三維集成微機械加速度傳感器及製作方法

2023-05-17 19:19:21

專利名稱：三維集成微機械加速度傳感器及製作方法
技術領域：
本發明涉及一種三維集成的高量程微機械加速度傳感器及其製作方法，屬於矽微機械傳感器技術領域。
背景技術：
隨著微機械系統(MEMS)傳感器技術的發展，各種MEMS傳感器倍受人們的關注，其中微機械加速度傳感器已被廣泛應用於不同領域，如汽車氣囊，機器人產業及自動化控制等方面。然而，在進行各種運動的監控過程中，一維加速度傳感器已不能很好的滿足監控要求，因而三維加速度傳感器便成為MEMS加速度傳感器發展的一個重要方向。
近幾年中，不斷有單片集成三維加速度傳感器研製的報導。普遍的三維加速度傳感器是由單一敏感元件構成，其敏感元件是一個帶多個梁的敏感質量塊所構成的質量塊一彈簧系統，這種類型的加速度傳感器是利用在同一系統中三個方向上同時存在的最小扭轉模態對X，Y和Z軸方向的加速度同時進行響應，然而它存在較高的旁軸靈敏度，導致三個方向有較大的耦合幹擾，信號的輸出易出現幹擾。於是，本發明人提出了將三個相互獨立的壓阻式加速度傳感元件集成在同一晶片上構成三維加速度傳感器的設想，使這種結構在同時檢測X、Y和Z軸方向上的加速度時，不會出現相互串擾的情況，加速度的信息檢測相對準確，可靠性相對較高。其中壓阻式傳感元件在製作工藝和信號檢測電路方面相比電容式的加速度傳感元件又有較大的優越性，同時這兩種不同類型的傳感元件的工藝更容易整合，達成一致。

發明內容
本發明的目的在於克服現有三維加速度傳感器存在的缺點，提供一種三維集成微機械加速度傳感器及製作方法。在本發明中發明人提出將現有的兩種類型不同的一維壓阻式高衝擊加速度傳感元件集成成為一種三維擊加速度傳感器件以及相應的製作工藝。獲得一種三個軸向的靈敏度和頻帶都相當的一種三維加速度傳感器，其三個方向的敏感元件幾乎沒有相互竄擾情況，而且可以根據需要，設計出不同量程需求的三維加速度傳感器件。
以下先分別對三維加速度傳感器件中所整合的現有的兩類高衝擊加速度傳感元件的結構特點進行說明。
1、在X、Y軸方向高衝擊加速度傳感元件的基本結構設計的特徵X、Y軸方向高衝擊加速度傳感元件基本結構是由懸臂梁5、抗高過載衝擊曲面6、敏感電阻7和矽框架8構成。抗高過載衝擊曲面位於懸臂梁的上、下兩個側面；X、Y軸方向高衝擊加速度元件是分別由兩個相同的上述基本結構構成。在受到加速度時，基本結構中的懸臂梁上的兩個電阻分別增大和減小，為了便於構成惠斯通全橋，採用了「幾」字形電阻設計，即兩個電阻串聯。工作的基本原理其敏感方向在矽平面內，當受到衝擊加速度時，懸臂梁橫向彎曲，通過壓阻效應，敏感電阻電阻率發生變化，經惠斯通電橋輸出變化信號，以確定相應的加速度值。這種結構的敏感方向為矽平面內，其採用了雙曲面過載保護結構，使敏感結構在大衝擊過載的情況中受到很好的保護，以滿足在高衝擊環境下的使用；並且雙曲面也使加速度元件的壓膜阻尼得以改善，有效得抑制了自由振動模態，提高了測量精度；另一方面，設計的敏感結構懸臂梁，其長厚之比約為35∶1並且寬厚之比約為3∶1，使其在獲得高靈敏度的同時，具有較寬的頻帶，並有效抑制垂直於敏感方向的振動效應。
2、在Z軸方向高衝擊加速度傳感元件結構設計的特徵Z軸方向高衝擊加速度傳感元件結構是由敏感薄板1、質量塊2、敏感電阻3和外框架4構成。這種結構的敏感方向垂直於矽平面，其採用了雙端固支的雙質量塊結構，結構對稱，同時敏感薄板的寬度與質量塊的寬度基本相同。工作的基本原理當受到衝擊加速度時，質量塊相對運動導致敏感薄板發生變形，從而引起敏感薄板上的壓敏電阻電阻率發生變化，經惠斯通電橋輸出變化信號，以確定相應的加速度值。這種結構使得敏感薄板具有較大的剛度係數，當受到高衝擊時，敏感薄板上的應力小於矽斷裂應力，保證敏感結構不會斷裂失效；另一方面，對稱結構較好得控制了橫向效應，即控制了非敏感方向的振動效應；並且有較大剛度係數的敏感薄板，使得Z軸方向高衝擊加速度傳感元件有較高的固有頻率。
