一種避免寄生電容結構的微加速度傳感器及其製作方法
2023-06-01 04:45:01 2
專利名稱：一種避免寄生電容結構的微加速度傳感器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及，特別是涉及一種避免寄生電容結構的微加速度傳感器及其製作方法。
背景技術：
微加速度傳感器是非常重要的微慣性器件，發展十分迅速，已被廣泛應用於不同領域。其中，電容式微加速度傳感器因具有溫度穩定性好、靈敏度高、動態響應好、低噪聲等優點，廣泛應用於各種領域，如各種制導和測控系統、機器人、醫療儀器、微重力測量及高精度勘探等。高性能微加速度傳感器通常設計成帶有反饋補償的差分電容式結構，但對微小差分電容變化量的檢測是一個難題，而且處理電路的設計要求能減少寄生電容的幹擾。為了滿足帶寬、高靈敏度、低噪聲、線性度等的性能要求，高性能的差分電容式微加速度傳感器多採用三層或四層矽片鍵合在一起的三明治結構，這一類微加速度傳感器可見於美國專利公告書U. S. Pat. No. 5652384、U. S. Pat. No. 6805008B2、中國專利公告書CN100492016C、CN100552453C等。但是，絕大多數三明治結構微加速度傳感器的上電極、中間電極以及下電極之間(即矽片與矽片的鍵合面上)通過二氧化矽等絕緣材料實現電絕緣，由此帶來一系列問題，比如，帶有絕緣材料的矽片與矽片之間的鍵合(尤其是三層矽片甚至四層矽片的鍵合)要求較高，鍵合強度較差，另外，更為重要的是鍵合區的寄生電容較大，傳感器的寄生電容使其工作不穩定，影響測量精度，對接口電路的電流驅動能力要求較高，必須設法消除寄生電容對傳感器性能的影響。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種避免寄生電容結構的微加速度傳感器及其製作方法，易於製作，工作性能穩定，用途廣泛。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種避免寄生電容結構的微加速度傳感器，包括上電極蓋板、下電極蓋板和質量塊，所述上電極蓋板和下電極蓋板分別位於質量塊的上端和下端，所述質量塊的上表面具有上電容間隙，下表面具有下電容間隙；所述上電極蓋板的下表面和下電極蓋板的上表面均設有用於實現上電極焊盤、中間電極焊盤和下電極焊盤之間絕緣的隔離槽。所述上電極蓋板上表面設有上電極引線槽和中間電極引線槽，上電極焊盤以及中間電極焊盤通過上電極蓋板下表面的隔離槽實現電絕緣。所述下電極蓋板下表面設有下電極引線槽，下電極焊盤和中間電極焊盤通過下電極蓋板上表面的隔離槽實現電絕緣。所述質量塊的表面還設有阻尼槽。所述質量塊的上表面設有上過載保護塊，下表面設有下過載保護塊。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種避免寄生電容結構的微加速度傳感器的製作方法，包括以下步驟
(I)取一雙拋低阻矽片，在所述雙拋低阻矽片的上表面和下表面分別通過氧化、光刻、溼法腐蝕工藝形成過載保護限位塊；(2)雙拋低阻矽片的上表面和下表面均通過光刻、溼法腐蝕，去除氧化層工藝，形成上電容間隙和下電容間隙；(3)雙拋低阻矽片的上表面和下表面均通過光刻、深反應離子刻蝕工藝，形成未釋放的質量塊可動電極結構和質量塊表面的阻尼槽；(4)雙拋低阻矽片的上表面和下表面均通過氧化、光刻、溼法腐蝕、去除氧化層工藝，形成質量 