电容式微加速度传感器及其单片制作方法技术

本发明专利技术提供一种电容式微加速度传感器及其单片制作方法，所述加速度传感器为三明治结构，其制作方法不需要键合工艺，直接由单片双器件层SOI硅片制作形成。该加速度传感器具有双面对称直梁-质量块结构，且所述可动质量块的八个角处的直弹性梁，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，器件具有高度法向的对称性。所述制作方法简化了制作三明治结构电容式加速度传感器的工艺，避免了繁琐的键合工艺，降低了制作工艺的难度，提高了工艺效率和可靠性。同时，该方法极大的降低了制造成本，提高了加速度传感器器件性能及器件成品率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种加速度传感器，特别是涉及一种，属于微电子机械系统领域。
技术介绍
信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用，随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。高精度微加速度传感器是一种重要的惯性传感器，是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。在现代汽车产业，我们大量运用了低成本的微机械加速度传感器，而高精度的加速度传感器则应于倾斜测量，石油探测和地震预报中的振动测试等。对加速度传感器输出的电信号进行积分处理后，我们还可以得到速度和位移，从而将加速度传感器应用于导航领域.依检测方式的不同，MEMS加速度传感器可以分为压阻式，电容式，隧道式和谐振器式等等，其中最常见的是压阻式传感器和电容式传感器。电容式加速度传感器的检测原理是分别制作固定电极和位于质量块上的可动电极。当质量块在加速度下发生位移时，可动电极和固定电极间的距离发生了改变，从而使它们间的电容发生了改变。通过C-V转换电路，我们就可以检测到质量块的位移变化。电容式加速度传感器具有检测精度高，受温度变化影响小的优点，是当前研究、应用最广泛的加速度传感器之一。依结构的不同，电容式加速度传感器可以分为梳齿式和三明治式两大类。总的来说，三明治结构的检测精度更高。制作三明治结构电容式加速度传感器的方法主要是体硅微机械加工方法。体硅微机械加工方法是一种典型的微机械加工方法。为了形成完整的微结构，往往在加工的基础上还应用到键合或粘结技术。能够使得可动电极的敏感质量加大，检测电容量加大，加速度计的分辨率和灵敏度等性能得以提高。由于制作梁-质量块结构以及形成三明治结构的制作方法非常关键，直接影响到电容式加速度传感器的各项性能。现有加速度传感器的制作通常是采用异质自停止方法、浓硼掺杂自停止方法和双层键合硅梁方法来形成梁-质量块结构，并且一般都采用键合技术来形成电容上下固定极板。H. Seidel等人采用浓硼掺杂自停止的方法制作双面平行对称梁_质量块结构，KOH腐蚀形成梁-质量块结构的过程中，浓硼掺杂层起自停止决定梁厚度的作用，同时也作为轻掺杂区域KOH腐蚀的掩模。这种方法的缺点是掺杂浓度不均匀导致梁厚度不均匀以及硼掺杂工艺中产生的残余应力会影响加速度传感器的性能，如灵敏度和线性度等等。加速、度传感器加工工艺过程中有脆弱硅片的键合操作，使得工艺难度增加，从而影响到加速度传感器的成品率。ff. S. Henrion等人采用双层键合硅梁方法，形成双面平行对称梁-质量块结构。此工艺采用KOH腐蚀结合干法深刻蚀释放的方法。首先从背面用KOH将硅片腐蚀到剩余梁的厚度，然后用干法深刻蚀从正面释放出梁-质量块结构。要得到双面结构，可以将两个这样的梁-质量块背靠背键合起来。这种方法的工艺非常复杂，成本相对较高。高成臣等人采用双器件层SOI硅片制作中间片梁-质量块结构，然后通过硅玻璃键合工艺形成电容上下固定极板。此方法一方面由于是玻璃极板作为上下固定极板，所以极板的电极引出比较复杂。另一方面复杂的键合工艺也直接影响到加速度传感器的成品率。 