一種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片及其製備方法

2023-08-13 23:21:11 5

專利名稱：一種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種加速度傳感器晶片，具體涉及一種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片及其製備方法。
背景技術：
壓阻式加速度傳感器作為最早開發的微加速度傳感器，經歷長期的發展和完善， 已經形成了許多經典結構，有單懸臂梁、雙懸臂梁、四梁、雙橋梁和五梁結構等。這些結構的傳感器晶片均採用微機械加工技術形成梁一島結構，利用壓阻效應來檢測加速度。單懸臂梁和雙懸臂梁結構中，質量塊作上下自由擺動，該類結構傳感器晶片靈敏度很高，但固有頻率低，頻率響應範圍窄，而且橫向靈敏度較大。單橋梁、雙橋梁和十字梁結構為固支梁結構， 質量塊的運動受到固支梁的約束，所以該類結構靈敏度較低，但固有頻率較高，頻率響應範圍寬，而且橫向靈敏度較小。但是，隨著微機電系統技術的迅速發展，早期開發出的經典的晶片結構已逐漸無法滿足和適應不同領域對高靈敏度和高響應頻率的要求，汽車工業的衝擊加速度傳感器， 高速工具機的主軸加速度傳感器，均對傳感器的靜態和動態靈敏度提出了較高的要求。考慮到傳統結構的優缺點，對經典結構進行適當的改進以滿足故障診斷、汽車檢測行業等眾多領域的需要就具有重要的意義。

發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片及其製備方法，能夠提高傳感器的靜態和動態靈敏度，晶片具有體積小，重量小， 高頻響和高靈敏度的優點。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為一種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片，包括矽基底1和鍵合於矽基底1背面的玻璃襯底2，矽基底1的中心空腔內配置有質量塊4，四個開孔敏感梁3的一端與質量塊4的四個邊角連接，另一端與矽基底1連接，每個開孔敏感梁3的中央設有一個應力集中孔8，每個應力集中孔8兩側布置兩根壓敏電阻條，兩根壓敏電阻條組成一個壓敏電阻5，四個壓敏電阻5通過第一金屬引線6相連並構成半開環的惠斯通全橋電路，四個壓敏電阻5同時通過第二金屬引線9和五個金屬焊盤7連接，應力集中孔8的深度和開孔敏感梁3的厚度相同。所述的四個壓敏電阻5在開孔敏感梁3上均沿著[110]或[110]晶向布置。一種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片的製備方法，包括以下步驟a)使用體積濃度為49%的HF酸溶液，清洗矽片，矽片為η型，(100)晶面；b)在900°C -1200°C下進行高溫氧化，在矽片上形成二氧化矽層，然後用P-壓敏電阻版，正面光刻壓敏電阻圖形，對矽片頂部的器件層注入劑量為3X IO14CnT2硼離子，獲得 P-型輕摻雜的壓敏電阻5 ；c)利用P+歐姆接觸版，正面光刻形成硼離子重摻雜區，進行硼離子重摻雜，注入劑量為1.5 X IO16CnT2，獲得低阻的P+歐姆接觸區；d)利用引線孔版，正面光刻引線孔圖形，刻蝕出引線孔，保證壓敏電阻5的歐姆連接；e)利用金屬引線版，正面光刻處金屬引線的形狀，依次濺射15 150A、300 A和 1000 A (1 A=10_1(lm)的Ti、Pt、AU金屬層，形成傳感器晶片的金屬引線6;f)利用質量塊減薄版，對矽片進行光刻，採用前面所述的ICP刻蝕，減薄質量塊區域的矽，刻蝕深度為10 