綜上所述，不難看到兩類加速度傳感元件在性能方面存在許多的一致，因此本申請的發明人通過適當的設計整合就能很容易地使二者相互兼容集成為三維加速度傳感器；並且通過工藝整合，達成二者的工藝相互兼容，利用矽微機械加工技術常規工藝就完成三維器件的製作。
在三維集成加速度傳感器件的工藝製作中，關鍵是要獲得一種對兩種不同類型的加速度傳感元件都兼容的製作工藝。首先，X、Y軸方向的傳感元件和Z軸方向的傳感元件的敏感結構製作均需對矽片垂直方向進行減薄，根據三維器件的整體設計，二者在減薄厚度上取得一致，即在垂直於矽片方向上的減薄工藝步驟中取得兼容，可共同進行，互不幹擾；其次，在Z軸方向的傳感元件結構中的質量塊與下蓋板之間需要形成適當的阻尼間距，而X、Y軸方向的傳感元件無此要求，為了達成工藝的兼容，其方法是在對矽片垂直方向進行減薄前，增加一塊光刻版，此版減薄面積大於在矽片垂直方向進行減薄的面積，即此版是形成一個預減薄槽，而垂直矽片方向的減薄在此槽內進行。形成預減薄槽的同時，Z軸方向的傳感元件結構中的質量塊與下蓋板之間形成的阻尼間隙，這樣並不會對X和Y方向的傳感元件結構在Z軸方向的尺寸上造成影響，使得兩者在此步工藝達成兼容；第三，Z軸方向的傳感元件需要下蓋板形成阻尼間隙，在此採用矽玻璃鍵合工藝，進行原片鍵合，這不僅滿足Z軸方向的傳感元件需要，並且也使得X、Y軸方向傳感元件的背面得到保護。其餘的製作工藝部分如電阻、引線以及採用深反應離子刻蝕(DRIE)釋放敏感結構在兩種傳感元件中均是相同的兼容工藝，可以同時進行。在採用深反應離子刻蝕工藝完成釋放X、Y軸方向敏感結構的同時，加工出與懸臂梁相應的過載保護曲面結構。
本發明的基本製作過程如下1、採用各向異性腐蝕溶液在雙面拋光的N型(100)矽片背面腐蝕形成預減薄槽，同時也腐蝕形成Z軸方向的傳感元件結構要求的與蓋板之間的阻尼間距。
2、採用各向異性腐蝕溶液在預減薄槽中進行矽片垂直方向的整體減薄，達到製作兩類傳感元件敏感結構在矽片垂直方上的尺寸值，同時腐蝕形成Z軸方向傳感元件的質量塊。
3、採用離子注入硼離子或擴散硼源的方法，製作敏感電阻，其方塊電阻值在80~90歐姆範圍內。
4、製作歐姆接觸區和引線孔。
5、在矽片上表面澱積鋁薄膜，並形成引線和焊盤。
6、進行矽玻璃的陽極鍵合，形成三維器件的下蓋板。達到Z軸方向的傳感元件結構所需的阻尼，同時對器件也起到了保護。
7、採用深反應離子刻蝕工藝同時釋放X、Y和Z軸方向的敏感結構。
由此可見，本發明提供的三維集成微機械加速度傳感器，是利用兩種不同類型的加速度傳感元件設計而成的，具體的說它是由三個相互獨立的加速度傳感元件集成一體構成的。X、Y軸方向的加速度傳感元件的結構相同，其敏感方向為矽平面方向，兩個相同結構的傳感元件相互垂直排布；Z軸方向的加速度傳感元件為另一種結構，其敏感方向為矽片的垂直方向，平行排布與X、Y軸方向的加速度傳感元件的一側。具體三維加速度傳感器結構的排布如圖3所示。在工藝製作方面，器件採用矽玻璃鍵合工藝形成器件的下蓋板，在形成Z軸方向加速度傳感元件所需的阻尼間隙的同時，也對X、Y軸方向的加速度傳感元件起到保護作用；採用將垂直於矽片方向的減薄圖形作在預減薄槽內的方法，解決了兩種類型器件在工藝上存在差異的問題。這種方法是首先製作預減薄槽，同時形成Z軸方向加速度傳感元件與蓋板之間的間隙，整個器件垂直於矽片減薄的區域作在預減薄槽中，採用各向異性腐蝕溶液腐蝕減薄達到敏感結構尺寸的要求，與此同時作出Z軸方向加速度傳感元件的質量塊。
