一種慣性傳感器的製造方法
2023-11-07 18:01:17 3
一種慣性傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種製造慣性傳感器的方法。慣性傳感器包括至少一個測量梁（23）和一個由標準質量塊（13）以及可變形板（14）構成的活性體，所述活性體通過板（14）被保持懸浮在一個密閉腔內，測量梁（23）將與標準質量塊（13）的一部分連接至前述密閉腔的內壁，所述測量梁（23）的厚度比標準質量塊（13）小。
【專利說明】一種慣性傳感器的製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及慣性傳感器領域，例如加速度計或者速率陀螺儀，其形成於MEMS (「微機電系統」)或NEMS (「納機電系統」)技術中。
[0002]本發明尤其涉及一種製造諧振式或者具有例如為壓阻式的變阻器的慣性梁測量傳感器的方法。
【背景技術】
[0003]一個慣性傳感器，例如加速度計，尤其能夠測量載有加速度計的物體的加速度。這樣的傳感器特別地包括一個標準質量塊(也稱為檢測質量塊)，該質量塊接合至一個或若干測量梁。當傳感器移動時，標準質量塊受到慣性力作用，引起梁的張力。
[0004]對於諧振式測量梁，標準質量塊的質量引起的張力導致諧振器頻率的改變。對於可變阻力式測量梁，如壓阻式，標準質量塊的質量引起的張力導致電阻的改變。通過這樣的性能可以計算加速度。
[0005]通常，用一個大質量的標準質量塊來最大化移動中的慣性力是比較好的方法，這樣可以對測量梁產生足夠的張力。除此之外，用厚度儘可能小的測量梁去最大化由標準質量塊作用於測量梁上的張力也是比較好的。
[0006]文獻EP2211185公開了一種傳感器,該傳感器的標準質量塊的厚度大於梁，同時該文獻還公開了兩種基於SOI (「絕緣體上矽結構」)技術製造該傳感器的方法。
[0007]根據上述文獻中描述的第一種製造方法，首先將應變計蝕刻於SOI基片的表層，然後覆蓋上保護層。接著矽外延被應用於該表層上以便獲得用於形成標準質量塊的具有理想厚度的層。然而，外延生長技術實施起來很繁重而且昂貴並且不能生成大厚度的矽層。由於這些限制，很難使得所述標準質量塊取得優化尺寸及質量，以最大化應變計上的張力
[0008]根據上述文獻中描述的第二種製造方法，首先將標準質量塊蝕刻於SOI基片。納米厚度的多晶矽層澱積形成應變計。然而，小厚度多晶矽層還是難以控制，而且他們的機械和電子特性並不像單晶矽層那麼好。另外，像這麼薄的澱積物可能受張力影響，例如會產生影響應變計性能的形變。因此，用此方法是很難得到一個擁有最優化傳感器靈敏度的機械和電子特性的應變計。
[0009]因此這樣的解決方案是不能夠讓人滿意的，因為我們必須要在低厚度應變計但會損害標準質量塊質量的方案和大質量標準質量塊卻會損害應變計靈敏性的方案之間做出選擇。
【發明內容】
[0010]在這樣的背景下，本發明的目的特別地在於提供一種新的慣性傳感器製造方法，該方法突破了前述方法的限制。本發明特別在於提供一種製造方法能夠優化標準質量塊的尺寸和應變計的尺寸，以提升傳感器的性能。本發明特別地提供一種有更好性能的傳感器，該傳感器包括一個更低厚度的單晶矽應變計和一個更大質量的標準質量塊。[0011]因此本發明的目的在於一種慣性傳感器的製造方法，包括至少:
[0012]形成至少一個由標準質量塊和可變形板(例如，線性彈簧或者扭轉軸)構成的活性體，該活性體蝕刻於第一基片的第一活性層，所述活性層有第一厚度。
[0013]形成至少一個測量梁，蝕刻於第二基片的第二活性層，所述第二活性層有低於第
一厚度的第二厚度。
[0014]密封第一活性層與第二活性層。
[0015]移除第一基片的非活性層，通過蝕刻第三基片形成第一空腔。
[0016]密封第三基片與第一基片的活性層，活性體被置於第一空腔中。
[0017]移除第二基片的非活性層。
[0018]蝕刻第四基片形成第二空腔。
[0019]密封第四基片與第二基片的活性層。
[0020]該方法特別地提供了對梁和活性體的尺寸更好的控制，因此能優化活性體和梁的厚度。該方法特別地能夠獲得非常低厚度的測量梁和更大質量的標準質量塊。此外，可能對測量臂性能造成惡化的張力被全程控制。因此，測量梁的靈敏度被提升了，不受標準質量塊質量的局限。換言之，大質量的標準質量塊和低厚度的測量梁的組合提供了更好的慣性測量檢測的靈敏度。