μ m，形成質量塊4和玻璃襯底2之間的運動間隙；g)利用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)在矽片正反兩面沉積一層Si3N4，正面 Si3N4作為保護層，防止後續工藝破壞前面工藝所得的壓敏電阻5 ；反面Si3N4作為矽溼法腐蝕遮蔽層，然後利用背腔版，再次對矽片的背面進行光刻，利用TMAH溶液進行各向異性溼法刻蝕，形成傳感器的質量塊4和開孔敏感梁3 ；h)正面光刻去除之前工藝步驟中留下的Si3N4和5102層，利用正面穿透版，在矽片正面進行ICP刻蝕，刻蝕寬度為5 μ m-10 μ m，形成外圍的矽基底1和質量塊4之間的間隙；i)通過陽極鍵合技術在矽基底1的背面粘接玻璃襯底2 ；j)劃片；k)低溫退火，釋放、緩解加工殘餘內應力。對傳統的雙橋結構和本發明的孔縫雙橋式結構進行靜態分析和模態分析(加載 IOOg的Z向加速度)，得到如下的分析結果
^^^^比較項目結構一階固有頻率(KHZ)最大等效應力(MPA)雙橋梁結構14. 2624. 5本發明11. 7635. 9經數據比較分析，發現孔縫雙橋式結構的最大等效應力較雙橋梁結構提高了 46.5%，有明顯的提高，而一階固有頻率僅下降了 17. 53%，其一階固有頻率仍較高，可以滿足不同領域對高頻響的要求，所以，分析結果顯示敏感梁上開孔的結構較好的解決了雙橋梁結構靈敏度較低的不足。與傳統雙橋梁結構相比，本發明提出的孔縫雙橋式結構將孔縫結構和雙橋梁結構的優點有效的結合在一起，使得本發明所述的加速度傳感器晶片具有較高靈敏度和較高的固有頻率，能有效的滿足汽車工業和工具機主軸振動測量等對高靈敏度和高相應頻率的要求。


圖1為本發明的軸側示意圖。圖2為本發明的正面示意圖。圖3為本發明的原理示意圖。
圖4為本發明的半開環的惠斯通全橋電路圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明進行更為詳細的說明。參照圖1和圖2，一種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片，包括矽基底1和鍵合於矽基底1背面的玻璃襯底2，矽基底1的中心空腔內配置有質量塊4，四個開孔敏感梁3的一端與質量塊4的四個邊角連接，另一端與矽基底1連接，每個開孔敏感梁3的中央設有一個應力集中孔8，每個應力集中孔8兩側布置兩根壓敏電阻條，兩根壓敏電阻條組成一個壓敏電阻5，四個壓敏電阻5中的第一壓敏電阻5-1、第三壓敏電阻5-3布置於開孔敏感梁3與質量塊4連接的部位，第二壓敏電阻5-2、第四壓敏電阻5-4布置於開孔敏感梁3和矽基底1 連接的部位，第一壓敏電阻5-1、第二壓敏電阻5-2、第三壓敏電阻5-3、第四壓敏電阻5-4通過第一金屬引線6相連並構成半開環的惠斯通全橋電路，四個壓敏電阻5同時通過第二金屬引線9和五個金屬焊盤7連接，參照圖4，其中第一壓敏電阻5-1和第四壓敏電阻5-4之間連接線與第一金屬焊盤7-1連接，第四壓敏電阻5-4的另一端與第二金屬焊盤7-2連接， 第二壓敏電阻5-2和第三壓敏電阻5-3之間連接線與第四金屬焊盤7-4連接，第三壓敏電阻5-3的另一端與第三金屬焊盤7-3連接，第一壓敏電阻5-1和第二壓敏電阻5-2之間的連接線與第五金屬焊盤7-5連接，應力集中孔8的深度和開孔敏感梁3的厚度相同。所述的四個壓敏電阻5在開孔敏感梁3上均沿著[110]或[110]晶向布置。本發明晶片的工作原理為參照圖3，根據牛頓第二定律F = ma,當懸空的質量塊4受到沿Z向的加速度a作用時，質量塊4在力的作用向下移動，引起開孔敏感梁3的彎曲變形。