一種差分電容微加速度傳感器及其製作方法
2023-05-10 17:13:31 2
專利名稱：一種差分電容微加速度傳感器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種加速度傳感器，特別是涉及一種製造方法簡單器件尺寸小至毫米量級的柵狀結構差分電容微加速度傳感器及其製作方法，屬於微電子機械製造領域。
背景技術：
微型加速度傳感器以其體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成等特點而廣泛和深入應用在航天制導、車輛控制、機器人、手機智能、工業探礦、醫學等領域中。為了適應不同領域測量條件的限制，加速度傳感器的類型也多種多樣，但電容式加速度傳感器由於其良好的溫度特性、高靈敏度、穩定性高以及加工簡單等特點一直都是研究的最主要方向。應用於微加速度傳感器的敏感機理很多，目前有文獻報導的主要有壓阻式、電容 式、溫敏式、諧振式等。壓阻式微加速度傳感器是通過可動質量塊感應加速度，將輸入轉換為彈性結構的形變，從而引起製作在彈性結構上的壓敏電阻阻值的變化，再通過外界電路將電阻的變化轉換為電壓或電流變化。壓阻式加速度傳感器具有加工工藝簡單，測量方法容易，線性度好等優點，但也有嚴重的缺點，例如溫度效應嚴重，工作狀態不穩定，靈敏度低
坐寸ο電容式微加速度傳感器是通過可動質量塊感應加速度，利用平行板電容將質量塊的相對位移轉換為電容的變化，再通過檢測電路將電容的微小變化轉換為與其成正比的電壓的變化。電容式加速度傳感器具有溫度效應低、功耗小、靈敏度相對較高、結構簡單等突出優點，但是外界加速度僅能引起電容微小的變化(通常在10-15量級甚至更低)，因此測試方法複雜。對於平板電容，電容值為C=—，
d其中ε為介質的介電常數，A為極板正對面積，d為極板間垂直距離。由上式可知，電容加速度傳感器按工作原理大致分為兩類。一類是變間距式，在加速度的作用下質量塊上下電極距離發生變化，大多數文獻中採用更多的是變間距式的加速度傳感器；另一類是變面積式，通過上下電極的平行錯位使得交疊面積發生變化。前者由於電容和間距成反比關係，會造成電容變化的非線性，需要利用反饋電路來減小非線性，另外由於上下極板相對運動，會產生較大的壓膜阻尼。而後者則完全是線性的關係，且由於運動過程中產生的是滑膜阻尼，這大大提高了加速度計的靈敏度。鑑於此，如何製作出一種電容式微加速度傳感器，以克服現有技術中電容變化的非線性以及加速度引起的電容變化微小造成的測試方法複雜的缺點，成為目前亟待解決的問題。
發明內容
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種差分電容微加速度傳感器及其製作方法，用於解決現有技術中電容變化的非線性以及加速度引起的電容變化微小造成的測試方法複雜的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種差分電容微加速度傳感器及其製作方法，至少包括以下步驟I)提供一襯底，在所述襯底的正面製備金屬層，並在所述金屬層上進行光刻、以及腐蝕工藝製作出一對叉指形固定電極以及兩個固定電極觸點；2)提供一結構基片，並在所述結構基片背面進行光刻和腐蝕工藝製備出用來釋放可動結構的預置空腔、以及兩個電極引出通孔；3)將步驟I)中所述襯底的正面與步驟2)中所述結構基片的背面鍵合在一起；4)從所述結構基片正面將其減薄到目標厚度後，在其正面沉積金屬層，並在所述金屬層上進行光刻以及腐蝕工藝形成可動電極、可動質量塊、彈性梁、以及固定電極引出通孔結構的圖形； 5)依據所述驟4)中的光刻圖形，通過對所述結構基片進行幹法刻蝕以得到可動質量塊、彈性梁以及兩個電極引出通孔；6 )提供一蓋板基片，在所述蓋板基片背面進行光刻以及腐蝕工藝製作出與所述可動質量塊相對應的蓋板空腔；7)將所述步驟6)中的蓋板基片背面和所述步驟5)中結構基片的正面鍵合在一起;8)通過光刻以及矽的深腐蝕工藝在所述步驟7)中的蓋板基片上形成電極引出通孔；9 )通過打線方式從所述電極引出通孔中引出固定電極和可動電極。