[0021]作為優選，該方法進一步包括形成處於活性體和測量梁之間的電接觸。例如，這樣的電接觸可以在密封第一活性層與第二活性層時形成，這樣的密封能夠形成梁和活性體之間的機械接觸和電接觸。
[0022]根據一個實施例，測量梁由壓阻材料製成的應變計構成，該壓阻材料的電阻根據質量塊上受到的張力改變。
[0023]根據另一個實施例，測量梁是一種機械諧振器，該諧振頻率隨質量塊上的張力改變。例如，諧振器包括振動板，激勵裝置，檢測振動裝置。
[0024]例如，第一厚度和第二厚度的比值大於或等於5.[0025]該製造方法進一步包括:
[0026]形成至少一個凹處，所述凹處穿過所述第三基片的厚度直至露出第一基片；以及
[0027]在所述凹處沉澱出電接觸點。
[0028]優選的，包圍測量梁和活性體的介質為真空，以限制傳感器解析度的退化。
[0029]優選的，所有製造方法中的密封過程都在真空或者在可控氣體下進行。真空優選於形成諧振式慣性傳感器，可控氣體優選於形成壓阻應變計式慣性傳感器。
[0030]例如，測量梁由單晶矽製成，適量摻雜以助於提高壓阻梁的靈敏度。
[0031]標準質量塊也由單晶矽製成。
[0032]有利的，第一和第二基片都是SOI型。
[0033]該發明的目的還在於一個慣性傳感器，包含至少一個測量梁和一個由標準質量塊和可變形板構成的活性體，所述活性體通過板懸浮放置在一個密閉腔中，測量梁與標準質量塊在前述密閉腔的內壁上部分相連，所述測量梁比標準質量塊厚度小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]本發明的上述和其它特徵及優點將在下面的非限制性的描述中結合附[0035]圖詳細討論，圖1至圖15為簡化視圖，闡明了根據本發明的一個實施例的製造慣性傳感器的方法的步驟。
【具體實施方式】
[0036]參閱附圖15，根據一個發明實施例，一個壓阻式或者諧振式慣性傳感器，特別地包括壓阻式或者諧振式測量梁23和一個由可移動標準質量塊13和可變形板14構成的活性體。標準質量塊13被懸浮放置於一個密閉腔30，40中，測量梁23與可變形板在腔內壁部分相連。特別地，測量梁23的厚度小於標準質量塊13.因此，對於諧振式測量梁23，標準質量塊13的偏轉產生諧振器頻率的變化。對於壓阻應變計式測量臂23，標準質量塊13的偏轉引起應變計電阻的變化，該變化可以通過凹處內的電接觸片恢復。
[0037]製造這樣一個傳感器的方法將在下面依據圖1至15進行描述。
[0038]從第一基片I開始(圖1 )，該基片可以是SOI圓片材質,包含一個第一活性層10,具有第一厚度G1，例如，約在ΙΟμπι到100 μ m之間，以及一個由絕緣層11 (例如，氧化層)製成的非活性層和一個支持層12 (或，體)，在第一活性層10上進行蝕刻。該蝕刻(圖2)，例如，DRIE (「深反應離子蝕刻」)式，包括在第一活性層10上形成標準質量塊13和可變形板14。換言之，第一活性層包含標準質量塊13，可變形板14，和一個框架15.[0039]從第二基片2開始(圖3)，該基片也可以是SOI圓片材質，包含一個第二活性層20，具有第二厚度e2，例如，約IOOnm至I μ m之間，以及一個由絕緣層21製成的非活性層和一個支持層22，在第一活性層20上進行蝕刻。該蝕刻(圖4)，例如，光刻，在第二活性層20上形成測量梁23.[0040]然後對第一和第二活性層10，20進行密封，達到機械密封的同時可變形板和測量梁電接觸(圖5，6)。對於另一個配置(附圖中未顯示)，測量梁可以放置在標準質量塊13和框架15之間。當然也可以在兩活性層10，20之間獨立於機械接觸形成電接觸。
[0041]為了脫離活性體並將其封裝，非活性層，即第一基片的絕緣層11和支持層12要被移除。換言之，懸浮的標準質量塊13通過測量梁23連接於第二基片2。
[0042]從第三基片3 (圖8)，特別地包括一個絕緣層31 (例如，氧化層)和一個支持層32(或，體)，形成一個能夠含有活性體的第一空腔30，例如，通過DRIE式蝕刻。例如，第一空腔30處於絕緣層中並深入部分支持層中，如圖8所示。