根據矽的壓阻效應， 開孔敏感梁3的彎曲變形產生的應力，導致壓敏電阻5的阻值變化，四個壓敏電阻5所構成的半開環惠斯通全橋電路失去平衡，輸出一個與外部加速度相應的電壓值，從而實現傳感器晶片對加速度的測量。本發明中開孔敏感梁3上的壓敏電阻5阻值的變化量通過壓阻效應的相關公式計算而來。壓阻效應是指當半導體材料受到應力作用時，由於載流子遷移率的變化，使其電阻率發生變化的現象。當壓阻條處於一定應力作用下時，其阻值變化與其所受應力之間的比例關係式如下
廠π 偵——=πισ + π R式中R——壓敏電阻5初始阻值；Ji χ——為壓敏電阻5橫向壓阻係數；Ji τ——壓敏電阻5縱向壓阻係數；σ i——壓敏電阻5受到的正應力；τ i—壓敏電阻5受到的剪應力；因此，開孔敏感梁3在外界加速度a的作用下產生的應力將會使壓敏電阻5阻值變化，通過惠斯通電橋，參照圖4，將此變化轉變為電壓信號輸出，繼而實現對加速度的感應與測量。壓阻效應具有各向異性的特點，沿著不同的方向施加應力或沿不同方向通過電流， 材料的電阻率變化均不相同，為了在同樣的加速度作用下得到更大的輸出電信號，本發明中的開孔敏感梁3選擇(100)晶面矽片，利用(100)晶面矽在[110]和110]晶向上壓阻係數具有最大值，在[100]和W10]晶向上幾乎為零的特點，壓敏電阻5沿著[110]或[110] 晶向分布，提高了傳感器晶片對加速度的測量精度。一種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片的製備方法，包括以下步驟a)使用體積濃度為49%的HF酸溶液，清洗矽片，矽片為η型，(100)晶面，4英寸， 400 μ m 厚；b)在900°C -1200°C下進行高溫氧化，在矽片上形成二氧化矽層，然後用P-壓敏電阻版，正面光刻壓敏電阻圖形，對矽片頂部的器件層注入劑量為3X IO14CnT2硼離子，獲得 P-型輕摻雜的壓敏電阻5 ；c)利用P+歐姆接觸版，正面光刻形成硼離子重摻雜區，進行硼離子重摻雜，注入劑量為1.5 X IO16CnT2，獲得低阻的P+歐姆接觸區；d)利用引線孔版，正面光刻引線孔圖形，刻蝕出引線孔，保證壓敏電阻5的歐姆連接；e)利用金屬引線版，正面光刻處金屬引線的形狀，依次濺射150A、300 A和 1000 A(1 A=10_lclm)的Ti、Pt、AU金屬層，形成傳感器晶片的金屬引線6;f)利用質量塊減薄版，對矽片進行光刻，採用前面所述的ICP刻蝕，減薄質量塊區域的矽，刻蝕深度為10 μ m，形成質量塊4和玻璃襯底2之間的運動間隙；g)利用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)在矽片正反兩面沉積一層Si3N4。正面Si3N4作為保護層，防止後續工藝破壞前面工藝所得的壓敏電阻5 ；反面Si3N4作為矽溼法腐蝕遮蔽層，然後利用背腔版，再次對矽片的背面進行光刻，利用TMAH溶液進行各向異性溼法刻蝕，形成傳感器的質量塊4和開孔敏感梁3 ；h)正面光刻去除之前工藝步驟中留下的Si3N4和5102層，利用正面穿透版，在矽片正面進行ICP刻蝕，刻蝕寬度為5 μ m-10 μ m，形成外圍的矽基底2和質量塊4之間的間隙， 以釋放質量塊4 ；i)
j)
k)
權利要求
