本发明专利技术涉及一种基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械加速度传感器，其包括硅-硅直接键合的三层硅晶圆层，依次为固定电极晶圆层、质量块晶圆层、封盖晶圆层；固定电极晶圆层为通孔硅晶圆层，其具有多个垂直的第一固定电极，第一固定电极之间具有垂直的第一绝缘层；质量块晶圆层通过单锚点硅-硅直接键合方式悬挂于通孔硅晶圆层的下方；其包括对称的悬于单锚点两侧的两个大小相同、质量不同的可动质量块，其形成大小相同的质量块电极；质量块电极与第一固定电极为可变电容的两个极。本发明专利技术采用通孔硅作为可变电容传感器结构的电极材料并采用硅-硅直接键合方式，不仅将热应力降至最小，还提升了传感器的性能；并简化了加工工艺，降低了成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种电容式微机械加速度传感器，具体地说，涉及一种基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械加速度传感器。
技术介绍
电容式硅微机械加速度传感器由于具有温度系数低，重复性好，性能稳定，抗冲击等优良特性而被广泛关注，是目前研制最多、应用最广的惯性器件之一。电容式硅微机械加速度传感器的制作方法又分为两大类，第一类是表面微机械加工法，第二类是体硅微机械加工法。前者与集成电路工艺兼容，具有集成度高成本低的优点，但也存在稳定性差，噪声大等缺点。而体硅式加工的微加速度计采用单晶硅作为敏感单元，质量块较大，因而灵敏度高，噪声小，性能稳定。因而高性能加速度计通常采用体硅工艺制作。体硅工艺主要又可分为硅_玻璃键合工艺和硅_硅键合工艺两种。当对传感器的性能要求进一步提高后，比如精度要求达到战术级和导航级后，对材料的热涨系数的匹配要求也更加严格。从这一点来说，硅-硅键合又比硅_玻璃键合更胜一筹。到目前为止，大多数硅-硅键合采用的是共熔键合，共熔材料可以是微晶玻璃浆料或可熔性合金材料，有时还需要一层二氧化硅绝缘材料作为隔离层。然而这些键合共熔材料和隔离材料或多或少会带来一些不匹配热应力问题，从而影响到器件性能。因此，要想彻底消除热应力问题，最好是采用三维硅_硅直接键合，晶圆片之间不夹带任何非硅材料。目前市场上普遍采用的SOI工艺是不可能达到这一要求的。因为晶圆片之间的二氧化硅绝缘层是将质量块和电极之间电隔离必不可少的材料之一。但是这一层绝缘层会或多或少在垂直于晶圆片的方向引起不匹配热应力。近年来发展起来的通孔硅技术是用二氧化硅作为垂直绝缘层，垂直的二氧化硅层对垂直方向的热应力影响较小。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种热应力较小、性能较好的基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械加速度传感器及其加工工艺。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是一种基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械加速度传感器，其包括硅-硅直接键合的三层硅晶圆层，所述的三层硅晶圆层依次为固定电极晶圆层、质量块晶圆层、封盖晶圆层；所述的固定电极晶圆层为通孔硅晶圆层，其具有多个垂直于所述的通孔硅晶圆层的第一固定电极，相邻的第一固定电极之间具有垂直于所述的通孔硅晶圆层的第一绝缘层；所述的质量块晶圆层通过单锚点硅-硅直接键合方式悬挂于所述的通孔硅晶圆层的下方；其包括对称的悬于所述的单锚点两侧的两个可动质量块，两个所述的可动质量块的大小相同、质量不同，其形成质量块电极，所述的质量块电极的大小相同；所述的质量块电极与所述的第一固定电极为可变电容的两个极。优选的，所述的三层硅晶圆层的材料均为高掺杂单晶硅，所述的第一固定电极由所述的高掺杂单晶硅形成。优选的，所述的第一固定电极的宽度为300-600 μ m，长度为500-1000 μ m。优选的，所述的第一绝缘层由二氧化硅形成，所述的第一绝缘层的厚度即相邻的所述的第一固定电极之间的距离为10-20 μ m。优选的，所述的质量块晶圆层的与所述的通孔硅晶圆层相键合的上表面具有第一浅坑，所述的质量块电极位于所述的第一浅坑中，所述的第一浅坑的深度为所述的可变电容的两个极的距离；所述的封盖晶圆层的与所述的质量块晶圆层相键合的表面具有第二浅坑。