一种MEMS加速度计及其制造工艺制造技术

本发明专利技术涉及传感器领域，尤其涉及一种MEMS加速度计，上盖板、器件层以及下盖板；所述器件层包括：锚点、质量块、解耦梁以及加速度检测结构；所述解耦梁用于连接所述锚点以及所述质量块，所述加速度检测结构轴对称设置在所述质量块中，所述加速度检测结构包括：谐振梁以及驱动电极；所述谐振梁的两侧形成有梳齿；所述谐振梁一侧的梳齿与所述驱动电极相叠加；另一侧的梳齿与所述质量块上的梳齿相叠加；所述驱动电极向所述谐振梁施加电驱动信号，所述加速度检测结构通过检测谐振梁的谐振频率来检测加速度。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS加速度计及其制造工艺
本专利技术涉及一种MEMS传感器，特别是一种MEMS加速度计。
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。通常加速度计只能够测量X、Y、Z轴中一个平面方向上的加速度，如果需要测量三个维度的加速度的话则需要分别设置三个加速度计。为此，设计者也应需要设计出可以直接检测三个维度的加速度。例如公开号为CN102798734的中国专利技术专利申请，其使用了三个独立的质量块，并在每个质量块和支撑框体直接形成梳齿结构，每个质量块负责检测一个平面方向上的加速度。虽然这种结构可以直接检测出三个方向上的加速度，但其需要设置三个独立的质量块，质量块和框架并不能重复利用，以至于整体的芯片面积非常的大。此外，在现实情况中，加速度经常是X、Y、Z轴三个向量的组合。在检测时，三个独立的质量块都会产生位移，质量块与质量块之间的串扰和噪音也会影响检测结果的精度。此外，通过检测质量块和框架之间梳齿的间距和/或重叠面积变化的方式的精度本身就比较低。而由于设置了三个不同的质量块，为了达到准确的检测结果，其对各个质量块以及弹性梁之间的一致性要求非常高，以至于其对整体的加工工艺上要求也会非常高。
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，提供一种具有较高的精度，并且检测误差小，性能稳定的MEMS加速度计。一种MEMS加速度计，包括：上盖板、器件层以及下盖板；所述器件层包括：锚点、质量块、解耦梁以及加速度检测结构；所述锚点与所述上盖板以及下盖板相固定；所述解耦梁用于连接所述锚点以及所述质量块，所述加速度检测结构轴对称设置在所述质量块中，所述加速度检测结构包括：谐振梁以及驱动电极；所述谐振梁的两个末端分别与锚点相连接；所述谐振梁的两侧形成有梳齿；所述谐振梁一侧的梳齿与所述驱动电极相叠加；谐振梁另一侧的梳齿与所述质量块上的梳齿相叠加；所述驱动电极向所述谐振梁施加电驱动信号，使得所述谐振梁振动，所述加速度检测结构通过检测谐振梁的振动频率来检测加速度。本专利技术还包括以下附属特征：所述驱动电极的电驱动信号包括：正弦波、方波、三角波；所述电驱动信号的频率在：10赫兹至10兆赫兹之间。所述质量块中分别设置有三组加速度检测结构组，每组加速度检测结构组中包括至少两个加速度检测结构，所述加速度检测结构组分别通过差分方式检测所述质量块在三个维度上的位移。所述质量块上形成有凹陷区，位于所述凹陷区中的质量块侧壁上形成有梳齿，所述加速度结构设置在所述凹陷区域中。所述谐振梁的梳齿高度与所述质量块侧壁上的梳齿高度相同。所述谐振梁的梳齿高度不大于所述质量块侧壁上的梳齿高度，所述谐振梁的梳齿的一端与所述质量块侧壁上的梳齿相平齐。所述谐振梁的梳齿高度为所述质量块侧壁上的梳齿高度的一半，所述谐振梁的梳齿的一端与所述质量块侧壁上的梳齿相平齐。所述解耦梁包括解耦梁框架以及音叉型解耦梁；所述解耦梁框架与所述锚点相连接，所述质量块通过音叉型解耦梁与所述解耦梁框架相连接。