塊可動電極結構；(5)取一上電極蓋板SOI低阻娃片，通過氧化、光刻、腐蝕工藝,在上電極蓋板SOI低阻矽片的一側形成上電極蓋板的隔離槽，在另一側形成上電極引線槽窗口和中間電極引線槽窗口，形成上電極蓋板；(6)取一下電極蓋板SOI低阻矽片，其經氧化、光刻、腐蝕工藝，在下電極蓋板SOI低阻矽片的一側形成下電極蓋板的隔離槽，在另一側形成下電極引線槽窗口，形成下電極蓋板；(7)所述上電極蓋板的下表面與下電極蓋板的上表面，分別與質量塊可動電極結構的中間極板娃片支撐框架的上表面和下表面對準，直接娃娃鍵合，形成三層娃片鍵合在一起的一體式結構；(8)在所述一體式結構腐蝕上電極引線槽窗口、中間電極引線槽窗口和下電極引線槽窗口，分別形成上電極引線槽、中間電極引線槽和下電極引線槽，並去除相應位置的氧化層；(9)在上電極引線槽、中間電極引線槽和下電極引線槽中選定的區域濺射或者蒸鍍金屬層形成焊盤。所述步驟(7)中的上電極蓋板、下電極蓋板與質量塊可動電極結構的中間極板矽片支撐框架之間的鍵合方法為Si-Si直接鍵合方法，所述Si-Si直接鍵合是將所述上電極蓋板和下電極蓋板與中間電極娃片支撐結構鍵合在一起，構成一體結構的差分電容式微加速度傳感器。所述步驟(9)中上電極引線槽、中間電極引線槽和下電極引線槽中的電極焊盤通過各向同性或各向異性腐蝕矽通孔、濺射或者蒸鍍金屬層實現電連接的。有益效果由於採用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果本發明的質量塊利用變間隙、差動式的結構，具有結構簡單、動態響應好、能實現無接觸式測量、靈敏度好等優點，是目前廣為關注、研究、開發度極高的一種微加速度傳感器。本發明提出將兩片帶有絕緣槽的SOI矽片作為上、下電極蓋板，並與中間極板矽片採用成熟的Si-Si直接鍵合技術，使其鍵合在一起，構成一種避免寄生電容結構的差分電容式微加速度傳感器。本發明完全消除了極板間的寄生電容，使傳感器工作更加穩定，提高了測量精度，降低了接口電路的難度，有利於傳感器的集成化。本發明採用微電子機械製作方法，應用該微電子機械技術，在單晶矽基片上製作質量塊可動電極結構，在SOI矽基片上製作帶有隔離槽及電極引線槽的上、下電極蓋板，並採用Si-Si直接鍵合工藝製作該種結構的微加速度傳感器。
圖I是差分電容式微加速度傳感器剖面示意圖；圖2是本發明製作工藝的流程圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。
本發明的實施方式涉及一種避免寄生電容結構的微加速度傳感器，如圖I所示，包括上電極蓋板17、下電極蓋板19和質量塊1，所述上電極蓋板17和下電極蓋板19分別位於質量塊I的上端和下端，所述質量塊I的上表面具有上電容間隙7，下表面具有下電容間隙8 ;所述上電極蓋板17的下表面和下電極蓋板19的上表面均設有用於實現上電極焊盤14、中間電極焊盤15和下電極焊盤16之間絕緣的隔離槽9和隔離槽10。所述上電極蓋板17上表面設有上電極引線槽11和中間電極引線槽12，上電極焊盤14以及中間電極焊盤15通過上電極蓋板17下表面的隔離槽9實現電絕緣。所述下電極蓋板17下表面設有下電極引線槽13，下電極焊盤16和中間電極焊盤15通過下電極蓋板19上表面的隔離槽10實現電絕緣。所述質量塊I和支撐框架3之間還設有彈性梁2，質量塊I表面設有阻尼槽4。所述質量塊I的上表面設有上過載保護塊5，下表面設有下過載保護塊6。其中，上蓋板17和下蓋板19分別與中間極板矽片18的支撐框架3鍵合連接。本發明的實施例涉及的一種微加速度傳感器可採用MEMS常規工藝製作，能夠形成一種避免寄生電容結構的微加速度傳感器，進一步提高了器件的工作性能，從而滿足了高性能檢測的要求。在溼法製作工藝中採用的是質量濃度比為40%、溫度為50°C的KOH腐蝕溶液，同時形成上下過載保護限位塊、上下電容間隙，質量塊可動電極結構的釋放，隔離槽以及電極引線槽的形成。本發明實施例的一種微加速度傳感器，中間極板矽片的支撐框架上、下表面分別與上、下蓋板SOI娃片對準Si-Si直接鍵合構成一體結構的差分電容式微加速度傳感器，製作的器件可靠性以及穩定性更好，是一種高性能的電容式微加速度傳感器。