǎo)電性能和機(jī)械性能。從絕緣性能考慮，襯底以本征單晶硅為最優(yōu)，但實(shí)際難以做到，故以體電阻率不低于50Ω·cm為準(zhǔn)，此時(shí)摻雜濃度上限約1014cm-3。從導(dǎo)電性能考慮，上層結(jié)構(gòu)的摻雜濃度應(yīng)盡可能高，但為避免晶格失配造成的外延層質(zhì)量下降和嚴(yán)重內(nèi)應(yīng)力，采用1～2×1019cm-3摻雜濃度。此時(shí)晶格失配很小，且體電阻率約5×10-3Ω·cm，長(zhǎng)×寬×厚＝800×80×8μm3的諧振梁的電阻約63Ω，從電路設(shè)計(jì)角度已經(jīng)足夠小了。
諧振梁2底部2μm來(lái)自單晶硅層13，若其摻雜濃度低于第二外延層20)摻雜濃度，所產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力將使諧振梁有下凹的趨勢(shì)，減小諧振梁2與襯底11間的安全距離，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使二者接觸而造成結(jié)構(gòu)失效。從這個(gè)角度，單晶硅層的摻雜濃度應(yīng)略高于外延層，例如2.5×1019cm-3。但這樣的SOI晶圓有時(shí)無(wú)法直接得到，此時(shí)可對(duì)單晶硅層13增加擴(kuò)磷工序。
如圖3、圖5采用間歇式工作方式構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)包括激勵(lì)電路、諧振梁、檢測(cè)電路和控制電路，在激勵(lì)狀態(tài)，控制電路控制激勵(lì)電路輸出激振信號(hào)，使諧振梁起振；在檢測(cè)狀態(tài)，控制電路控制激勵(lì)電路關(guān)閉激振信號(hào)，諧振梁2進(jìn)入自由振動(dòng)狀態(tài)，振幅逐漸衰減但仍能保持一段時(shí)間，控制電路控制檢測(cè)電路利用這段時(shí)間進(jìn)行拾振信號(hào)的檢測(cè)和放大，待諧振梁2接近停振狀態(tài)，激勵(lì)電路再次輸出激振信號(hào)，使諧振梁再次起振，如此重復(fù)。
激勵(lì)電路采用基于直接數(shù)字合成(DDS)或壓控振蕩器(VCO)的信號(hào)發(fā)生電路，檢測(cè)電路包括低噪聲放大器和降噪濾波器等環(huán)節(jié)，而控制電路包括A/D、D/A及微控制器(MCU)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等部件，但不同應(yīng)用場(chǎng)合可能做出非常多樣的具體設(shè)計(jì)，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易實(shí)現(xiàn)，這里不予詳述。
對(duì)于本發(fā)明中的磁場(chǎng) 的發(fā)生裝置，從空間布置方式的角度，有兩種典型的實(shí)施方式。但無(wú)論采用哪一種空間布置方式，都要求穿過(guò)梁的磁力線與y軸近似平行。
(1)兩塊磁體布置在微機(jī)械器件上非常靠近諧振梁2的位置，異極相對(duì)，相背磁極以導(dǎo)磁體連接(圖中未畫出)，如圖6所示。這種方式的磁鐵和導(dǎo)磁體都較小，有利于降低整個(gè)微機(jī)械器件的體積和重量；磁路范圍小，磁感泄漏小；但加工安裝較困難。
(2)兩塊磁體布置在整個(gè)微機(jī)械器件的兩側(cè)，異極相對(duì)，相背磁極以導(dǎo)磁體連接(圖中未畫出)，如圖7所示。這種方式的磁鐵和導(dǎo)磁體的體積和重量都較大；磁路范圍大，磁感泄漏也較大；傳感器的其它部件也可能處于磁場(chǎng)中，若這些部件對(duì)磁場(chǎng)敏感則可能產(chǎn)生不利影響；但這種結(jié)構(gòu)加工安裝容易，只要采取適當(dāng)?shù)拇牌帘未胧?，在很多具體場(chǎng)合還是值得嘗試的。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)可用于測(cè)量多種物理量。通過(guò)對(duì)基體1結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其對(duì)特定物理量敏感，隨該物理量產(chǎn)生相應(yīng)變形，并在諧振梁2兩端產(chǎn)生相應(yīng)張力，就可以構(gòu)成檢測(cè)該物理量的傳感器(敏感結(jié)構(gòu))。以下為兩種典型實(shí)施萬(wàn)式。
使基體1敏感分布?jí)毫?，可?gòu)成壓力敏感結(jié)構(gòu)，如圖8所示。采用各向異性刻蝕在襯底11背面加工深槽，深槽四周的厚部成為隔離區(qū)，深槽底部薄膜成為彈性膜片4；隔離區(qū)與玻璃底座四邊鍵合以實(shí)現(xiàn)氣密；彈性膜片在均布?jí)毫ψ饔孟掳l(fā)生撓曲，使梁兩固支端發(fā)生相對(duì)位移，控制梁的諧振頻率(位移→軸向張力→軸向應(yīng)力→剛度→諧振頻率)，從而在諧振頻率與被測(cè)壓力間建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。一組典型參數(shù)為量程0～350kPa，彈性膜片長(zhǎng)×寬×厚＝2×2×0.2mm3，諧振梁長(zhǎng)×寬×厚＝800×80×8μm3。