鉴于此，如何提出一种加速度传感器的制作方法以克服现有技术中工艺复杂、成本高、成品率低、检测精度低的缺点，成为亟待解决的问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种，用于解决现有技术中工艺复杂、成本高、成品率低、检测精度低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种电容式微加速度传感器单片制作方法，至少包括I)提供一双器件层SOI基片，该基片由下向上依次包括第一单晶硅器件层、第一埋层氧化硅、中间体硅层、第二埋层氧化硅、以及第二单晶体硅器件层； 2)对所述基片进行双面光刻，在所述第一单晶硅器件层和第二单晶硅器件层上分别形成对称的上直支撑梁、下直支撑梁、上支撑梁锚区、下支撑梁锚区、上固定电极板、下固定电极板、以及释放通孔结构图形；3)利用光刻胶作为掩膜，对所述步骤2)中的结构图形进行ICP干法刻蚀，刻蚀深度分别到达所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅，以形成所述的上直支撑梁、下直支撑梁、上支撑梁锚区、下支撑梁锚区、上固定电极板、下固定电极板、以及释放通孔结构，然后除去光刻胶；4)在暴露出的所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅表面进行光刻，以形成弹性梁、以及可动质量块的结构图形；5)利用光刻胶作为掩膜，对所述步骤4)中的结构图形进行RIE刻蚀，将所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅刻蚀至所述中间体硅层；6)继续以光刻胶作为掩膜，利用ICP干法刻蚀对所述中间体硅层进行预定深度的刻蚀，以形成双面对称的所述弹性梁和可动质量块雏形，并去除光刻胶；7)在所述基片双面热氧化生长一层SiO2保护层，然后对所述基片进行双面光刻，开出硅的各向异性腐蚀窗口图形；8)利用光刻胶作为掩膜，将所述各向异性腐蚀窗口图形的SiO2保护层去除以形成硅的各向异性腐蚀窗口，并去除光刻胶；9)以所述SiO2保护层作为腐蚀掩蔽层，利用各向异性腐蚀方法对所述中间体硅层进行腐蚀，直至所述弹性梁形成，同时腐蚀形成所述的上、下直支撑梁；10)利用湿法或者干法各向同性腐蚀工艺移除各个区域中暴露出的所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅，以释放出所述的上固定电极板、下固定电极板、弹性梁、以及可动质量块结构，并形成加速度传感器的可动电容间隙； 11)在所述基片的第一单晶硅器件层、中间体硅层和第二单晶硅器件层上分别制备金属层，以实现加速度传感器的电极引出。可选地，所述第一单晶硅器件层、所述中间体硅层、以及所述第二单晶体硅器件层均采用〈100〉晶向硅片，光刻时必须严格对准〈110〉晶向。所述第一单晶硅器件层和第二单晶体硅器件层的厚度相同，且所述直支撑梁的厚度取决于所述第一单晶硅器件层或第二单晶体硅器件层的厚度。所述第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅的厚度相同，且所述可动电容间隙取决于所述第一埋层氧化硅或第二埋层氧化硅的厚度。可选地，所述可动质量块以及各该弹性梁均位于中间体硅层上；所述上、下固定电极板分别位于所述的第二单晶硅器件层和第一单晶硅器件层；各该上支撑梁锚区和各该上直支撑梁位于所述的第二单晶硅器件层；各该下支撑梁锚区和各该下直支撑梁位于所述第一单晶娃器件层。可选地，所述步骤9)中利用KOH溶液各向异性腐蚀所述中间体硅层来释放所述弹性梁。可选地，所述步骤10)中湿法腐蚀时采用HF溶液或BOE溶液，或干法腐蚀时采用HF蒸气。可选地，所述步骤11)中金属层的制备采用溅射法或蒸镀法。所述金属层的材质为 Al、Au、或 Ni。