可選地，所述步驟4)中在所述結構基片正面沉積的金屬層的材質為Au、Al、Cu、或Ag ;所述步驟7)中的鍵合工藝為圓片級低溫真空鍵合，採用的鍵合材料為玻璃漿料、聚合物或金屬粘合劑；所述步驟2)中結構基片上的電極引出通孔與所述步驟5)中蓋板基片上的電極引出通孔相對準，用於將所述固定電極和可動電極引出；所述步驟I)中的襯底為玻璃片時，該步驟I)中在所述玻璃片上沉積的金屬層的材質為Au、Al、Cu、或Ag ;所述步驟3)中採用陽極鍵合工藝將襯底正面與所述結構基片的背面鍵合在一起。可選地，所述步驟I)中的襯底為矽片時，所述步驟I)還包括1-1)提供一襯底，在所述襯底的正面熱氧化生長一層氧化矽；1-2)在所述步驟1-1)襯底的正面製備Au層，並在所述Au層上進行光刻、以及腐蝕工藝製作出一對叉指形固定電極；所述步驟2)還包括2-1)提供一結構基片，並在所述結構基片背面熱氧化生長一層氧化矽；2-2)在所述步驟2-1)的氧化矽上進行光刻和腐蝕工藝製作出用來釋放可動結構的預置空腔、以及電極引出通孔；2-3)在所述結構基片背面製作鍵合接觸環。可選地，所述步驟2-3)中鍵合接觸環的材料為玻璃漿料、聚合物或金屬粘合劑。可選地，所述結構基片為娃基片或SOI基片；所述蓋板基片為娃基片。可選地，所述結構基片為SOI基片時，所述步驟2)還包括2-1)提供一結構基片，在所述結構基片背面的頂層矽表面熱氧化生長一層氧化矽；2-2)在所述結構基片背面的氧化矽層上進行光刻及刻蝕，開出所述頂層矽的腐蝕窗口，然後以氧化矽為掩膜，對所述腐蝕窗口的頂層矽進行刻蝕直至達到埋層氧化矽層，以形成用來釋放可動結構的預置空腔、以及電極引出通孔；2-3)利用幹法刻蝕將所述步驟2-2)中結構基片背面露出的所述埋層氧化矽刻蝕掉。本發明的另一目的是提供一種差分電容微加速度傳感器，至少包括襯底，其正面具有一對叉指形固定電極以及一對固定電極觸點；
結構基片，具有一凹腔的背面鍵合於所述襯底之上，通過該凹腔與所述襯底表面構成電容間距，正面具有柵狀可動電極；對應所述凹腔上方懸設有柵狀可動質量塊，所述可動質量塊兩側分別通過若干對稱彈性梁連接至所述結構基片；對應所述襯底上一對所述固定電極觸點在所述結構基片上還具有兩個電極引出通孔；蓋板基片，具有一凹腔的背面鍵合於所述結構基片正面之上，通過該凹腔與所述結構基片正面構成了所述可動質量的運動間隙；對應所述襯底上一對所述固定電極觸點以及結構基片上的可動電極，在所述蓋板基片上還具有兩個電極引出通孔，以實現將所述固定電極和可動電極引出。可選地，所述固定電極和可動電極的材質為Au、Al、Cu、或Ag ;所述彈性梁和可動質量塊形成於所述結構基片體材料中；所述彈性梁對稱分布於所述可動質量塊兩側，其個數為2個，且所述彈性梁的形狀為環形；所述襯底上的叉指形固定電極與結構基片上的柵狀可動質量塊組成敏感電容器；所述加速度傳感器中的柵狀可動質量塊的運動方向為沿與該質量塊上表面平行的方向，屬於面內加速度傳感器。可選地，所述襯底選為矽片或玻璃片；所述結構基片為選為矽基片或SOI基片；所述蓋板基片選為矽片；所述結構基片為SOI基片時，所述電容間距為該SOI基片頂層矽與埋層氧化矽的厚度之和；所述環形彈性梁和可動質量塊形成於該SOI基片的襯底矽中。