對(duì)上述壓力傳感器的基體1稍做修改，背面利用鍵合工藝連接質(zhì)量塊，連同膜片本身的等效質(zhì)量為m，使膜片感受加速度a產(chǎn)生的集中力F＝ma，即可構(gòu)成加速度敏感結(jié)構(gòu)，如圖9。此時(shí)無(wú)氣密問(wèn)題，故膜片僅在梁長(zhǎng)度方向上的兩邊與底座結(jié)合，以提高靈敏度。
權(quán)利要求
1.電磁-磁電式微機(jī)械諧振梁結(jié)構(gòu)，由基體(1)和磁場(chǎng) 中的諧振梁(2)構(gòu)成，基體(1)包括一個(gè)隨被測(cè)物理量變化而變形的彈性膜片(4)，諧振梁(2)兩端固支于彈性膜片(4)表面，其固有頻率隨彈性膜片(4)變形而變化，實(shí)現(xiàn)輸入物理量的諧振式測(cè)量；基體(1)和諧振梁(2)采用SOI晶圓，以外延和刻蝕工藝加工而成；諧振梁(2)兩端具有電極，并與磁場(chǎng) 方向正交，通過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生厚度方向的安培力，振動(dòng)時(shí)在兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，采用間歇式工作方式構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，以徹底解決耦合干擾問(wèn)題。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁-磁電式微機(jī)械諧振梁結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的磁場(chǎng) 采用永磁體或電磁線圈產(chǎn)生，相異磁極位于諧振梁(2)兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁-磁電式微機(jī)械諧振梁結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的基體(1)和諧振梁(2)采用的SOI晶圓由襯底(11)、SiO2掩埋層(12)、單晶硅層(13)組成，SiO2掩埋層(12)厚1～2μm；單晶硅層(13)為摻雜N型，摻雜濃度1×1019～2×1019cm-3，厚4～10μm；襯底(11)為低摻雜N型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁-磁電式微機(jī)械諧振梁結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的基體(1)和諧振梁(2)采用SOI晶圓，以外延和刻蝕工藝加工，其加工方法如下(1)利用刻蝕工藝對(duì)所述SOI晶圓的單晶硅層13和SiO2掩埋層(12)進(jìn)行選擇性去除，將SiO2掩埋層(12)的保留部分用作犧牲層；(2)在結(jié)構(gòu)表面生長(zhǎng)N型摻雜濃度與單晶硅層(13)接近的第一外延層(17)，連接單晶硅層(13)的保留部分與襯底(11)，構(gòu)成單晶硅整體結(jié)構(gòu)；(3)淀積TEOS，利用化學(xué)機(jī)械拋光平面化，再次生長(zhǎng)同樣摻雜的第二外延層(20)，構(gòu)成新的單晶硅整體結(jié)構(gòu)；(4)利用選擇性刻蝕去除剩余的SiO2，釋放出雙端固支的諧振梁(2)；在諧振梁(2)兩端之外的外延層表面制作電極，以連接電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁-磁電式微機(jī)械諧振梁結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的采用間歇式工作方式構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)包括激勵(lì)電路、諧振梁、檢測(cè)電路和控制電路，在激勵(lì)狀態(tài)，控制電路控制激勵(lì)電路輸出激振信號(hào)，使諧振梁起振；在檢測(cè)狀態(tài)，控制電路控制激勵(lì)電路關(guān)閉激振信號(hào)，諧振梁(2)進(jìn)入自由振動(dòng)狀態(tài)，振幅逐漸衰減但仍能保持一段時(shí)間，控制電路控制檢測(cè)電路利用這段時(shí)間進(jìn)行拾振信號(hào)的檢測(cè)和放大，待諧振梁(2)接近停振狀態(tài)，激勵(lì)電路再次輸出激振信號(hào)，使諧振梁再次起振，如此重復(fù)。
全文摘要
電磁－磁電式微機(jī)械諧振梁結(jié)構(gòu)，由基體和磁場(chǎng)中的諧振梁構(gòu)成，以基體彈性膜片和雙端固支簡(jiǎn)單諧振梁構(gòu)成復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸入物理量的諧振式測(cè)量?；w和諧振梁采用SOI晶圓，以外延和刻蝕工藝加工而成，基體為低摻雜，諧振梁為N型1×10
文檔編號(hào)B81C1/00GK1944235SQ20061011427
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月3日
發(fā)明者樊尚春, 邢維巍, 蔡晨光 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)