一種微電子加速度傳感器及其製備工藝的製作方法
2023-04-24 16:24:41 2
專利名稱：一種微電子加速度傳感器及其製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及基於微機械加工實現測量加速度的傳感器微結構，尤其是一種微電子加速度傳感器及其製備工藝，屬於微電子機械系統技術領域。
背景技術：
加速度是反應系統外界環境和自身狀況非常重要的參數，對環境監測、系統自身狀態識別有重要影響，因此快速準確測量出加速度具有重要的實際意義。眾所周知，利用機械加工的加速度計雖然也能測量加速度，但這些機械裝置因具有移動部件而易磨損，同時具有體積大，價格昂貴，需要經常維護等缺點。典型的液浮式加速度傳感器結構較大，相對功耗也比較高。基於MEMS (微電子機械系統)加工技術的微型慣性傳感器具有體積小， 價格低，產品一致性好的特點，是近幾年來慣性傳感器研究的熱點。但是，由於這一類的加速度傳感器沒有鎖存功能，所以對系統的功耗要求會很高，特別是對於用在野外環境的長時間檢測的情況下，功耗問題往往會成為一個至關重要的問題。傳統的MEMS加速度傳感器的信號鎖存一般採用電路實現，這樣的話傳感器的加工工藝複雜，而且成本較高。傳統的用矽微機械加工工藝製作的加速度鎖存器只能實現單閾值鎖存，不能實現多閾值鎖存和閾值讀取，重要的是它採用SOI矽片製作傳感器晶片，這樣不但成本較高，而且由於矽結構層較薄，晶片的性能和穩定性很難提高。
發明內容
本發明提出了一種微電子加速度傳感器及其製備工藝，其技術方案如下
一種微電子加速度傳感器，其特徵在於以玻璃襯底為晶片基板，在玻璃襯底上表面的上方中心，設置一與玻璃襯底上表面存有間距的單晶矽質量塊，單晶矽質量塊上、下表面之間設有間隔、陣列布置的通孔，設置左右兩側對稱的各2條單晶矽摺疊梁，各側的2條單晶矽摺疊梁對稱分列於單晶矽質量塊水平中心線上下兩側，各條單晶矽摺疊梁的一端分別懸浮對應聯接單晶矽質量塊左、右的四個對稱角，各條單晶矽摺疊梁的另一端分別懸浮對應連接左、右各兩個上下對稱於單晶矽質量塊水平中心線的單晶矽錨區；在單晶矽摺疊梁的外側，設置左右對稱的各兩組上下對稱於單晶矽質量塊水平中心線的單晶矽錨區，每組設有3個單晶矽錨區，3個單晶矽錨區中，位於外側的錨區與中間的錨區之間懸浮連接一條單晶矽感溫梁，該感溫梁分為粗細兩段，在粗細兩段連接處折彎，粗段在外側，其端點連接外側的錨區，細段之端點連接中間的錨區，內側的錨區懸浮連接一條水平單晶矽鎖存鉤，其鉤頭背面與單晶矽感溫梁的折彎點活動鉸支聯接；在單晶矽質量塊左右兩側的中點各懸浮聯接一根朝向相反、水平設置的單晶矽鎖頭杆，其鎖頭部位與鎖存鉤鉤頭匹配；與單晶矽質量塊上各通孔對位的玻璃襯底上表面區域設有金屬薄膜層，單晶矽質量塊的下表面構成電容上極板，玻璃襯底上表面上各區域的金屬薄膜層之間導線連接後構成電容下極板，電容上、 下極板均設有引出線；所有的單晶矽錨區均生根於玻璃襯底上表面。上述微電子加速度傳感器的製備工藝，採用Au—Au低溫鍵合實現單晶矽與玻璃襯底的鍵合併實現電的轉移互連；首先選取矽片，並在其上塗膠，光刻開出懸浮質量塊，感溫梁和摺疊梁區域的窗口，然後採用ICP或RIE刻蝕矽形成1一 10 μ m淺槽，去掉光刻膠後再重新氧化矽片，然後濺射金屬並光刻，形成鍵合區域，同時在玻璃襯底上澱積金屬並光刻形成鍵合區域、電容下極板和引線壓焊區域，最後將矽片和玻璃採用Au-Au鍵合，並且採用化學機械拋光使矽片減薄至需要的厚度，再採用光刻和ICP矽刻蝕釋放整個結構。本發明的優點及顯著效果常規基於矽微機械加工的加速度傳感器，由於不具備鎖存功能，使得傳感器的功耗較大。本發明基於彈簧的胡克定理並以體矽微機械加工工藝製作的微結構傳感器測量加速度，具有閾值鎖存功能，當加速度達到設定的閾值時，系統才會被激發從而進入工作或者休眠模式，減少了系統加速度檢測和判斷所需要的功耗，因此降低了系統電路的複雜程度，同時也降低了功耗。同時，採用多閾值結構的設計，使得傳感器可以具有多閾值鎖存功能。為了提高系統的穩定性，採用體矽微機械加工工藝，整個加工過程不會影響矽片正面已有的CMOS電路，所以可以採用post-CMOS加工工藝進行加工，從而進一步的實現晶片的單片智能化，工藝步驟簡單可靠，可以降低晶片的尺寸和成本。懸浮質量塊被鎖存的位置可以通過檢測電容的大小來判別，傳感器具有復位解鎖功能，使傳感器可重複利用。