具體工藝實施步驟如下(I)如圖2a所示，提供一中間極板低阻N型(100)雙拋矽片18，厚度420 μ m，氧化、光刻後，採用質量濃度比為40%、溫度為50 0C的KOH腐蝕溶液同時腐蝕矽片正反兩面，形成上過載保護限位塊5和下過載保護限位塊，限位塊高度即腐蝕深度lum;(2)如圖2b所示，矽片18再次光刻後，採用質量濃度比為40%、溫度為50°C的KOH腐蝕溶液同時腐蝕矽片正反兩面，形成上電容間隙7和下電容間隙8，電容間隙即兩次腐蝕深度2 μ m，去除氧化層；(3)如圖2c所示，矽片18第三次光刻後、採用深反應離子刻蝕(DRIE)工藝，形成未釋放的質量可動電極結構和質量塊上、下表面的阻尼槽4，彈性梁2厚度及阻尼槽4深度即刻蝕深度25μπι;(4)如圖2d所示，矽片18再次氧化，光刻後，採用質量濃度比為40%、溫度為50°C的KOH腐蝕溶液同時腐蝕矽片正反兩面，釋放質量塊I可動電極結構，去除氧化層，同時形成支撐框架3 ；(5)如圖2e所不,提供一上電極蓋板低阻SOI娃片17,氧化、光刻後,米用質量濃度比為40%、溫度為50°C的KOH腐蝕溶液，頂層矽一側腐蝕形成上電極蓋板隔離槽9，另一側腐蝕形成上電極引線槽窗口 21和中間電極引線槽窗口 22，隔離槽深度為頂層矽厚度50μπι;(6)如圖2f所示，提供一下電極蓋板低阻SOI矽片19，氧化、光刻後，採用質量濃度比為40%、溫度為50°C的KOH腐蝕溶液，頂層矽一側腐蝕形成下電極蓋板隔離槽10，另一側腐蝕形成下電極引線槽窗口 23，隔離槽深度為頂層矽厚度50 μ m ;(7)如圖2g所示，所述上電極蓋板17下表面與下電極蓋板19上表面分別與所述 中間極板矽片18的支撐框架上、下表面對準直接鍵合，鍵合溫度1100°C，形成三層矽片鍵合在一起的一體式結構；(8)如圖2h所示，所述一體式結構採用質量濃度比為40%、溫度為50°C的KOH腐蝕溶液腐蝕上、中間、下電極引線槽窗口，直至腐蝕到所述上、下蓋板SOI矽片埋層氧化層為止，去除氧化層包括暴露的SOI埋層氧化層，形成上電極引線槽11、中間電極引線槽12和下電極引線槽13 ；(9)如圖I所示，所述上電極引線槽、中間電極引線槽和下電極引線槽選定區域濺射6000埃厚度的Au薄膜，形成焊盤。不難發現，本發明提出將兩片帶有絕緣槽的SOI矽片作為上、下電極蓋板，並與中間極板矽片採用成熟的Si-Si直接鍵合技術，使其鍵合在一起，構成一種避免寄生電容結構的差分電容式微加速度傳感器。本發明完全消除了極板間的寄生電容，使傳感器工作更加穩定，提高了測量精度，降低了接口電路的難度，有利於傳感器的集成化。本發明採用微電子機械製作方法，應用該微電子機械技術，在單晶矽基片上製作質量塊可動電極結構，在SOI矽基片上製作帶有隔離槽及電極引線槽的上、下電極蓋板，並採用Si-Si直接鍵合工藝製作該種結構的微加速度傳感器。
權利要求
1.一種避免寄生電容結構的微加速度傳感器，包括上電極蓋板(17)、下電極蓋板(19)和質量塊(1)，其特徵在於，所述上電極蓋板(17)和下電極蓋板(19)分別位於質量塊(I)的上端和下端，所述質量塊(I)的上表面具有上電容間隙(7)，下表面具有下電容間隙(8)；所述上電極蓋板(17)的下表面和下電極蓋板(19)的上表面均設有用於實現上電極焊盤(14)、中間電極焊盤(15)和下電極焊盤(16)之間絕緣的隔離槽(9、10)。
2.根據權利要求I所述的避免寄生電容結構的微加速度傳感器，其特徵在於，所述上電極蓋板(17)上表面設有上電極引線槽(11)和中間電極引線槽(12)，上電極焊盤(14)以及中間電極焊盤(15)通過上電極蓋板(17)下表面的隔離槽(9)實現電絕緣。