如上所述，本發明的一種差分電容微加速度傳感器及其製作方法，具有以下有益效果:本發明利用體矽工藝完成可動質量塊和彈性梁的製作，通過幹法刻蝕完成結構製作的同時也完成器件結構的釋放；可動電極與可動質量塊具有相同的形狀和大小，避免重複光刻，工藝大大簡化；設計的彈性梁在敏感方向剛度小，敏感垂直方向剛度大，具有較高的選擇性和防串擾能力；利用圓片級低溫真空對準鍵合技術將器件簡單可靠地封裝起來，便於大規模製造。此外，本發明的微加速度傳感器採用了變面積式工作原理使得可動質量塊在運動時僅受到滑膜阻尼，提高了靈敏度，並採用了柵狀可動電極和叉指固定電極使得在相同加速度作用下產生較大的電容變化量，進一步降低了差分式電容的檢測難度。因此，本發明的差分電容式微加速度傳感器結構簡單，工藝易於實現，測量精度高、線性度好、靈敏度高，是一種實際可行的固態微型加速度計。
圖Ia Ii顯示為本發明實施例一中的差分電容微加速度傳感器製作工藝流程示意圖。
圖2a 2e顯示為本發明實施例二中的差分電容微加速度傳感器製作部分工藝流程不意圖。圖3a 3d顯示為本發明實施例三中的差分電容微加速度傳感器製作部分工藝流程不意圖。圖4顯示為本發明實施例四中的差分電容微加速度傳感器結構示意圖。圖5a 5b顯示為本發明實施例四中的差分電容微加速度傳感器的等效電路以及工作原理示意圖元件標號說明I 襯底
2、4金屬層20 叉指形固定電極21 固定電極觸點3 結構基片30 預置空腔31、51 電極引出通孔32柵狀可動質量塊33彈性梁34頂層矽35埋層氧化矽36襯底矽40可動電極5蓋板基片50蓋板空腔6玻璃漿料鍵合7固定電極引線8可動電極引線9氧化矽層10鍵合接觸環SrS9 步驟AB、C 方向
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。請參閱圖Ia li、圖2a 2e、圖3a 3d、圖4以及圖5a 5b，結合說明書附圖進一步說明本發明提供的一種差分電容式微加速度傳感器及其製作方法，根據本發明中提供的不同襯底以及不同的結構基片，所述加速度傳感器的製作方法也略有不同，下面通過不同的實施例來進行詳細說明。實施例一如圖Ia至Ii所述，本實施例提供一種差分電容微加速度傳感器的製作方法，包括以下步驟步驟SI :如圖Ia所示，提供一玻璃襯底1，在所述玻璃襯底I的正面通過電子束蒸發或蒸鍍一層金屬層2,該金屬層2的材質暫選為Au,但不限於此,在其它實施例中亦可為Al、Cu、或Ag等導電金屬；然後在所述金屬層2上進行光刻、以及腐蝕工藝製作出一對叉指形固定電極20以及兩個固定電極觸點21。
步驟S2 :提供一結構基片3，本實施例中，所述結構基片暫選為矽片，但並不限於此，在其它實施例中亦可為其它基片，不同的結構基片工藝稍有差別；然後在所述結構基片3背面進行光刻形成預置空腔30和電極引出通孔31圖形，接著利用幹法或溼法腐蝕工藝製備出用來釋放可動結構的預置空腔30、以及兩個電極引出通孔31的結構，該預置空腔30的深度即為所述微加速度傳感器的電容間距，該電容間距根據所製作的加速度傳感器的性能的不同而改變。如圖Ib所示為所述結構矽片的截面圖。步驟S3 :採用陽極鍵合工藝將所述步驟SI中玻璃襯底I的正面與所述步驟S2中所述結構基片3的背面鍵合在一起，陽極鍵合工藝一般只限於玻璃-矽鍵合，鍵合溫度為300°C 400°C，偏壓為500V 1000V。需要說明的是，在鍵合時，在所述結構基片3對應所述金屬電極引線的位置上腐蝕出一個小腔(未示出)，使所述結構矽片3背面不能與所述襯底I矽片上的金屬電極引線接觸，如圖Ic所示為鍵合後的截面圖。