綜上所述，不難看出，本發明所利用了兩種不同類型的加速度傳感元件自身的種種優點，其為集成整合為三維加速度傳感器在設計上提供了很好的基礎，通過適當的設計調整，可獲得一個在三軸方向有相對一致的靈敏度和頻帶的三維加速度傳感器，這對三維加速度傳感器件的性能是很重要的一點；另一方面，由於三維器件是由三個相互獨立的加速度元件集成為一體的，所以三個方向的信號不會相互幹擾，每個方向的加速度信號都能準確地輸出提取。並且通過對敏感結構的關鍵尺寸進行適當的設計修改，就可以獲得1～10萬的不同量程的三維高衝擊加速度傳感器。在三維加速度傳感器的工藝製作上來看，三個方向的加速度傳感元件在工藝上都能很好的相互兼容，並且製作工藝都是微機械加工的常規工藝，所以器件的最終實現也很容易，製作成本也不高，也很容易實現大規模的生產。


圖1兩種不同結構的一維加速度傳感元件示意圖(a)敏感方向是Z軸的一維加速度傳元件(b)敏感方向是X或Y軸的一維傳感元件圖2兩種不同結構的一維加速度傳感元件結構尺寸示意圖(a)敏感方向是Z軸的一維加速度傳元件結構尺寸示意圖(b)敏感方向是X、Y軸的一維加速度傳元件結構尺寸示意3三維集成加速度傳感器俯視圖示意圖(a)X、Y軸的一維加速度傳元件(b)Z軸的一維加速度傳元件圖4110條凸角補償圖形示意中1-敏感薄板 5-懸臂梁2-質量塊 6-過載保護曲面3-條形電阻 7-「幾」字形電阻4-矽框架 8-矽框h-懸臂梁厚度 a1-敏感薄板長度L-懸臂梁長度 h1-敏感薄板厚度h2-質量塊厚度a2-單個質量塊和單個敏感薄板總長度具體實施方式
下面通過具體實施例進一步說明本發明的實質性特點和顯著的進步，但本發明決非僅限於所述的實施例。
量程為5萬g的三維集成高衝擊加速度傳感器的設計和製作工藝1、在X和Y軸方向加速度傳感元件的結構尺寸懸臂梁長度為515μm，厚度為16μm，寬度為50μm；2、在Z軸方加速度傳感元件的結構尺寸薄板的厚度為50μm，長度為50μm，質量塊的厚度為370μm，質量塊和薄板的總長度為670μm，整個結構的寬度為1400μm。
整個三維加集成高衝擊加速度傳感器的尺寸為長4100μm，寬3500μm，厚920μm。在此製作工藝中採用的是質量濃度百分比為40％，溫度為50℃的氫氧化鉀(KOH)腐蝕溶液，同時形成懸臂梁的寬度、薄板的厚度及質量塊，因此必須考慮KOH腐蝕溶液腐蝕的凸角問題，我們採用了文獻(″Etching frontcontrol of110strips for corner compensation″M.H.Bao，C.Burrer，J.Bausells，J.Esteve，S.Marco.Sensors and Actuators A，37-38，727-732，(1993).)中的凸角補償技術，在被補凸角一側採用文中的多分支110條形狀進行腐蝕補償，有效補償條的長度公式為Leff＝2.7Hc＝L1+L2+L3+5.37B，Hc為腐蝕深度；B為110補償條的寬度。如圖4所示。因此此工藝對整個矽片的厚度也有所要求，根據需要在此選用420μm厚度的矽片來設計具體凸角補償條的有效長度。
具體工藝實施步驟如下1、起始矽片，N型(100)雙拋矽片，厚度420μm。
2、氧化光刻後，採用質量濃度百分比為40％，溫度為50℃KOH腐蝕溶液腐蝕矽片背面，形成2.4μm的預減薄槽，2.4μm正是Z軸方向敏感元件結構質量塊區域與蓋板之間的阻尼間距。
3、再次氧化，並在預減薄槽內做出所需圖形，採用濃度百分比為40％，溫度為50℃KOH腐蝕溶液腐蝕矽片背面，在預減薄槽內，將三個方向的加速度敏感元件的結構部分減薄至50μm，並做出Z軸方向敏感元件的質量塊。
4、採用硼離子注入的方法，在矽片正面注入硼離子形成具有壓阻效應的敏感電阻，電阻大小為2.5~3kΩ。
5、在歐姆接觸區刻蝕出引線孔。
6、在矽片正面濺射6500埃厚度的鋁薄膜，並形成引線和焊盤。
7、採用鍵合機在矽背面進行矽玻璃的陽極鍵合，鍵合的溫度為380℃，首先加-600V電壓3分鐘，再加-1200V電壓8鍾，冷卻到室溫取出。
