一种MEMS高灵敏度横向加速度计及其制造工艺制造技术

一种MEMS高灵敏度横向加速度计，包括：测量体、与所述测量体相连接的上盖板以及下盖板；所述测量体包括框架、位于所述框架内的质量块，所述质量块与所述框架之间通过多根弹性梁相连接；所述质量块与所述框架之间设置有相对的梳状耦合结构；所述质量块在水平方向上移动，所述梳状耦合结构用于检测水平方向上的加速度。本加速度计对水平方向上的加速度检测精度高，而且制作工艺简单，对盖板的材料要求低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器领域，尤其涉及一种加速度计及其制造工艺。
技术介绍
现今，加速度计可适用于诸多应用，例如在测量地震的强度并收集数据、检测汽车碰撞时的撞击强度、以及在手机及游戏机中检测出倾斜的角度和方向。而在微电子机械系统（MEMS）技术不断进步的情况下，许多纳米级的小型加速度测量仪已经被商业化广泛采用。传统的横向电容式加速度计，例如专利号为US5563343的美国专利通常采用梳齿型电容，然而由于制造工艺的限制，弹性梁只能制作在器件的一面，无法形成上下对称的结构，因此质量块不能很大，否则会导致加速度计的稳定性能不好。此外，为了得到较大的梳齿面积，要将梳齿在竖直方向上加厚，使得制造成本会非常高，因此梳齿一般无法达到与质量块相同的厚度，质量块厚度大于梳齿的结构会出现不平衡，这也容易产生交叉串扰，影响加速度计的检测精度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种串扰较小地检测水平方向上的加速度，并具有较高的稳定性和可靠性的MEMS高灵敏度横向加速度计。按照本专利技术提供的一种MEMS高灵敏度横向加速度计，包括：测量体、与所述测量体相连接的上盖板以及下盖板；所述测量体包括框架、位于所述框架内的质量块，所述质量块与所述框架之间通过多根弹性梁相连接；所述质量块与所述框架之间设置有相对的梳状耦合结构；所述质量块在水平方向上移动，所述梳状耦合结构用于检测水平方向上的加速度。本专利技术中的MEMS高灵敏度横向加速度计还包括如下附属特征：所述框架上形成有多个梳齿，所述质量块上形成有多个梳齿；框架梳齿与质量块梳齿相互交叉配合，形成所述梳状耦合结构。所述框架梳齿和所述质量块梳齿之间形成有活动间隙，并在所述活动间隙内形成检测电容。所述测量体通过检测所述质量块梳齿侧壁与所述框架梳齿侧壁之间的重合面积的变化引起的电容值变化来检测加速度。所述测量体通过检测所述质量块梳齿的侧壁与所述框架梳齿的侧壁的间距变化引起的电容值变化来检测加速度。所述弹性梁为U型梁。所述上盖板及所述下盖板上设置有吸附剂。所述梳状耦合结构上设置有电极。所述测量体采用包括有上硅层及下硅层的绝缘体上外延硅结构，每层硅层之间分别设置有氧化埋层。所述测量体采用双面绝缘体上外延硅结构，包括上硅层、中间硅层及下硅层；每两层硅层之间分别设置有二氧化硅层。所述上盖板及所述下盖板的材料为硅片或玻璃片。一种MEMS高灵敏度横向加速度计的制造工艺，所述制造工艺包括以下步骤：第一步，在所述绝缘体上外延硅硅片的正面及背面生长或淀积出二氧化硅层；第二步，在所述绝缘体上外延硅硅片的正面及背面淀积一层氮化硅层；第三步，通过光刻及刻蚀，将所述绝缘体上外延硅硅片背面的部分氮化硅层及二氧化硅层去除，并露出下硅层；第四步，将下硅层暴露在外的部分刻蚀至氧化埋层；第五步，将暴露在外的氧化埋层去除；第六步，将绝缘体上外延硅硅片背面的氮化硅层及二氧化硅层去除；第七步，将两块绝缘体上外延硅硅片进行背对背硅-硅键合；形成质量块和框架；第八步，对键合后的硅片的正面及背面的进行光刻、刻蚀及深度刻蚀；在框架和质量块之间刻蚀出多个通孔，从而形成自由活动的弹性梁；第九步，将键合后的硅片的正面及背面的氮化硅层及二氧化硅层去除，形成完整的测量体；第十步，将键和后的硅片与上盖板及下盖板进行键合，形成完整的MEMS高灵敏度横向加速度计。