一种MEMS加速度计的制造工艺，所述制造工艺包括以下步骤：第一步，利用高温生长或者化学淀积法，在绝缘体上硅片的顶面和底面上形成二氧化硅层；第二步，通过光刻以及刻蚀，在所述绝缘体上硅片的顶面的二氧化硅层上刻蚀出一个深至上硅层的槽；第三步，通过化学淀积法，在所述绝缘体上硅片的顶面上进一步淀积一层氮化硅层；第四步，通过光刻以及刻蚀，对所述绝缘体上硅片的顶面上的氮化硅层和二氧化硅层进行刻蚀，形成多个深至上硅层的槽；第五步，通过光刻以及刻蚀，对所述绝缘体上硅片的底面上的二氧化硅层进行刻蚀，形成多个深至下硅层的槽；第六步，进一步对所述绝缘体上硅片的下硅层以及氧化埋层进行刻蚀，形成一定深度的凹陷区和深至所述上硅层的槽；第七步，在所述深至上硅层的槽中淀积金属，引出电极；第八步，通过光刻以及刻蚀，在所述绝缘体上硅片底面上的相应位置刻蚀出深至上硅层的图形，形成质量块、谐振梁以及梳齿结构；第九步，将所述绝缘体上硅片底面上的二氧化硅层去除；第十步，将所述绝缘体上硅片的底面与下盖板进行阳极键合；第十一步，对所述绝缘体上硅片的顶面进行刻蚀，将暴露在外的上硅层去除，形成自由活动的质量块、谐振梁以及梳齿结构；第十二步，将所述绝缘体上硅片顶面的氮化硅层去除，并进一步对暴露在外的上硅层进行刻蚀至一定深度；第十三步，将所述绝缘体上硅片顶面的二氧化硅层去除；第十四步，将所述绝缘体上硅片的顶面与上盖板进行键合，形成完整的加速度计。对于所述下盖板的制造工艺还包括：第一步，通过光刻和刻蚀，在所述下盖板的底面上刻蚀出多个孔；第二步，在所述孔中淀积金属；第三步，在所述下盖板的顶面进行刻蚀，形成键合凹陷区；第四步，在所述键合凹陷区中淀积金属，在与所述孔中的金属相连接；对于所述上盖板的制造工艺还包括：通过光刻和刻蚀在所述上盖板的底层形成键合凹陷区。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、反应离子、以及气态的二氟化氙刻蚀和氧化硅的反应离子、等离子、以及气态的氟化氢刻蚀。用于湿法刻蚀所述上硅层及下硅层的刻蚀剂为以下刻蚀剂中的一种或多种的组合：氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、或乙二胺邻苯二酚腐蚀液。所述用于湿法刻蚀所述二氧化硅层的刻蚀剂为以下刻蚀剂中的一种或多种的组合：氢氟酸以及缓冲氢氟酸。相对于传统的加速度计，本专利技术的技术方案具有以下优点：首先，本专利技术采用了检测谐振梁的谐振频率变化来检测加速度。相对于传统技术中通过检测电容变化来检测加速度的方式精度更高，也减少了传统加速度计中机械耦合的问题。而且检测频率的方式也更容易转化为数字信号，对后期的信号处理以及对计算机的接口也更加容易。其次，本专利技术中采用了一整块质量块来检测X、Y、Z轴三个方向上的加速度，降低了使用多个质量块之间的串扰和噪音。此外，相对于三个单独的质量块来说，一个质量块的体积和质量都更大，使得本加速度计的检测灵敏度也更高，也减少了各个质量块之间的串扰。本加速度计通过差分来检测频率，一方面增加了检测精度，另一方面也减少了外界加速度变化而产生的非线性变化对谐振梁频率的影响。附图说明图1为加速度计的侧视图。图2为本加速度计器件层的俯视图。图3为加速度计中检测水平方向加速度的谐振梁的放大示意图。图4为加速度计中检测垂直方向上加速度的谐振梁组示意图。图5为加速度计中垂直方向上未出现和出现加速度时质量块和谐振梁的示意图。图6为加速度计芯片制造工艺的初始状态以及第一步的示意图。图7为加速度计芯片制造工艺的第二步、第三步示意图。图8为加速度计芯片制造工艺的第四步、第五步示意图。图9为加速度计芯片制造工艺的第六步、第七步示意图。图10为加速度计芯片制造工艺的第八步、第九步示意图。图11为加速度计芯片制造工艺的第十步、第十一步示意图。图12为加速度计芯片制造工艺的第十二步、第十三步示意图。图13为加速度计芯片制造工艺的第十四步示意图。