Mems壓阻式伺服加速度傳感器及其製備方法
2023-10-19 19:29:52 1
專利名稱：Mems壓阻式伺服加速度傳感器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種MEMS(微電子機械系統)器件，尤其涉及一種MEMS壓阻式伺服加速度傳感器。
MEMS加速度傳感器是微電子機械系統中較早開發出來的的產品之一。按原理可分為壓阻式、電容式、壓電式等幾種，有關MEMS加速度傳感器的工作機理和加工方法有很多的實驗研究。參見A MONOLITHIC SILICONACCELEROMETER WITH INTERGRAL AIR DAMPING AND OVERRANGEPROTECTION，Phillip W.Barth，NovaSensor；A SIMPLE HIGH PERFORMANCEPIEZORESISTIVE ACCELEROMETER，James T.Suminto。然而由於加速度傳感器測量的是動態信號，受使用環境的影響較大，導致加速度傳感器的測量精度較低，通常精度範圍在10％-1％之間，極大的限制了加速度傳感器的應用，也使MEMS具有的體積小、重量輕、功能豐富以及批量生產成本低等優點沒有得到真正的發揮。直到九十年代中後期ADI公司發明了ADXL系列MEMS電容式伺服加速度傳感器，才真正使MEMS加速度傳感器開始了批量生產和應用。參見UNDERSTANDING ACCELEROMETER SCALE FACTOR ANDOFFSET ADJUSTMENTS，Charles Kitchin，ANALOG DEVICES AN-396。然而，由於ADI公司的產品採用的原理是利用電容變化來檢測加速度信號，電容變化的非線性及微小電容檢測所帶來的雜散信號幹擾嚴重製約了加速度傳感器的檢測精度，檢測電路複雜，由於該產品採用的是表面矽MEMS工藝，抗衝擊能力差，這些都限制了MEMS加速度傳感器在高精度加速度測量方面的應用。
本發明的目的是提供一種MEMS壓阻式伺服加速度傳感器，提高測試精度，增強抗衝擊能力。以及一種製備這種MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法。
本發明的MEMS壓阻式伺服加速度傳感器包括三片矽片，三片矽片組成上矽帽、中間矽片和下矽帽的三明治結構，上下兩層矽帽上均設反饋電極，中間矽片上設梁式結構，梁上設壓敏電阻，組成惠斯登電橋來檢測加速度信號，信號調製電路將電橋產生的輸出電壓變換成反饋電壓作用於傳感器的靜電力反饋極板上形成閉環伺服檢測。
所述壓敏電阻設於所述梁的最大應變區。
上下兩層矽帽上均設限位結構。
本發明的製備MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法，其步驟包括(1)版圖設計設定中間矽片的壓阻位置，用p+將壓阻引出敏感膜，通過雙面光刻腐蝕背腔，再用ICP刻出梁的結構，刻出引線孔後濺射鋁形成電氣連接，濺射上下矽帽的反饋電極；(2)用離子注入工藝形成壓阻；(3)擴散濃硼形成p+區；(4)腐蝕背腔形成感壓膜；(5)刻蝕感壓膜形成敏感梁；(6)刻引線孔，濺射金屬，合金，完成晶片的電氣連接；(7)在上下矽帽上濺射金屬形成電極；(8)將上下矽帽和中間結構層鍵合在一起。
本發明在版圖設計中通過ANSYS軟體模擬設定中間矽片的壓阻位置將壓阻位置設定於中間矽片梁的最大應變區。
上述製備中還在上下矽帽上腐蝕出限位結構。
本發明的MEMS壓阻式伺服加速度傳感器降低了電路難度，在不需要高精度集成電路工藝的情況下實現了加速度傳感器的伺服控制，提高了檢測精度。所採用的三明治結構大大增強了傳感器的抗衝擊能力，擴大了該傳感器的適用範圍。
圖1現有MEMS加速度傳感器結構示意圖1---固定端 2---壓阻 3---懸臂梁 4---質量塊圖2本發明的MEMS壓阻式伺服加速度傳感器結構示意圖5---上矽帽 6---敏感結構 7---下矽帽 8---反饋電極 9---限位塊圖3 部分工藝示意圖(a)離子注入形成壓阻(b)擴散形成p+連接(c)濺射鋁，合金(d)腐蝕，形成敏感結構實施方案