3.根據權利要求2所述的避免寄生電容結構的微加速度傳感器，其特徵在於，所述下電極蓋板(19 )下表面設有下電極引線槽(13 )，下電極焊盤(16 )和中間電極焊盤(15 )通過下電極蓋板(19)上表面的隔離槽(10)實現電絕緣。
4.根據權利要求I所述的避免寄生電容結構的微加速度傳感器，其特徵在於，所述質量塊(I)的表面還設有阻尼槽(4)。
5.根據權利要求I所述的避免寄生電容結構的微加速度傳感器，其特徵在於，所述質量塊(I)的上表面設有上過載保護塊(5 )，下表面設有下過載保護塊(6 )。
6.—種避免寄生電容結構的微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)取一雙拋低阻矽片，在所述雙拋低阻矽片的上表面和下表面分別通過氧化、光刻、溼法腐蝕工藝形成過載保護限位塊；(2)雙拋低阻矽片的上表面和下表面均通過光刻、溼法腐蝕，去除氧化層工藝，形成上電容間隙和下電容間隙；(3)雙拋低阻矽片的上表面和下表面均通過光刻、深反應離子刻蝕工藝，形成未釋放的質量塊可動電極結構和質量塊表面的阻尼槽；(4)雙拋低阻矽片的上表面和下表面均通過氧化、光刻、溼法腐蝕、去除氧化層工藝，形成質量塊可動電極結構；(5)取一上電極蓋板SOI低阻矽片，通過氧化、光刻、腐蝕工藝，在上電極蓋板SOI低阻矽片的一側形成上電極蓋板的隔離槽，在另一側形成上電極引線槽窗口和中間電極引線槽窗口，形成上電極蓋板；(6)取一下電極蓋板SOI低阻矽片，其經氧化、光刻、腐蝕工藝，在下電極蓋板SOI低阻矽片的一側形成下電極蓋板的隔離槽，在另一側形成下電極引線槽窗口，形成下電極蓋板；(7)所述上電極蓋板的下表面與下電極蓋板的上表面，分別與質量塊可動電極結構的中間極板娃片支撐框架的上表面和下表面對準，直接娃娃鍵合，形成三層娃片鍵合在一起的一體式結構；(8)在所述一體式結構腐蝕上電極引線槽窗口、中間電極引線槽窗口和下電極引線槽窗口，分別形成上電極引線槽、中間電極引線槽和下電極引線槽，並去除相應位置的氧化層；(9)在上電極引線槽、中間電極引線槽和下電極引線槽中選定的區域濺射或者蒸鍍金屬層形成焊盤。
7.根據權利要求6所述的避免寄生電容結構的微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於，所述步驟(7)中的上電極蓋板、下電極蓋板與質量塊可動電極結構的中間極板矽片支撐框架之間的鍵合方法為Si-Si直接鍵合方法，所述Si-Si直接鍵合是將所述上電極蓋板和下電極蓋板與中間電極娃片支撐結構鍵合在一起，構成一體結構的差分電容式微加速度傳感器。
8.根據權利要求6所述的避免寄生電容結構的微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於，所述步驟(9)中上電極弓I線槽、中間電極弓I線槽和下電極弓I線槽中的電極焊盤通過各向同性或各向異性腐蝕矽通孔、濺射或者蒸鍍金屬層實現電連接的。
全文摘要
本發明涉及一種避免寄生電容結構的微加速度傳感器，包括上電極蓋板、下電極蓋板和質量塊，所述上電極蓋板和下電極蓋板分別位於質量塊的上端和下端，所述質量塊的上表面具有上電容間隙，下表面具有下電容間隙；所述上電極蓋板的下表面和下電極蓋板的上表面均設有用於實現上電極焊盤、中間電極焊盤和下電極焊盤之間絕緣的隔離槽。本發明易於製作，工作性能穩定，用途廣泛。
文檔編號G01P15/125GK102928623SQ20121041832
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者車錄鋒, 李偉, 蘇榮濤, 王躍林 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所