一种MEMS高灵敏度横向加速度计的制造工艺，所述制造工艺包括以下步骤：第一步，在双面绝缘体上外延硅硅片的上下硅层上分别通过光刻、深度刻蚀及刻蚀形成多个深至中间硅层的孔；第二步，在所述孔内沉积多晶硅并填满所述孔；然后在所述双面绝缘体上外延硅硅片的上下硅层的表面生长出二氧化硅层；第三步，在所述双面绝缘体上外延硅硅片的上下硅层上通过光刻、深度刻蚀及刻蚀形成多个弹性梁及梳状耦合结构；并通过高温氧化在所述弹性梁、所述梳状耦合结构的露置在外的表面上生长出二氧化硅，或者用化学淀积方法淀积一层二氧化硅；第四步，通过光刻及刻蚀将露置在外的所述中间硅层上的二氧化硅去除，并深度刻蚀所述中间硅层至一定深度；第五步，将框架与质量块之间的中间硅层腐蚀，从而形成自由运动的弹性梁；第六步，将露置在外的所述二氧化硅腐蚀；第七步，将上盖板、处理后的所述双面绝缘体上外延硅硅片、以及下盖板进行一次性键合。对所述上盖板及下盖板的加工工艺还包括：A、在所述上盖板和所述下盖板的键合面上分别通过光刻、深度刻蚀及刻蚀各自形成一个凹陷区；B、与所述绝缘体上外延硅硅片键合之前，对所述上盖板及所述下盖板进行清洗。对所述上盖板及下盖板的加工工艺还包括：A、在所述上盖板和所述下盖板的键合面上分别通过光刻、深度刻蚀及刻蚀各自形成一个凹陷区；B、在所述凹陷区内涂覆吸附剂；C、与所述绝缘体上外延硅硅片键合之前，对所述上盖板及所述下盖板进行清洗。所述深度刻蚀及所述刻蚀的方法为以下方法中的一种或多种方法：干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀包括：硅的深度反应离子刻蚀及反应离子刻蚀。所述用于腐蚀硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合：氢氧化钾、四甲基氢氧化氨、乙二胺磷苯二酚或气态的二氟化氙。所述用于腐蚀二氧化硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合：缓冲氢氟酸、49%氢氟酸或气态的氟化氢。按照本专利技术所提供的一种MEMS高灵敏度横向加速度计及其制造工艺具有如下优点：首先，本MEMS高灵敏度横向加速度计可以通过测量在质量块和框架之间的电容值来检测水平方向的加速度，而在质量块和内框架之间设置的多个梳齿在竖直方向上很厚，而且在框架和质量块的上半部分及下半部分都设置有梳齿，本方案不仅仅增加了电容，也增加了检测精度。此外，本加速度计中的质量块由两块质量块键合而成，总体质量很大，具有较高的检测灵敏度。再次，由于在测量体的上半部分及下半部分对称地设置有弹性梁，因此本加速度计能有效减小非敏感方向的扭动、振动等所造成的影响，稳定性好。最后，本加速度计中质量块运动均在一个平面内，压膜阻尼较小，即使在真空度不高的工作环境中也可以正常工作。因此对制造工艺的要求得以降低。而且本加速度计中上盖板和下盖板上并不设有电极，盖板只是起到保护测量体的作用。这样的话对盖板所采用的材料要求也得以降低。也大大降低了制造成本。