步驟S4 :採用化學機械研磨法或溼法腐蝕工藝從所述結構基片3正面進行減薄，減薄到目標厚度後，通過蒸鍍或電子束蒸發工藝在所述減薄的結構基片3正面沉積一層金屬層4，本實施例中，該金屬層4的材質選為Au，但不限於此，在其它實施例中亦可為Al、Cu、或Ag等導電金屬；然後在所述金屬層4上就行光刻，並對其進行腐蝕以分別形成可動電極40、柵狀可動質量塊32(簡稱可動質量塊32)、彈性梁33、以及固定電極引出通孔31結構的圖形；所述電極引出通孔31結構的圖形與所述步驟SI中的固定電極觸點21在垂直方向上相對應，以使在後續步驟中腐蝕所述結構基片3形成的固定電極引出通孔31能夠連通該固定電極觸點21 ;所述可動質量塊32結構上方的金屬層4作為可動電極40，所述結構基片4正面沒有被金屬層4所覆蓋的地方在後續步驟中將被腐蝕掉，且該結構基片3上剩餘的金屬層4與可動質量塊32上的可動電極40實現電學連接。圖Id顯示為在所述結構矽片正面的金屬層上進行光刻後的結構圖形平面圖。步驟S5 :依據所述驟S4中的光刻圖形，通過對沒有被所述金屬層4所述覆蓋的結構基片3進行幹法刻蝕以得到可動質量塊32、彈性梁33以及兩個電極引出通孔31。所述可動質量塊32為柵狀結構，其兩側分別通過若干對稱彈性梁33連接至所述結構矽片3。需要說明的是，本實施例中彈性梁33的形狀為環形，數量為2個，但並不限於此，在其他實施例中所述彈性梁32的形態和數量根據所述加速度傳感器的性能不同而改變，例如所述彈性梁33的形狀可以為直梁或其它對稱結構的形狀等，數量可以為4個、6個等。如圖Ie所示為沿圖Id的AB方向的截面圖，在後續工藝流程圖的截面圖結構都是按照圖Id (或圖Id在器件結構中的AB方向)的AB方向的截面，後續步驟中不在贅述，特此聲明。步驟S6 :如圖If所不，提供一在蓋板基片5,本實施例中蓋板基片5選為娃基片，但不限於此，其它實施例中亦可為其它基片，例如Ge基片等，在所述蓋板基片5背面進行光刻後，利用幹法或溼法腐蝕工藝腐蝕出與所述可動 質量塊相對應的蓋板空腔50，通過該蓋板空腔50與所述結構基片3正面構成了所述可動質量塊32的運動間隙。步驟S7 :如圖Ig所示，採用圓片級低溫真空封裝玻璃漿料鍵合6工藝將所述步驟S6中的蓋板基片5背面和所述步驟S5中結構基片3的正面鍵合在一起，玻璃漿料鍵合6技術具有工藝簡單、鍵合強度高、密封效果好、生產效率高等優點，是一種高產率、低成本的封裝技術。但並不限於本實施例中的鍵合工藝，在其它實施例中亦可以採用圓片級低溫真空封裝聚合物鍵合工藝、或金屬粘合劑鍵合工藝等。通過鍵合的蓋板基片5，實現了所述加速度傳感器的圓片級真空封裝，以防止所述加速度傳感器中的可動結構受到劃片和裝配過程中的灰塵、水汽等因素的影響，造成器件的毀壞或整體性能的下降。需要說明的是，所述蓋板基片5與結構矽片3鍵合後，該蓋板矽片5上的蓋板空腔50正好覆蓋在所述結構基片3上的可動質量塊32以及彈性梁33之上，並與結構基片3正面形成了可動質量塊32的自由運動空間。步驟S8 :如圖Ih所示，在鍵合後的蓋板基片5正面進行光刻以形成與該蓋板基片5背面電極引出通孔51結構相對應的電極引出通孔51圖形，根據光刻的圖形，並利用幹法或溼法刻蝕工藝在所述蓋板基片5上刻蝕出電極引出通孔51。幹法刻蝕一般利用深反應離子刻蝕工藝，而溼法刻蝕採用KOH溶液進行矽的腐蝕。需要說明的是，所述蓋板基片5上的電極引出通孔51與結構基片3上的電極引出通孔31在垂直方向上相連通，以將固定電極20引出，且位於蓋板基片5上的電極引出通孔51將所述結構基片3上的金屬引線暴露出，以將可動電極40引出。步驟S9 :如圖Ii所示，通過打線方式從所述電極引出通孔31和51中引出固定電極引線7和可動電極引線8，完成電容式微加速度傳感器的製作。