本发明专利技术涉及一种微机械电容式加速度传感器及制作方法，属于微电子机械系统领域。其特征在于，最为关键的就是通过可动质量块上下两面的弹性梁交错分布，不重合，呈９０°交叉或平行分布的设计，利用各向异性腐蚀技术，在（１００）单晶硅片上实现在无凸角补偿下矩形质量块的形成，同时在质量块的上下两面形成直弹性梁结构。利用一般的硅硅键合技术实现了三层硅片的键合。在上电极和中间电极引出的制作上，通过可动质量块电极引出通孔和屋檐形遮挡台在一步淀积上电极和可动电极的引线盘的同时，也实现了两个电极之间的电信号隔离。本发明专利技术简化了制作微机械传感器的工艺，提高了成品率，在提高器件灵敏度的同时也降低了交叉灵敏度，是一种实用的加速度传感器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，更确切地说本专利技术是以硅各向异性腐蚀为关键技术制造微机械电容式加速度传感器的结构和制作方法。属于微电子机械系统领域。
技术介绍
硅微小加速度计是非常重要的微惯性器件，可应用于汽车、机器人以及各种制导和测控系统中。按照敏感原理，微机械加速度传感器大致可以分为压阻式、压电式、厚膜应变计式、电磁式、热电偶式、谐振器式和电容式。其中电容式加速度传感器又可分为力平衡式和非力平衡式。可运动的质量块构成了可变电容的一个可动电极。当质量块受加速度作用而产生位移时，由可动电极和可动电极之间构成的电容量的发生变化，将这种变化量用外围电路检测出来就可测量加速度的大小。为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂形，在设计中都采用增加电极面积和减小电极之间的间距来获得较高的等效电容。为了增加输出信号的线形度，常常采用差动电容式的测量结构。电容式加速度传感器相对于压阻式或压电式而言，具有温度效应小，重复性好等优点，是目前研制最多的一类传感器。制作电容式加速度传感器的方法有表面微机械加工方法和硅体微机械加工方法。采用表面微机械加工方法制作电容式加速度传感器的好处在于与集成电路工艺兼容，可以集成信号处理电路，成本低，但也存在噪声大，稳定性差，量程有限，带宽小等缺点。采用硅体微机械加工方法制作电容式加速度的优点在于噪声低，稳定性好，可具有高灵敏度，具有大阻尼等优点，缺点是体积稍大。以往利用硅体微机械方法制作电容式加速度传感器时，特别是在腐蚀矩形质量块时一般采用凸角补偿的方法，如Raymond K.Erickson，Method forfabricating suspension members for micromachined sensors，US PatentNo.5,484,073，Mar.28，1994。这种方法使得器件在设计时比较复杂，并且尺寸的形状控制较困难。同时他们在制作质量块上下均有梁的器件时，都是采用将两块硅片分别单面腐蚀质量块图形后在进行硅硅键合形成双面都有梁的中间可动电极，这无疑又增加了制作工艺的复杂度。而且在制作弹性梁和质量块时，常常是分两步进行，先腐蚀出质量块图形，而后再用干法刻蚀技术制作弹性梁，如W.S.Henrion，et.al，Sensors structure with L-shaped springlegs，US Patent No.5,652,384，这也增加了工艺的复杂度，而且需要使用昂贵的设备，增加了器件制作的成本。在弹性梁的制作上，以往常常采用高掺杂的自停止腐蚀的方法(包括上述两个专利)，所述的方法虽然能够将梁的厚度控制在很小的范围内，但是由于掺杂的不均匀性，导致梁的厚度的不一致，更重要的是掺杂引入了应力，降低了器件的灵敏度(L.Bruce Wilner，Differential capacitive transducer andmethod of making，US Patent no.4,999,735)。在上电极板，中间可动电极板以及下电极板的电极的制作上，以往的电极制作方法比较复杂，如W.S.Henrion，et.al，Sensors structure with L-shapedspring legs，US Patent No.5,652,384，他们将引线从键合面引出再经过台阶侧壁后引出，增加了工艺制作的难度和复杂度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种。所述的微机械电容式加速度传感器，包括可动质量块、直弹性梁、固定上电极、固定下电极、防过载凸点和可动质量块电极引出通孔，其特征在于 (1)固定上、下电极分别位于可动质量块的上下两边；(2)直弹性梁的一端与可动电极的锚区相连，另一端与可动质量块相连；(3)相互平行的电容极板平行于硅片表面；(4)过载保护的凸点制作在质量块的上下两面。