本發明採用三層矽片組成三明治結構，在中間一層矽片採用腐蝕、刻蝕等MEMS工藝製作出梁式結構，經優化設計後在梁的最大應變區採用注入工藝製作出與加速度信號成比例變化的壓敏電阻，組成惠斯登電橋來檢測加速度信號，再通過信號調製電路將電橋產生的與加速度信號成比例的輸出電壓變換成反饋電壓作用於傳感器的靜電力反饋極板上，使梁工作在小變形狀態，同時在上下兩層矽帽上製作限位結構和反饋電極，形成閉環伺服檢測。
以下是一具體的實施例本發明採用4英寸400微米厚N型100雙面拋光單晶矽片，電阻率2-4Ωcm。
1、矽片清洗後進行原始氧化300-350nm；2、採用離子注入工藝製備高精度壓阻，注入條件為90-120KeV、1.0×1014cm-2-2.0×1014cm-2，然後進行硼驅入，條件為1000-1500℃，80-120分鐘；3、濃硼擴散形成p+連接，退火後體濃度＞5.0×1018cm-3；4、KOH腐蝕背腔，形成感壓膜；5、ICP刻蝕感壓膜，形成敏感梁；6、刻引線孔，濺射鋁，合金，400-420℃，30分鐘；7、KOH腐蝕矽帽，形成限位結構；8、鍵合，劃片。
整套工藝要注意各工序之間的兼容性，合理分配各工序的加工次序，避免因為KOH腐蝕時帶來的鉀離子汙染其他工序。
權利要求
1.一種MEMS壓阻式伺服加速度傳感器，包括三片矽片，其特徵在於三片矽片組成矽帽、中間矽片和下矽帽的三明治結構，上下兩層矽帽上均設反饋電極，中間矽片上設梁式結構，梁上設壓敏電阻，組成惠斯登電橋檢測加速度信號，信號調製電路將電橋產生的輸出電壓變換成反饋電壓作用於傳感器的靜電力反饋極板上形成閉環伺服檢測。
2.如權利要求1所述的MEMS壓阻式伺服加速度傳感器，其特徵在於所述壓敏電阻設於所述梁的最大應變區。
3.如權利要求1所述的MEMS壓阻式伺服加速度傳感器，其特徵在於上下兩層矽帽上均設限位結構。
4.一種製備MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法，其步驟包括(1)版圖設計設定中間矽片的壓阻位置，用p+將壓阻引出敏感膜，通過雙面光刻腐蝕背腔，再用ICP刻出梁的結構，刻出引線孔後濺射鋁形成電氣連接，濺射上下矽帽的反饋電極；(2)用離子注入工藝形成壓阻；(3)擴散濃硼形成p+區；(4)腐蝕背腔形成感壓膜；(5)刻蝕感壓膜形成敏感梁；(6)刻引線孔，濺射金屬，合金，完成晶片的電氣連接；(7)在上下矽帽上濺射金屬形成電極；(8)將上下矽帽和中間結構層鍵合在一起。
5.如權利要求4所述的製備MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法，其特徵在於在版圖設計中通過ANSYS軟體模擬設定中間矽片的壓阻位置。
6.如權利要求4或5所述的製備MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法，其特徵在於壓阻位置設定於中間矽片梁的最大應變區。
7.如權利要求4所述的製備MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法，其特徵在於在上下矽帽上腐蝕出限位結構。
全文摘要
本發明涉及一種MEMS壓阻式伺服加速度傳感器。包括三片矽片，三片矽片組成上矽帽、中間矽片和下矽帽的三明治結構，上下兩層矽帽上均設反饋電極，中間矽片上設梁式結構，梁上設壓敏電阻，組成惠斯登電橋來檢測加速度信號，信號調製電路將電橋產生的輸出電壓變換成反饋電壓作用於傳感器的靜電力反饋極板上形成閉環伺服檢測。以及製備這種傳感器的方法。降低了電路難度，在不需要高精度集成電路工藝的情況下實現了加速度傳感器的伺服控制，提高了檢測精度。所採用的三明治結構大大增強了傳感器的抗衝擊能力，擴大了該傳感器的適用範圍。可廣泛應用於MEMS技術領域。
文檔編號G01P15/12GK1431517SQ0310478
公開日2003年7月23日 申請日期2003年2月28日 優先權日2003年2月28日
發明者張威, 張大成, 劉蓓, 李婷, 王陽元 申請人:北京大學