綜上所述，本發明利用體矽工藝完成可動質量塊和彈性梁的製作，通過幹法刻蝕完成結構製作的同時也完成器件結構的釋放；設計的彈性梁在敏感方向剛度小，其敏感垂直方向剛度大，具有較高的選擇性，防止串擾；採用了柵狀可動電極和叉指固定電極使得在相同加速度作用下產生較大的電容變化量，且差分式電容檢測方式進一步降低了檢測難度；利用低溫真空鍵合技術實現器件的圓片級真空封裝；採用變面積式差分電容工作原理，保證器件良好的工作性能。此外本實用新型加速度傳感器結構簡單，工藝易於實現，測量精度高、線性度好、靈敏度高，是一種實際可行的固態微型加速度計。實施例二如圖所示2a至2e所示為本實施例中的製作差分電容微加速度傳感器的部分工藝流程圖，本實施例提供另一種差分電容微加速度傳感器的製作方法，與實施例一不同之處是本實施例中提供的襯底為矽襯底，因此，襯底的不同導致了工藝上的稍微差別，具體工藝步驟的不同如下當提供一娃襯底I時，所述實施例一的步驟SI還包括
Sl-I :如圖2a所示，提供一襯底I，在所述矽襯底的正面熱氧化生長一層氧化矽層9，該氧化矽層9將所述矽襯底與後續步驟中的金屬層2絕緣。S1-2:如圖2b所示，通過蒸鍍或電子束蒸發工藝在所述步驟Sl-I襯底的氧化矽層9上製備一層金屬層2,本實施例中所述金屬層2材質暫選為Au,但並不限於此,在其它實施例中亦可以選為Al、Cu、或Ag等導電金屬材料。然後在所述金屬層2上進行光刻、以及腐蝕工藝製作出一對叉指形固定電極20以及兩個固定電極觸點21。如圖2b所示為所述襯底形成固定電極的平面圖。
所述實施例一種步驟S2還包括S2-1 :如圖2c所示，提供一結構基片3，本實施例中的結構基片3暫選為矽片，然後在所述結構基片3背面熱氧化生長一層氧化矽9。S2-2 :在所述結構基片3背面氧化矽層9上進行光刻形成預置空腔30和電極弓I出通孔31圖形，然後利用幹法或溼法腐蝕工藝製備出用來釋放可動結構的預置空腔30、以及兩個電極引出通孔31的結構，該預置空腔30的深度即為所述微加速度傳感器的可動電容間距，該電容間距根據所製作的加速度傳感器的性能的不同而改變。如圖2d所示為結構基片的截面圖。S2-3 :在所述結構基片3背面以及襯底正面氧化矽層9上製作鍵合接觸環10，本實施例中鍵合接觸環10暫選為Au-Au鍵合環，但不限於此，在其它實施例中，鍵合接觸環10亦可為玻璃漿料、聚合物或金屬粘合劑。如圖2d所示為結構基片的截面圖。本實施例中的其它步驟以及工藝流程圖與實施例一相同，在此不再贅述。如圖2e所示為本實施例中形成的最終加速度傳感器的結構圖。實施例三如圖所示3a至3d所示為本實施例中的製作差分電容微加速度傳感器的部分工藝流程圖，本實施例提供另一種差分電容微加速度傳感器的製作方法，與實施例一不同之處是本實施例中提供的結構基片為SOI基片，因此，結構基片的不同也導致了工藝上的稍微差別，具體工藝步驟的不同如下當提供一 SOI結構基片3時，所述實施例一的步驟S2還包括S2-1 :如圖3a所示，提供一結構基片3，在所述結構基片3背面的頂層矽36表面熱氧化生長一層氧化矽9。S2-2 :如圖3b所示，在所述結構基片3背面的氧化矽層9上進行光刻及刻蝕，開出所述頂層矽36的腐蝕窗口，然後以氧化矽層9為掩膜，採用幹法或溼法腐蝕工藝對所述腐蝕窗口的頂層矽36上進行刻蝕直至達到埋層氧化矽37，以形成用來釋放可動結構的預置空腔30、以及電極引出通孔31結構，最後除去所述頂層矽上的氧化矽9。S2-3 :如圖3c所示，利用幹法刻蝕將所述步驟S2-2中結構基片3背面露出的所述埋層氧化娃37刻蝕掉。需要說明的是，用該方法製作的加速度傳感器，電容間距可精確控制，為該SOI基片頂層矽與埋層氧化矽的厚度之和；所述環形彈性梁和可動質量塊形成於該SOI基片的襯底矽中，且所述環形彈性梁和可動質量塊的厚度也可精確控制。本實施例中的其它步驟以及工藝流程圖與實施例一相同，在此不再贅述。如圖3d所示為本實施例中形成的最終加速度傳感器的結構圖。