图14为加速度计芯片制造工艺的第十五步示意图。图15为加速度计芯片制造工艺的第十六步示意图.图16为加速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS加速度计，包括：上盖板、器件层以及下盖板；所述器件层包括：锚点、质量块、解耦梁以及加速度检测结构；所述锚点与所述上盖板以及下盖板相固定；所述解耦梁用于连接所述锚点以及所述质量块，其特征在于，所述加速度检测结构轴对称设置在所述质量块中，所述加速度检测结构包括：谐振梁以及驱动电极；所述谐振梁的两个末端分别与锚点相连接；所述谐振梁的两侧形成有梳齿；所述谐振梁一侧的梳齿与所述驱动电极相叠加；谐振梁另一侧的梳齿与所述质量块上的梳齿相叠加；所述驱动电极向所述谐振梁施加电驱动信号，使得所述谐振梁振动，所述加速度检测结构通过检测谐振梁的振动频率来检测加速度。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS加速度计，包括：上盖板、器件层以及下盖板；所述器件层包括：锚点、质量块、解耦梁以及加速度检测结构；所述锚点与所述上盖板以及下盖板相固定；所述解耦梁用于连接所述锚点以及所述质量块，其特征在于，所述加速度检测结构轴对称设置在所述质量块中，所述加速度检测结构包括：谐振梁以及驱动电极；所述谐振梁的两个末端分别与锚点相连接；所述谐振梁的两侧形成有梳齿；所述谐振梁一侧的梳齿与所述驱动电极相叠加；谐振梁另一侧的梳齿与所述质量块上的梳齿相叠加；所述驱动电极向所述谐振梁施加电驱动信号，使得所述谐振梁振动，所述加速度检测结构通过检测谐振梁的振动频率来检测加速度。2.根据权利要求1所述加速度计，其特征在于，所述驱动电极的电驱动信号包括：正弦波、方波、三角波；所述电驱动信号的频率在：10赫兹至10兆赫兹之间。3.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述质量块中分别设置有三组加速度检测结构组，每组加速度检测结构组中包括至少两个加速度检测结构，所述加速度检测结构组分别通过差分方式检测所述质量块在三个维度上的加速度。4.根据权利要求3所述的加速度计，其特征在于，所述质量块上形成有凹陷区，位于所述凹陷区中的质量块侧壁上形成有梳齿，所述加速度结构设置在所述凹陷区域中。5.根据权利要求4所述的加速度计，其特征在于，所述谐振梁的梳齿高度与所述质量块侧壁上的梳齿高度相同。6.根据权利要求5所述的加速度计，其特征在于，所述谐振梁的梳齿高度不大于所述质量块侧壁上的梳齿高度，所述谐振梁的梳齿的一端与所述质量块侧壁上的梳齿末端相平齐。7.根据权利要求6所述的加速度计，其特征在于，用于检测垂直加速度的谐振梁的梳齿高度为所述质量块侧壁上的梳齿高度的一半，所述检测垂直加速度的谐振梁的梳齿的一端与所述质量块侧壁上的梳齿末端相平齐。8.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述解耦梁包括解耦梁框架以及音叉型解耦梁；所述解耦梁框架与所述锚点相连接，所述质量块通过音叉型解耦梁与所述解耦梁框架相连接。9.一种MEMS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，利用高温生长或者化学淀积法，在绝缘体上硅片的顶面和底面上形成二氧化硅层；第二步，通过光刻以及刻蚀，在所述绝缘体上硅片的顶面的二氧化硅层上刻蚀出一个深至上硅层的槽；第三步，通过化学淀积法，在所述绝缘体上硅片的顶面上进...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡宗达，李航，于连忠，杨燕，
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