(5)可动质量块电极引出通孔的位置在可动质量块的锚区之上。本专利技术的特征之二在于提供一种微机械电容式加速度传感器结构，通过可动质量块上下两面的弹性梁交错分布，不重合，呈90°交叉或平行分布的设计，在(100)单晶硅片的各向异性腐蚀过程中，能够同时形成具有双层弹性梁的质量块结构。由此制作的微机械电容式加速度传感器，器件具有高度法向的对称性，提高器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，降低了交叉灵敏度。本专利技术的特征之三在于利用可动质量块的八个角处都有直弹性梁，无需采用凸角补偿的结构就可保证最终的质量块经各向异性腐蚀后的为矩形结构，使得预期的器件结构在完成各向异性腐蚀后，能完整保留，不被破坏，简化了结构设计。可动质量块的上表面和下表面分别至少有四根直弹性梁位于四角；硅片表面的四条边对准(100)硅片的<110>晶向；所有直弹性梁尺寸一致。本专利技术的特征之四在于提供一种方便上电极板和中间可动质量块之间电绝缘的方法。由于在微机械电容式加速度传感器的设计中，上电极和中间质量块是不同的电极，因此必须保证两层硅片之间的电绝缘，否则会影响器件的电学性能。通过上电极的背面腐蚀2um深的绝缘层方形窗口，同时在上电极板的正面相同的位置利用各向异性腐蚀技术腐蚀穿通整个硅片，最后在表面制作电极，利用2um的间隙以及两层之间的绝缘层实现上电极板和中间可动电极之间的电绝缘。固定电极和可动质量块之间的间隙在0.5～10um之间；可动质量块电极的引出由绝缘层、隔离间隙、屋檐形遮挡台和可动质量块电极引出通孔实现的；下电极和可动质量块之间通过绝缘层实现电绝缘的。本专利技术的特征之五在于提供了一种实现三层硅片对准键合的方法，大大平衡了弹性梁上由于高温键合产生的热应力，不仅仅简化了工艺同时还能够实现电容极板之间间隙可小于4um，使得制造出来的微机械电容式加速度传感器表现出较高的灵敏度。制作的工艺步骤简单描述如下1.腐蚀形成可动质量块阻尼间隙窗口(1)经过氧化的双抛(100)硅片上下表面利用各向异性腐蚀方法制作阻尼间隙窗口(如设计实例1中的4um)；(2)去除剩下区域的氧化层，二次氧化形成氧化硅，双面光刻，在质量块上下两表面制作Si3N4防过载凸点；(3)光刻可动质量块图形，各向异性双面同时对穿腐蚀或分别进行上下两面的对穿腐蚀同时得到直弹性梁和可动质量块，并且可动质量块上下两面的弹性梁交错分布，不重合，是90°或平行分布，腐蚀深度由硅片的厚度和弹性梁的厚度决定；光刻时可动质量块必须对准<110>晶向；2.固定上电极板经过氧化的双抛(100)硅片双面光刻后，形成隔离间隙；3.固定下电极板直接制作绝缘层(SiO2，Si3N4，SiC等，但不限于此)；4.可动质量块和下电极板首先键合，然后再和上电极板进行真空对准键合；5.正面光刻，而后进行腐蚀(各向异性或者各向同性腐蚀)，形成可动质量块电极引出通孔；6.键合片的上下表面制作(溅射，蒸发等，但不限于此)金属层(Al，Au，Ni等，但不限于此)；上述步骤1中(3)可以分以下两步实施①正面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到直弹性梁和可动质量块；②二次氧化，背面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到直弹性梁和可动质量块，两次腐蚀的深度相同，均由硅片的厚度和弹性梁的厚度决定，硅片的正面质量块至少有四根直弹性梁，分布在可动质量块的角上，硅片的背面本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微机械电容式加速度传感器，其特征在于所述的传感器由可动质量块、直弹性梁、固定上电极、固定下电极、防过载凸点和可动质量块电极引出通孔构成，其中，（１）固定上、下电极分别位于可动质量块的上下两边；（２）直弹性梁的一端与可动电 极的锚区相连，另一端与可动质量块相连；（３）可动质量块上、下两面的直弹性梁交错分布，不重合；（４）相互平行的电容极板平行于硅片表面；（５）过载保护的凸点制作在质量块的上下两表面。（６）可动质量块电极引出通孔的 位置在可动质量块的锚区之上。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：熊斌，范克彬，车录峰，王跃林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。