圖1是本發明的結構示意圖； 圖2是圖1的仰視圖3是圖1中檢測電容5下極板的構成及布置。
具體實施例方式參看圖1、2、3，以玻璃襯底7為晶片基板，在玻璃襯底7上表面的上方中心設置一與玻璃襯底7上表面存有間距的單晶矽質量塊單晶矽質量塊2，單晶矽質量塊上、下表面之間設有間隔、矩形陣列布置的方形通孔26。設置左右兩側對稱的各2條單晶矽摺疊梁6，各側的2條單晶矽摺疊梁6對稱分列於質量塊水平中心線上下兩側，各條單晶矽摺疊梁的一端分別懸浮對應聯接質量塊左、右的四個對稱角，各條單晶矽摺疊梁的另一端分別懸浮對應連接左、右各兩個上下對稱於質量塊水平中心線的單晶矽錨區16、17 (在同一垂直線上) 及18、19 (在同一垂直線上);在單晶矽摺疊梁的左右外側，設置左右對稱的各兩組上下對稱於質量塊水平中心線的單晶矽錨區，每組設有3個單晶矽錨區，左側兩組為10、11、12及13、 14、15 (在同一垂直線上)，右側兩組為20、21、22及23、24、25 (在同一垂直線上)，位於外側的錨區10、15及20、25分別與各自同側的中間錨區11、14及21、對之間連接一條單晶矽感溫梁3，該感溫梁分為粗細兩段，在粗細兩段連接處折彎，粗段之端點分別對應連接外側的錨區10、15及20、25，細段之端點分別對應連接中間的錨區11、14及21、24，內側的錨區12、 13及22、23各自連接一條水平單晶矽鎖存鉤8，其鉤頭1背面與單晶矽感溫梁的折彎點活動鉸支聯接(活動關節)；在單晶矽質量塊左右兩側的中點各聯接一根朝向相反、水平設置的單晶矽鎖頭杆4，其多級鎖頭部位與鎖存鉤鉤頭1匹配；單晶矽質量塊上各通孔沈對位的玻璃襯底7上表面區域設有金屬薄膜層(圖3所示)，單晶矽質量塊的下表面構成檢測電容5上極板，弓丨出電極為錨區16、17、18、19中的任一個，玻璃襯底上表面上各獨立區域的金屬薄膜層之間導線連接後構成檢測電容5下極板，引出電極9 (圖3)。所有的單晶矽錨區均生根於玻璃襯底7上表面，單晶矽質量塊2、單晶矽摺疊梁6、單晶矽感溫梁3、單晶矽鎖存鉤1以及單晶矽鎖頭杆4均懸浮於同一高度平面。為了能實現加速度鎖存測量，四個錨區16，17』 18，19和四個單晶矽摺疊梁6分別以晶片中心位置對稱分布來支撐傳感器中心的單晶矽質量塊2。當晶片基板7受到橫向加速度衝擊時，單晶矽質量塊2便會得到一個與晶片基板7加速度方向相反的慣性力，從而使單晶矽摺疊梁6被拉長或者壓縮，當加速度值大於晶片設定的閾值時，單晶矽質量塊2的鎖頭4便會通過設定的鎖存位置從而被鎖存鉤8鎖存。被鎖存的位置可以通過檢測電容5的大小來判別(單晶矽質量塊2的左右位移可以通過通孔沈觀察原本與通孔沈對位的玻璃襯底上表面金屬薄膜區域產生了錯位，檢測電容5的大小也隨之改變，通過測量檢測電容5 的值，可以換算出加速度)。之後即使系統加速度減小或者方向相反時，晶片的單晶矽質量塊2仍然會被鎖存在預先設定的位置，直到通過對單晶矽感溫梁3通電工作，單晶矽感溫梁 3作為熱執行器，通電後粗細兩段梁產生的熱變形不同，帶動鎖存鉤8鉸支運動與鎖頭4分離，對晶片進行復位，晶片的鎖存部分才會被解鎖。由於傳感器具有復位解鎖功能，使傳感器可以被重複利用。本傳感器的製備工藝為首先選取矽片，並在其上塗膠，光刻開出懸浮質量塊2， 感溫梁3和摺疊梁6區域的窗口，然後用ICP或RIE刻蝕矽形成一淺槽(1一 10 μ m)。