[0043]然後密封第三基片(圖9，10)與第一基片的活性層，以使活性體內含於第一空腔30.換言之，密封第三基片絕緣層31的自由表面與第一活性層的框架15的自由表面。
[0044]類似的，移除非活性層，即移除第二基片2的絕緣層21和支持層22。
[0045]從第四基片4 (圖12)開始，特別地包括絕緣層41 (例如，氧化層)和一個支持層42 (或，體)，形成第二空腔40，例如，通過DRIE式蝕刻。例如，第二空腔30處於絕緣層中並深入部分支持層，如圖12所示。
[0046]然後密封第四基片(圖12，13)以使活性體和測量梁被封裝於第一和第二空腔30,40形成的密閉腔。
[0047]形成穿過第三基片厚度至第一基片框架15的凹處(圖14)。在凹處內沉澱出電接觸點6,以恢復標準質量塊13偏轉時產生的電信號。
[0048]因此，本發明的製造方法特別地能夠形成一個慣性傳感器，特別地包含大質量的標準質量塊結合一個低厚度的應變計的或諧振式的測量梁，而不需要改變組件的靈敏度。換言之，該發明方案能夠優化標準質量塊以及測量臂的尺寸，以提高傳感器的性能。因此，有可能同時獲得具有大質量的標準質量塊以引起測量梁的大張力，和低厚度的測量臂以達到更好的檢測靈敏度。
【權利要求】
1.一種慣性傳感器的製造方法，其特徵在於，它至少包括: 通過蝕刻第一基片(I)的第一活性層(10)，形成至少一個活性體，所述活性體由一個標準質量塊(13)和可變形板(14)構成，所述第一活性層(10)具有第一厚度(ei)； 通過蝕刻第二基片(2)的第二活性層(20)，形成至少一個測量梁(23)，所述第二活性層(20)具有比所述第一厚度(ei)小的第二厚度(e2);密封第一活性層(10)與第二活性層(20)； 移除所述第一基片(I)的非活性層(11，12)； 通過蝕刻第三基片(30)形成第一空腔(30)； 密封所述第三基片(3)與所述第一基片(I)的活性層，所述活性體被置於所述第一空腔(30)內； 移除所述第二基片(2)的非活性層(21，22) 通過蝕刻第四基片(4)形成第二空腔(40);以及 密封所述第四基片(4)與所述第二基片(2)的活性層。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是進一步包括在所述活性體和所述測量梁之間形成電接觸。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵是所述電接觸在密封所述第一活性層與第二活性層時形成，這樣的密封使得所述梁和活性體之間既有機械接觸又有電接觸。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的方法，其特徵在於所述測量梁(23)由形成應變計的壓阻材料製成。
5.根據權利要求1至3中任意一項所述的方法，其特徵在於所述測量梁(23)是機械諧振器。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的方法，其特徵在於所述第一厚度(ei)和第二厚度(e2)的比值大於或等於5.
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的方法，其特徵在於進一步包括: 形成至少一個凹處(5)，所述凹處(5)穿過所述第三基片(3)的厚度直至露出第一基片(1);以及 在所述凹處(5)內沉積出電接觸點(6)。
8.根據權利要求1至7中任意一項所述的方法，其特徵在於包圍所述測量梁和活性體的介質為真空。
9.根據權利要求1至8中任意一項所述的方法，其特徵在於所述製造方法中的所有密封過程都在真空或者受控氣體下進行。
10.根據權利要求1至9中任意一項所述的方法，其特徵在於所述測量梁和標準質量塊由單晶矽構成。
11.根據權利要求10所述方法，其特徵在於所述測量梁由摻雜的單晶矽構成。
12.根據權利要求1至11中任意一項所述的方法，其特徵在於所述第一和第二基片(1，2)都是SOI型。
【文檔編號】G01P15/097GK103518138SQ201280010090
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年2月2日 優先權日:2011年3月3日
【發明者】史蒂法納·雷納德, 安託萬·菲利佩, 若埃爾·科萊 申請人:電子微系統公司