實施例四如圖所4示，本發明的另一目的是提供一種差分電容微加速度傳感器，應用於密封的真空腔體環境中，至少包括襯底I、結構基片3、以及蓋板基片5。所述襯底I設置於所述微加速度傳感器的底部，本實施例中所述襯底I暫選為玻璃，但並不限於此，在其它實施例中亦可選為矽片、或鍺片等，其正面具有一對叉指形固定電極20以及一對固定電極觸點21。本實施例中所述固定電極20和固定電極觸點21的材質暫選為Au，但並不限於此，在其它實施例中亦可選為Al、Cu、或Ag。所述結構基片3具有一預置空腔30的背面鍵合於所述襯底I之上，通過該預置空腔30與所述襯底I表面構成電容間距，正面具有柵狀可動電極40 ;對應所述預置空腔30上方懸設有柵狀可動質量塊32，所述可動質量塊32兩側分別通過若干對稱彈性梁33連接至所述結構基片3 ;對應所述襯底I上一對所述固定電極觸點21在所述結構基片3上還具有兩個電極引出通孔31。本實施例中結構基片3暫選為矽片，但並不限於此，在其它實施例中亦可為SOI結構基片3。當所述結構基片為SOI基片時，所述電容間距為該結構基片3 頂層矽36與埋層氧化矽35的厚度之和，所述彈性梁33和可動質量塊32形成於該結構基片3的襯底矽34中(參考圖3d)。需要說明的是，本實施例中彈性梁33的形狀為環形，數量為2個，但並不限於此，在其他實施例中所述彈性梁33的形態和數量根據所述加速度傳感器的性能不同而改變，例如所述彈性梁33的形狀可以為直梁或其它對稱結構的形狀等，數量可以為4個、6個等。所述蓋板基片5具有一蓋板空腔50的背面鍵合於所述結構基片3正面之上，通過該蓋板空腔50與所述結構基片3正面構成了所述可動質量32的運動間隙；對應所述襯底I上一對所述固定電極觸點21以及結構基片3上的可動電極40，在所述蓋板基片5上還具有兩個電極引出通孔51，以實現將所述固定電極20和可動電極40引出。本實施例中的蓋板基片5暫選為矽基片，但並不限於此，在其它實施例中亦可為鍺基片等。需要說明的是，所述微加速度傳感器結構應用於密封的真空腔體環境中，且該微加速度傳感器中的柵狀可動質量塊32的運動方向為沿與該質量塊32上表面平行的方向，屬於面內加速度傳感器。為了進一步闡明本發明的差分電容微加速度傳感器的原理及功效，請參閱圖5a至5b，如圖所示為該加速度傳感器的工作原理圖。本發明中的所述可動質量塊32可以在平面內檢測水平方向的加速度，具有良好的選擇性。同時該可動質量塊32與可動電極30是一體的，柵狀結構的可動電極30與叉指結構的固定電極20可在小位移的狀態下產生大的電容變化，且成比較嚴格的線性關係，通過改變叉指固定電極20叉指的個數和長度、以及柵狀結構的可動質量塊32柵的個數和長度可以繼續增大電容的變化。當可動質量塊32移動時，下固定電極20與上可動電極30構成的兩組檢測電容會發生大小相同正負不同的變化。當按圖5b中的方向C運動時，若一個電容(Cl)變大，則另外一個電容(C2)就變小。通過檢測差分電容的大小，就可以推算出加速度的大小。可見本發明加速度計相對其他加速度計具有較大的輸出、較好的線性度以及較小的空氣阻尼，而且後續接口電路的設計和製作也相對簡單。綜上所述，本發明提出的一種差分電容微加速度傳感器及其製作方法，該方法利用體矽工藝完成可動質量塊和彈性梁的製作，通過幹法刻蝕完成結構製作的同時也完成器件結構的釋放；可動電極與可動質量塊具有相同的形狀和大小，避免重複光刻，工藝大大簡化；設計的彈性梁在敏感方向剛度小，敏感垂直方向剛度大，具有較高的選擇性和防串擾能力；利用圓片級低溫真空對準鍵合技術將器件簡單可靠地封裝起來，便於大規模製造。此夕卜，本發明的微加速度傳感器採用了變面積式工作原理使得可動質量塊在運動時僅受到滑膜阻尼，提高了靈敏度，並採用了柵狀可動電極和叉指固定電極使得在相同加速度作用下產生較大的電容變化量，且差分式電容檢測方式進一步降低了檢測難度。