Технология изготовления пьезорезистивного, емкостного и гребенчатого акселерометров

Многие компании предлагают ёмкостные объёмно сформированные акселерометры. Датчик состоит из стека трёх пластин с пружинами и инерциальной массы, расположенной посередине пластины. Инерциальная масса представляет собой подвижный электрод схемы переменного дифференциального конденсатора. Две внешних пластины идентичны и представляют собой неподвижные электроды двух конденсаторов. Отверстия сквозь инерциальную массу снижают эффект затухания, вызвываемый воздухом, попавшим в закрытую полость, увеличиваю рабочую полосу датчика. В отличие от других разработок, контакты к электродам расположены на стороне ___ и должны быть определны после того, как пластину поделят на отдельные части. Данные сенсоры хороши для измерений от ±0,5 до ±12 G. Электронные схемы определяют изменение в ёмкости конденсаторов и преобразуют данный сигнал в выходное напряжение от 0 до 5 В.

Номинальная ширина спектра до 400Гц при 12 G, чувствительность по поперечной оси менее 5% на выходе, а стресс-тест даёт значение в 20000G.

Три пластины изготавливают отдельно, а потом соединяются посредством анодной склейки (сварки) пластин, сплавления кремния или термокомпрессионной склейки стекла (оксида). Верхняя и нижняя пластины идентичны и сдержат металлический электрод, сформированный стандартными литографическими методами, поверх слоя оксида кремния. Инерциальная масса и шарнир сформированы в средней пластине, посредством четырёх последовательных шагов анизотропного травления в гидрооксиде калия или аналогичном травителе. Во-первых, вытравливаются мелкие выемки с обеих сторон пластины.Три отдельных маскирующих слоя осаждаются, фотолитографируются отдельно. Оксид и нитрид кремния – хороший выбор. Каждый из этих маскирующих слоёв последовательно удаляется после стадии травления в анизотропном жидкостном травителе. Конечный результат представляет собой тонкий шарнирный опорный элемент, который гораздо толще инерциальной массы. Выемки по обе стороны от массы образуют тонкие зазоры для двухпластинчатого конденсатора.

Пьезорезистивные объёмно сформированные акселерометры.

Датчик Endevco состоит из трёх подложек: нижняя – основание, средняя – ядро, состоящее из шарниро-подобной пружины, инерциальной массы и чувствительного элемента, и верхняя подложка представляет собой защитную крышку. Инерциальная масса, подвешенная на прущинках, располагается внутри рамки. Два тонких, легированных бором пьезоэлектрических элемента, созданных по конфигурации моста Уитстона (электрическая цепь, используемая для измерения сопротивления), охватывают узкий зазор в 3,5 мкм между внешней рамкой, окружающей ядро, и инерциальной массой. Пьезорезистор только 0,6 мкм толщиной и 4,2 мкм длиной, что делает его чувствительным к ежиминутным смещениям инерциальной массы. Откликом на внешнее воздействие в 1G являтся сигнал в 25мВ, что на мосте Уитстона даёт напряжение в 10В.

Толстое и узкое шарнирное соединение разрешает движение в плоскости устройства, однако оно является жёстким к нормально направленному воздействию на устройство, что приводит к высокой устойчивости при внеосевых ускорениях. Кроме того внешняя рамка являетс ткже и стопорным устройством, защищающим устройство в случае сильного удара при ускорении. Необходимо ускорение в 6000G для того, чтобы инерциальная масс коснулась рамки, устройство может выдержать стресс-тест в 10000G. Открытые отверстия уменьшают вес инерциальной массы и в соченатии с несгибаемым шарнирным соединением обеспечивают достаточно высокую резонансную частоту в 28кГц.

Процесс изготовления уникален в использовании платин с направлением {110} для ядра устройства. В данном случае направления {111} ортогональны к {100}, что позволяет создавать вертикальны канавки при использовании жидкостных травителей. Изготовление начинается с имплантации бора и диффузии при 1100С для формирования высоколегированные пьезорезисторы p-типа. Для получния максимальной чувствительности пьезорезисторы выровнены по направлениям <111>. Оксид или нитрид кремния выступаю в качестве масок при формировании инерциальной массы и шарнирного соединения во время последующего анизотропного травления. Инерциальная масса ограничена вертикальными плоскостями {111}, придающими ей форму параллелограмма с углами 70,5^o. На последующих шагах изготовления проводится осаждение алюминия и фотолитография для создания алюминиевых соединений и контактных площадок. Мелкие отверстия формируются в основании и крышке перед соединением и склейкой при помощи легкоплавкого стекла.