优选的，一个所述的可动质量块为实心，另一个所述的可动质量块为空心；所述的质量块晶圆层与固定电极晶圆层和封盖晶圆层直接硅-硅键合而被密封于中间。第二种结构为三层结构，所述的封盖晶圆层为与所述的固定电极晶圆层结构相同的通孔硅晶圆层，其具有多个垂直于所述的封盖晶圆层的第二固定电极，相邻的第二固定电极之间具有垂直于所述的封盖晶圆层的第二绝缘层。优选的，所述的质量块晶圆层与所述的固定电极晶圆层和封盖晶圆层直接硅-硅键合而被密封于中间，所述的质量块晶圆层与所述的第一固定电极和所述的第二固定电极上下对称，间距相等。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点1、由于本专利技术采用通孔硅作为可变电容传感器结构的电极材料，即用垂直的电绝缘层将数个电极隔开，而三层硅晶圆层之间不需要夹带任何非硅材料，不仅将热应力降至最小，还有效地减小了器件的尺寸，同时还有效地提升了气密性和可靠性；可以省去通常加速度传感器所需要加的吸气膜层，从而简化了加工工艺，降低了成本；2、由于本专利技术采用单锚点硅-硅直接键合方式将质量块晶圆层悬挂于通孔硅晶圆层的下方，结合硅晶圆层的直接键合，传感器的寄生电容远小于采用SOI工艺制作的差分电容式传感器，使得芯片对于由封装贴片产生的附加应力几乎不敏感，从而大大提高了传感器的性能；3、由于本专利技术采用封盖晶圆层作为衬底材料，其通过贴片与封装衬底材料相连接，把传感器电极与质量块通过封盖晶圆层与封装材料相隔离开，可以减小应力、提高传感器性能；4、由于本专利技术的质量块晶圆层具有大小相同、质量不同的可动质量块，其质量块电极面积相同，因而阻尼也相同，使得两个可动质量块的振动阻尼达到平衡，有效的降低了振动整流误差。附图说明附图1为本专利技术的实施例一的加速度传感器的剖面图。附图2为本专利技术的实施例一的加速度传感器的立体示意图。附图3为本专利技术的实施例一的加速度传感器的通孔硅晶圆层的立体示意图。附图4为本专利技术的实施例一的加速度传感器的质量块晶圆层的立体示意图。附图5为本专利技术的实施例一的加速度传感器的封盖晶圆层的立体示意图。附图6为本专利技术的实施例一的加速度传感器的三层硅晶圆片相直接键合的示意图。附图7为本专利技术的实施例二的加速度传感器的剖面图。以上附图中1、固定电极晶圆层；2、质量块晶圆层；3、封盖晶圆层；4、第一固定电极；5、第一绝缘层；6、第一金属电极；7、单锚点；8、空心质量块电极；9、实心质量块电极； 10、第二固定电极；11、第二绝缘层；12、第二金属电极。具体实施例方式下面结合附图所示的实施例对本专利技术作进一步描述。实施例一参见附图1至附图5所示。一种基于硅通孔技术的硅晶圆直接键合的微机械加速度传感器，其包括硅-硅直接键合的三层硅晶圆层，三层硅晶圆层依次为固定电极晶圆层1、质量块晶圆层2、封盖晶圆层3。三层硅晶圆层的材料均为高掺杂单晶硅。质量块晶圆层2与固定电极晶圆层1和封盖晶圆层3直接硅-硅键合而被密封于中间。固定电极晶圆层1为通孔硅晶圆层，其具有多个垂直于通孔硅晶圆层的第一固定电极4，相邻的第一固定电极4之间具有垂直于通孔硅晶圆层的第一绝缘层5。第一固定电极4由高掺杂单晶硅形成，第一绝缘层5由二氧化硅形成。第一固定电极4的面积较大，其宽度为300-600 μ m,长度为500-1000 μ m,第一绝缘层5的厚度即相邻的第一固定电极4之间的距离为10-20 μ m，典型值是20 μ m。通孔硅晶圆层的未与质量块晶圆层2相键合的外表面具有与第一固定电极4相对应的第一欧姆接触窗口，第一欧姆接触窗口中由金属铝薄膜形成第一金属电极6。质量块晶圆层2通过单锚点7硅-硅直接键合方式悬挂于通孔硅晶圆层的下方。 其包括对称的悬于单锚点7两侧的两个可动质量块，两个可动质量块通过弹簧悬臂梁连接并对称的悬于单锚点7的两侧。两个可动质量块的大小相同、质量不同。一个可动质量块为实心，另一个可动质量块为空心。可动质量块形成质量块电极，分别为空心质量块电极8 和实心质量块电极9，两个质量块电极的大小相同。质量块晶圆层2的与通孔本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭述文，
申请(专利权)人：苏州文智芯微系统技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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