因此，本發明的差分電容式微加速度傳感器結構簡單，工藝易於實現，測量精度高、線性度好、靈敏度高，是一種實際可行的固態微型加速度計。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟 悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種差分電容微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於，至少包括以下步驟 1)提供一襯底，在所述襯底的正面製備金屬層，並在所述金屬層上進行光刻、以及腐蝕工藝製作出一對叉指形固定電極以及兩個固定電極觸點； 2)提供一結構基片，並在所述結構基片背面進行光刻和腐蝕工藝製備出用來釋放可動結構的預置空腔、以及兩個電極引出通孔； 3)將步驟I)中所述襯底的正面與步驟2)中所述結構基片的背面鍵合在一起； 4)從所述結構基片正面將其減薄到目標厚度後，在其正面沉積金屬層，並在所述金屬層上進行光刻以及腐蝕工藝形成可動電極、可動質量塊、彈性梁、以及固定電極引出通孔結構的圖形； 5)依據所述驟4)中的光刻圖形，通過對所述結構基片進行幹法刻蝕以得到可動質量塊、彈性梁以及兩個電極引出通孔； 6)提供一蓋板基片，在所述蓋板基片背面進行光刻以及腐蝕工藝製作出與所述可動質量塊相對應的蓋板空腔； 7)將所述步驟6)中的蓋板基片背面和所述步驟5)中結構基片的正面鍵合在一起； 8)通過光刻以及矽的深腐蝕工藝在所述步驟7)中的蓋板基片上形成電極引出通孔； 9 )通過打線方式從所述電極引出通孔中引出固定電極和可動電極。
2.根據權利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於所述步驟4)中在所述結構基片正面沉積的金屬層的材質為Au、Al、Cu、或Ag。
3.根據權利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於所述步驟7)中的鍵合工藝為圓片級低溫真空鍵合，採用的鍵合材料為玻璃漿料、聚合物或金屬粘合劑。
4.根據權利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於所述步驟2)中結構基片上的電極引出通孔與所述步驟5)中蓋板基片上的電極引出通孔相對準，用於將所述固定電極和可動電極引出。
5.根據權利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於所述步驟I)中的襯底為玻璃片時，該步驟I)中在所述玻璃片上沉積的金屬層的材質為Au、Al、Cu、或Ag ;所述步驟3)中採用陽極鍵合工藝將襯底正面與所述結構基片的背面鍵合在一起。
6.根據權利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於，所述步驟I)中的襯底為矽片時，所述步驟I)還包括 1-1)提供一襯底，在所述襯底的正面熱氧化生長一層氧化矽； 1-2)在所述步驟1-1)襯底的正面製備Au層，並在所述Au層上進行光刻、以及腐蝕工藝製作出一對叉指形固定電極； 所述步驟2)還包括 2-1)提供一結構基片，並在所述結構基片背面熱氧化生長一層氧化矽； 2-2)在所述步驟2-1)的氧化矽上進行光刻和腐蝕工藝製作出用來釋放可動結構的預置空腔、以及電極引出通孔； 2-3)在所述結構基片背面製作鍵合接觸環。
7.根據權利要求6所述的差分電容微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於所述步驟2-3)中鍵合接觸環的材料為玻璃漿料、聚合物或金屬粘合劑。