而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS高灵敏度横向加速度计，包括：测量体、与所述测量体相连接的上盖板以及下盖板；所述测量体包括框架、位于所述框架内的质量块，其特征在于，所述质量块与所述框架之间通过多根弹性梁相连接；所述质量块与所述框架之间设置有相对的梳状耦合结构；所述质量块在水平方向上移动，所述梳状耦合结构用于检测水平方向上的加速度。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS高灵敏度横向加速度计，包括：测量体、与所述测量体
相连接的上盖板以及下盖板；所述测量体包括框架、位于所述框架内的
质量块，其特征在于，所述质量块与所述框架之间通过多根弹性梁相连
接；所述质量块与所述框架之间设置有相对的梳状耦合结构；所述质量
块在水平方向上移动，所述梳状耦合结构用于检测水平方向上的加速度。
2.如权利要求1所述的MEMS高灵敏度横向加速度计，其特征在于，
所述框架和所述质量块上分别形成有多个梳齿，框架梳齿与质量块梳齿
相互交叉配合，形成所述梳状耦合结构。
3.如权利要求2所述的MEMS高灵敏度横向加速度计，其特征在于，
所述框架梳齿和所述质量块梳齿之间形成有活动间隙，并在所述活动间
隙内形成检测电容。
4.如权利要求3所述的MEMS高灵敏度横向加速度计，其特征在于，
所述测量体通过检测所述质量块梳齿侧壁与所述框架梳齿侧壁之间的重
合面积的变化引起的电容值变化来检测加速度。
5.如权利要求3所述的MEMS高灵敏度横向加速度计，其特征在于，
所述测量体通过检测所述质量块梳齿的侧壁与所述框架梳齿的侧壁的间
距变化引起的电容值变化来检测加速度。
6.如权利要求1所述的MEMS高灵敏度横向加速度计，其特征在于，
所述弹性梁为U型梁。
7.如权利要求1所述的MEMS高灵敏度横向加速度计，其特征在于，
所述上盖板及所述下盖板上设置有吸附剂。
8.如权利要求1所述的MEMS高灵敏度横向加速度计，其特征在于，
所述梳状耦合结构上设置有电极。
9.如权利要求1所述的MEMS高灵敏度横向加速度计，其特征在于，
所述测量体采用包括有上硅层及下硅层的绝缘体上外延硅结构，每层硅
层之间分别设置有氧化埋层。
10.如权利要求9所述的MEMS高灵敏度横向加速度计，其特征在于，
所述测量体采用双面绝缘体上外延硅结构，包括上硅层、中间硅层及下
硅层；每两层硅层之间分别设置有二氧化硅层。
11.如权利要求1所述的MEMS高灵敏度横向加速度计，其特征在于，
所述上盖板及所述下盖板的材料为硅片或玻璃片。
12.一种MEMS高灵敏度横向加速度计的制造工艺，其特征在于，所
述制造工艺包括以下步骤：
第一步，在所述绝缘体上外延硅硅片的正面及背面生长或淀积出二
氧化硅层；
第二步，在所述绝缘体上外延硅硅片的正面及背面淀积一层氮化硅
层；
第三步，通过光刻及刻蚀，将所述绝缘体上外延硅硅片背面的部分
氮化硅层及二氧化硅层去除，并露出下硅层；
第四步，将下硅层暴露在外的部分刻蚀至氧化埋层；
第五步，将暴露在外的氧化埋层去除；
第六步，将绝缘体上外延硅硅片背面的氮化硅层及二氧化硅层去除；
第七步，将两块绝缘体上外延硅硅片进行背对背硅-硅键合；形成质
量块和框架；
第八步，对键合后的硅片的正面及背面的进行光刻、刻蚀及深度刻

【专利技术属性】
技术研发人员：于连忠，孙晨，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11