8、採用深反應離子刻蝕(DRIE)工藝同時釋放X、Y和Z軸方向的敏感結構。說明發明中提及的敏感結構的厚度和寬度分別是，與運動方向一致的尺寸為結構的厚度，與運動方向垂直的為結構的寬度。
權利要求
1.一種三維集成的高量程加速度傳感器，其特徵在於所述的三維加速度傳感器是由三個相互獨立的加速度傳感元件集成一體構成的；X、Y軸方向的加速度傳感元件的結構相同，其敏感方向在矽平面方向，兩個相同結構的傳感元件相互垂直排布；Z軸方向的加速度傳感元件為另一種結構，其敏感方向為矽片的垂直方向，平行排布於X、Y軸方向的加速度傳感元件的一側；其中X、Y軸方向的加速度傳感元件是由懸臂梁、抗高過載衝擊曲面、敏感電阻和矽框架構成，抗衝擊高過載衝擊曲面位於懸臂梁的上、下兩個側面；Z軸方向的加速度傳感元件是由敏感薄板、質量塊、敏感電阻和外框架構成，採用雙端固支的雙質量塊結構。
2.按權利要求1所述的三維集成的高量程加速度傳感器，其特徵在於所述的X、Y軸方向的加速度傳感元件，敏感電阻採用了兩個電阻串聯的「幾」字設計，構成惠斯通全橋。
3.按權利要求1所述的三維集成的高量程加速度傳感器，其特徵在於所述的X、Y軸方向的加速度傳感元件的懸臂梁長厚之比為35∶1，寬厚之比為3∶1。
4.按權利要求1所述的三維集成的高量程加速度傳感器，其特徵在於Z軸方向加速度傳感元件中的雙端固支的雙質量塊結構對稱，且敏感薄板的寬度與質量塊的寬度相同。
5.製作如權利要求1所述的三維集成的高量程加速度傳感器的方法，其特徵在於(a)採用各向異性腐蝕溶液在雙面拋光的N型(100)矽片背面腐蝕形成預減薄槽，同時也腐蝕形成Z軸方向的傳感元件結構要求的與蓋板之間的阻尼間距；(b)採用各向異性腐蝕溶液在預減薄槽中進行矽片垂直方向的整體減薄，達到製作兩類傳感元件敏感結構在矽片垂直方上的尺寸值，同時腐蝕形成Z軸方向傳感元件的質量塊；(c)採用離子注入硼離子或擴散硼源的方法，製作敏感電阻，其方塊電阻值在80～90歐姆範圍內；(d)製作歐姆接觸區和引線孔；(e)在矽片上表面澱積鋁薄膜，並形成引線和焊盤；(f)進行矽玻璃的陽極鍵合，形成三維器件的下蓋板；達到Z軸方向的傳感元件結構所需的阻尼，同時對器件也起到了保護；(g)採用深反應離子刻蝕工藝同時釋放X、Y和Z軸方向的敏感結構。
6.按權利要求要求5所述的三維集成的高量程加速度傳感器的製作方法，其特徵在於在採用各向異性腐蝕溶液進行矽片的整體減薄採用了凸角補償技術，在被補凸角一側採用多分支110條形狀進行腐蝕補償。
7.按權利要求5所述的三維集成的高量程加速度傳感器的方法，其特徵在於在對矽片垂直方向進行減薄前，增加一塊光刻版，光刻版減薄的面積大於在矽片垂直方向進行減薄的面積，形成一個預減薄槽，二垂直矽片方向的減薄在此槽內進行；形成預減薄槽的同時，Z軸方向的傳感元件結構中的質量塊於下蓋板之間形成的阻尼間隙，使得兩者工藝上達成兼容。
全文摘要
本發明涉及一種三維集成的高量程加速度傳感器。其特徵在於所述的三維加速度傳感器是由三個相互獨立的加速度傳感元件集成一體構成的；X、Y軸方向的加速度傳感元件的結構相同，其敏感方向在矽平面方向，兩個相同結構的傳感元件相互垂直排布；Z軸方向的加速度傳感元件為另一種結構，其敏感方向為矽片的垂直方向，平行排布於X、Y軸方向的加速度傳感元件的一側；是採用MEMS常規工藝製作，且考慮了兩種不同傳感元件的工藝兼容問題，使製作的傳感器三個方向的敏感元件沒有竄擾現象，且可依要求設計出1－10萬g的不同量程的三維高衝擊加速度傳感器。
文檔編號G01P15/12GK1821787SQ20051011136
公開日2006年8月23日 申請日期2005年12月9日 優先權日2005年12月9日
發明者李昕欣, 張鯤, 王躍林 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所