去掉光刻膠後再重新氧化矽片，然後濺射金屬並光刻和形成鍵合區域。同時在玻璃襯底上澱積金屬並光刻形成鍵合區域、電容下極板和引線壓焊區域。當上述工藝完成後，將矽片和玻璃採用Au-Au鍵合，並且採用化學機械拋光(CMP)使矽片減薄至合適的厚度。最後採用光刻和ICP矽刻蝕釋放整個結構。實施範例單晶矽摺疊梁的長度為200-250 μ m，寬度為5-10 μ m，單晶矽質量塊寬度為200 μ m,長度為500 μ m,單晶矽感溫梁的的細梁為寬度5-10 μ m,長度為200 μ m,粗梁寬度為50 μ m,長度為150 μ m,矽片的厚度為30-50 μ m,。當橫向加速度大於IOOg時，加速度值被鎖存，鎖存的的位置可以由檢測電容5的大小來判定。當給單晶矽感溫梁施加5v直流電壓時，單晶矽感溫梁處於熱變形工作狀態，鎖存器解鎖，從而實現傳感器的重複利用。
權利要求
1.一種微電子加速度傳感器，其特徵在於以玻璃襯底為晶片基板，在玻璃襯底上表面的上方中心，設置一與玻璃襯底上表面存有間距的單晶矽質量塊，單晶矽質量塊上、下表面之間設有間隔、陣列布置的通孔，設置左右兩側對稱的各2條單晶矽摺疊梁，各側的2條單晶矽摺疊梁對稱分列於單晶矽質量塊水平中心線上下兩側，各條單晶矽摺疊梁的一端分別懸浮對應聯接單晶矽質量塊左、右的四個對稱角，各條單晶矽摺疊梁的另一端分別懸浮對應連接左、右各兩個上下對稱於單晶矽質量塊水平中心線的單晶矽錨區；在單晶矽摺疊梁的外側，設置左右對稱的各兩組上下對稱於單晶矽質量塊水平中心線的單晶矽錨區，每組設有3個單晶矽錨區，3個單晶矽錨區中，位於外側的錨區與中間的錨區之間懸浮連接一條單晶矽感溫梁，該感溫梁分為粗細兩段，在粗細兩段連接處折彎，粗段在外側，其端點連接外側的錨區，細段之端點連接中間的錨區，內側的錨區懸浮連接一條水平單晶矽鎖存鉤， 其鉤頭背面與單晶矽感溫梁的折彎點活動鉸支聯接；在單晶矽質量塊左右兩側的中點各懸浮聯接一根朝向相反、水平設置的單晶矽鎖頭杆，其鎖頭部位與鎖存鉤鉤頭匹配；與單晶矽質量塊上各通孔對位的玻璃襯底上表面區域設有金屬薄膜層，單晶矽質量塊的下表面構成電容上極板，玻璃襯底上表面上各區域的金屬薄膜層之間導線連接後構成電容下極板，電容上、下極板均設有引出線；所有的單晶矽錨區均生根於玻璃襯底上表面。
2.根據權利要求1所述的微電子加速度傳感器製備工藝，其特徵在於採用Au—Au低溫鍵合實現單晶矽與玻璃襯底的鍵合併實現電的轉移互連；首先選取矽片，並在其上塗膠， 光刻開出懸浮質量塊，感溫梁和摺疊梁區域的窗口，然後採用ICP或RIE刻蝕矽形成1 一 10 μ m淺槽，去掉光刻膠後再重新氧化矽片，然後濺射金屬並光刻，形成鍵合區域，同時在玻璃襯底上澱積金屬並光刻形成鍵合區域、電容下極板和引線壓焊區域，最後將矽片和玻璃採用Au-Au鍵合，並且採用化學機械拋光使矽片減薄至需要的厚度，再採用光刻和ICP矽刻蝕釋放整個結構。
全文摘要
一種微電子加速度傳感器，在玻璃襯底的上方設置一與玻璃襯底存有間距並開有通孔的單晶矽質量塊，設置四條懸浮摺疊梁，其一端分別聯接懸浮質量塊左、右的四個角，另一端分別連接左、右四個對稱布置的錨區，設置左、右四個對稱布置的懸浮感溫梁，每個感溫梁均為一條粗細不同的折彎梁，首、尾端分別連接各自的錨區，在懸浮質量塊左右兩側的中點各聯接一根朝向相反、水平設置的懸浮鎖頭，在鎖頭的上下兩側各設有一個與之相配的懸浮鎖存鉤，各鎖存鉤與各自的錨區連接，在懸浮質量塊通孔下方對位的玻璃襯底上表面設有金薄膜層，所有的錨區均生根於玻璃襯底上表面。製備工藝採用採用Au—Au低溫鍵合實現單晶矽與玻璃襯底的鍵合併實現電的轉移互連。
文檔編號G01P15/125GK102353811SQ20111019370
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月12日 優先權日2011年7月12日
發明者秦明, 蔡春華 申請人:東南大學