一种电容式微加速度传感器，至少包括矩形支撑框体，其上表面对称分布有四个矩形立方体结构的上支撑梁锚区，其下表面对称分布有四个矩形立方体结构的下支撑梁锚区；可动质量块，由多个对称分布在其四个顶角与四个底角上的弹性梁设置在所述支撑框体中，所述弹性梁沿所述可动质量块的水平方向的棱边延伸并连接至所述支撑框体；上固定电极板，由多个对称分布于其四周的上直支撑梁悬设于该可动质量块上方，且与该可动质量块上表面之本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于，至少包括 1)提供一双器件层SOI基片，该基片由下向上依次包括第一单晶硅器件层、第一埋层氧化硅、中间体硅层、第二埋层氧化硅、以及第二单晶体硅器件层； 2)对所述基片进行双面光刻，在所述的第一单晶硅器件层和第二单晶硅器件层上分别形成对称的上直支撑梁、下直支撑梁、上支撑梁锚区、下支撑梁锚区、上固定电极板、下固定电极板、以及释放通孔结构图形； 3)利用光刻胶作为掩膜，对所述步骤2)中的结构图形进行ICP干法刻蚀，刻蚀深度分别到达所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅，以形成所述的上直支撑梁、下直支撑梁、上支撑梁锚区、下支撑梁锚区、上固定电极板、下固定电极板、以及释放通孔结构，然后除去光刻胶； 4)在暴露出的所述第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅表面进行光刻，以形成弹性梁、以及可动质量块的结构图形； 5)利用光刻胶作为掩膜，对所述步骤4)中的结构图形进行RIE刻蚀，将所述第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅刻蚀至所述中间体硅层； 6)继续以光刻胶作为掩膜，利用ICP干法刻蚀对所述中间体硅层进行预定深度的刻蚀，以形成双面对称的所述弹性梁和可动质量块雏形，并去除光刻胶； 7)在所述基片双面热氧化生长一层SiO2保护层，然后对所述基片进行双面光刻，开出硅的各向异性腐蚀窗口图形； 8)利用光刻胶作为掩膜，将所述各向异性腐蚀窗口图形的SiO2保护层去除以形成硅的各向异性腐蚀窗口，并去除光刻胶； 9)以所述SiO2保护层作为腐蚀掩蔽层，利用各向异性腐蚀方法对所述中间体硅层进行腐蚀，直至所述弹性梁形成，同时腐蚀形成所述的上、下直支撑梁； 10)利用湿法或者干法各向同性腐蚀工艺移除各个区域中暴露出的所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅，以释放出所述的上固定电极板、下固定电极板、弹性梁、以及可动质量块结构，并形成加速度传感器的可动电容间隙； 11)在所述基片的第一单晶硅器件层、中间体硅层和第二单晶硅器件层上分别制备金属层，以实现加速度传感器的电极引出。2.根据权利要求I所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于所述第一单晶硅器件层、所述中间体硅层、以及所述第二单晶体硅器件层均采用〈100〉晶向硅片，光刻时必须严格对准〈110〉晶向。3.根据权利要求I所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于所述第一单晶硅器件层和第二单晶体硅器件层的厚度相同，且所述上、下直支撑梁的厚度取决于所述第一单晶硅器件层或第二单晶体硅器件层的厚度。4.根据权利要求I所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于所述第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅的厚度相同，且所述可动电容间隙取决于所述第一埋层氧化硅或第二埋层氧化硅的厚度。5.根据权利要求I所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于所述可动质量块以及各该弹性梁均位于中间体硅层上；所述上、下固定电极板分别位于所述的第二单晶硅器件层和第一单晶硅器件层；各该上支撑梁锚区和各该上直支撑梁位于所述的第二单晶硅器件层；各该下支撑梁锚区和各该下直支撑梁位于所述第一单晶硅器件层。6.根据权利要求I所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于所述步骤9)中利用KOH溶液各向异...

【专利技术属性】
技术研发人员：车录锋，周晓峰，林友玲，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：