8.根據權利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於所述結構基片為矽基片或SOI基片；所述蓋板基片為矽基片。
9.根據權利要求8所述的差分電容微加速度傳感器的製作方法，其特徵在於所述結構基片為SOI基片時，所述步驟2)還包括 2-1)提供一結構基片，在所述結構基片背面的頂層娃表面熱氧化生長一層氧化娃； 2-2)在所述結構基片背面的氧化矽層上進行光刻及刻蝕，開出所述頂層矽的腐蝕窗口，然後以氧化矽為掩膜，對所述腐蝕窗口的頂層矽進行刻蝕直至達到埋層氧化矽層，以形成用來釋放可動結構的預置空腔、以及電極引出通孔； 2-3)利用幹法刻蝕將所述步驟2-2)中結構基片背面露出的所述埋層氧化矽刻蝕掉。
10.一種差分電容微加速度傳感器，其特徵在於，至少包括 襯底，其正面具有一對叉指形固定電極以及一對固定電極觸點； 結構基片，具有一凹腔的背面鍵合於所述襯底之上，通過該凹腔與所述襯底表面構成電容間距，正面具有柵狀可動電極；對應所述凹腔上方懸設有柵狀可動質量塊，所述可動質量塊兩側分別通過若干對稱彈性梁連接至所述結構基片；對應所述襯底上一對所述固定電極觸點在所述結構基片上還具有兩個電極引出通孔； 蓋板基片，具有一凹腔的背面鍵合於所述結構基片正面之上，通過該凹腔與所述結構基片正面構成了所述可動質量的運動間隙；對應所述襯底上一對所述固定電極觸點以及結構基片上的可動電極，在所述蓋板基片上還具有兩個電極引出通孔，以實現將所述固定電極和可動電極引出。
11.據權利要求10所述的差分電容微加速度傳感器，其特徵在於所述固定電極和可動電極的材質為Au、Al、Cu、或Ag。
12.根據權利要求10所述的差分電容微加速度傳感器，其特徵在於所述彈性梁和可動質量塊形成於所述結構基片體材料中；所述彈性梁對稱分布於所述可動質量塊兩側，其個數為2個，且所述彈性梁的形狀為環形。
13.根據權利要求10所述的差分電容微加速度傳感器，其特徵在於所述襯底上的叉指形固定電極與結構基片上的柵狀可動質量塊組成敏感電容器；所述加速度傳感器中的柵狀可動質量塊的運動方向為沿與該質量塊上表面平行的方向，屬於面內加速度傳感器。
14.根據權利要求10所述的差分電容微加速度傳感器，其特徵在於所述襯底選為矽片或玻璃片；所述結構基片為選為矽基片或SOI基片；所述蓋板基片選為矽片。
15.根據權利要求14所述的差分電容微加速度傳感器，其特徵在於所述結構基片為SOI基片時，所述電容間距為該SOI基片頂層矽與埋層氧化矽的厚度之和；所述環形彈性梁和可動質量塊形成於該SOI基片的襯底矽中。
全文摘要
本發明提出一種差分電容微加速度傳感器及其製作方法，該方法利用體矽工藝完成可動質量塊和彈性梁的製作，通過幹法刻蝕完成結構製作的同時也完成器件結構的釋放；可動電極與可動質量塊具有相同的形狀和大小，避免重複光刻，工藝大大簡化；設計的彈性梁在敏感方向剛度小，敏感垂直方向剛度大，具有較高的選擇性和防串擾能力；利用圓片級低溫真空對準鍵合技術將器件簡單可靠地封裝起來，便於大規模製造。此外，本發明的微加速度傳感器採用了變面積式工作原理使得可動質量塊在運動時僅受到滑膜阻尼，提高了靈敏度。
文檔編號B81B3/00GK102778586SQ201210287128
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月13日 優先權日2012年8月13日
發明者姚邵康, 徐德輝, 徐銘, 熊斌, 王躍林, 馬穎蕾 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所