1.一種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片，包括矽基底(1)和鍵合於矽基底(1)背面的玻璃襯底0)，矽基底(1)的中心空腔內配置有質量塊G)，其特徵在於四個開孔敏感梁(3) 的一端與質量塊(4)的四個邊角連接，另一端與矽基底(1)連接，每個開孔敏感梁C3)的中央設有一個應力集中孔(8)，每個應力集中孔(8)兩側布置兩根壓敏電阻條，兩根壓敏電阻條組成一個壓敏電阻(5)，四個壓敏電阻(5)通過第一金屬引線(6)相連並構成半開環的惠斯通全橋電路，四個壓敏電阻(5)同時通過第二金屬引線(9)和五個金屬焊盤(7)連接，應力集中孔(8)的深度和開孔敏感梁(3)的厚度相同。
2.根據權利要求1所述的一種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片，其特徵在於所述的四個壓敏電阻(5)在開孔敏感梁(3)上均沿著[110]或[110]晶向布置。
3.—種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片的製備方法，其特徵在於包括以下步驟a)使用體積濃度為49%的HF酸溶液，清洗矽片，矽片為η型，(100)晶面；b)在900°C-120(TC下進行高溫氧化，在矽片上形成二氧化矽層，然後用P-壓敏電阻版，正面光刻壓敏電阻圖形，對矽片頂部的器件層注入硼離子，注入劑量為3 X IO14CnT2硼離子，獲得P-型輕摻雜的壓敏電阻(5)；c)利用P+歐姆接觸版，正面光刻形成硼離子重摻雜區，進行硼離子重摻雜，注入劑量為1.5 X IO16CnT2，獲得低阻的P+歐姆接觸區；d)利用引線孔版，正面光刻引線孔圖形，刻蝕出引線孔，保證壓敏電阻(5)的歐姆連接；e)利用金屬引線版，正面光刻處金屬引線的形狀，依次濺射150A、300A和1000 A (1 A=10_lclm)的Ti、Pt、AU金屬層，形成傳感器晶片的金屬引線(6)；f)利用質量塊減薄版，對矽片進行光刻，採用前面所述的ICP刻蝕，減薄質量塊區域的矽，刻蝕深度為lOym，形成質量塊(4)和玻璃襯底(2)之間的運動間隙；g)利用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)在矽片正反兩面沉積一層Si3N4，正面 Si3N4作為保護層，防止後續工藝破壞前面工藝所得的壓敏電阻5 ；反面Si3N4作為矽溼法腐蝕遮蔽層，然後利用背腔版，再次對矽片的背面進行光刻，利用TMAH溶液進行各向異性溼法刻蝕，形成傳感器的質量塊(4)和開孔敏感梁(3)；h)正面光刻去除之前工藝步驟中留下的Si3N4和SiO2層，利用正面穿透版，在矽片正面進行ICP刻蝕，刻蝕寬度為5μπι-10μπι，形成外圍的矽基底(1)和質量塊⑷之間的間隙；i)通過陽極鍵合技術在矽基底(1)的背面粘接玻璃襯底O)；j)劃片；k)低溫退火，釋放、緩解加工殘餘內應力。
全文摘要
一種孔縫雙橋式加速度傳感器晶片及其製備方法，晶片包括矽基底和鍵合於矽基底背面的玻璃襯底，矽基底的中心空腔內配置有質量塊，四個開孔敏感梁的一端與質量塊的四個邊角連接，另一端與矽基底連接，每個開孔敏感梁設有一個應力集中孔，每個應力集中孔兩側布置兩根壓敏電阻條並組成一個壓敏電阻，四個壓敏電阻通過金屬引線相連並構成半開環的惠斯通全橋電路，四個壓敏電阻同時和五個金屬焊盤連接，其製備方法是通過矽各項異性溼法刻蝕以及ICP等離子刻蝕得到矽基底中的質量塊和開孔敏感梁，採用鈦-鉑-金多層引線技術製作金屬引線，晶片能夠提高傳感器的靜態和動態靈敏度，具有體積小，重量小，高頻響和高靈敏度的優點。
文檔編號B81C1/00GK102298074SQ20111013396
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月23日 優先權日2011年5月23日
發明者劉巖, 孫祿, 田邊, 蔣莊德, 趙玉龍 申請人:西安交通大學