微重力加速度級電容式加速度傳感器的製作方法

2023-05-31 04:06:41

專利名稱：微重力加速度級電容式加速度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於微電子機械系統(MEMS)技術領域，尤其涉及一種微重力加速度(μg)級電容式加速度傳感器。
背景技術：
完全採用表面加工的電容式加速度傳感器的解析度大約為幾百個微重力加速度(μg)，為了集成解析度達到微重力加速度(μg)級的高解析度電容式加速度傳感器一般需要採用體矽加工技術。1997年，Yazdi等人利用體矽加工技術集成了解析度可達到微重力加速度(μg)級的電容式加速度傳感器，，這種方法上下兩個多晶矽固定電極需設計成「T」形，中間整個質量塊充當可動電極，需進行多次雙面光刻，此外還需雙面引線，加工工藝複雜，傳感器不易與接口電路集成在同一矽片上。1999年，Yazdi等人改進了這一結構(N.Yazdi，et.al，「A highsensitivity capacitive microaccelerometer with a folded-electrode structure」Int.Micro Electro Mechanical Systems Conf.，pp.600-605，Jan 1999，Twelfth)，但由於無法在不改變敏感電容大小的前提下，減小質量塊的質量，多晶矽固定電極仍需設計成「T」型，加工難度高，成品率低。

發明內容
本發明提供一種有利於提高測量精度和測量範圍且易於加工的微重力加速度級電容式加速度傳感器，本發明可採用表面加工和部分體加工後處理工藝製作。
本發明採用如下技術方案一種用於微電子機械的微重力加速度級電容式加速度傳感器，由支撐邊緣1，由電容動極板及電容定極板2構成的電容器和質量塊3組成，在支撐邊緣1和電容器上均設在錨區4和5，設在支撐邊緣1上的錨區4通過懸臂梁6與設在電容器上的錨區5相連，其特徵在於電容器動極板由濃硼重摻雜可動下電極7和多晶矽可動上電極8組成，在濃硼重摻雜可動下電極7和多晶矽可動上電極8之間設有可動極板錨區9，電容定極板2固定與支撐邊緣1上並位於濃硼重摻雜可動下電極7和多晶矽可動上電極8之間，質量塊3為多晶矽質量塊並設在濃硼重摻雜可動電極7上。
與現有技術相比，本發明具有如下技術效果①本發明減小質量塊的質量，但不改變敏感電容的大小，採用簡單的加工工藝，多晶矽固定電極剛度就能滿足傳感器閉環控制的需要；可在三層電極上都刻蝕出阻尼孔，減小阻尼，從而減小傳感器的噪聲；傳感器結構可以與測量電路集成在同一矽片上，實現單片集成，能大大提高測量精度與測量範圍。而發明採用了多晶矽-多晶矽-濃硼重摻雜自停止層的電極結構，使其可以採用表面加工和部分簡單的體加工工藝來實現，從而降低了加工難度。
②本發明在電容極板開設了阻尼孔，這些阻尼孔可降低電極板運動時的空氣阻尼，從而對解析度的提高更為有利。
③摺疊梁的採用，使本發明具有受殘餘應力影響小的優點。部分摺疊梁與多晶矽可動上電極相連，部分摺疊梁與濃硼重摻雜下電極板相連，可使本發明具有電極引出簡單方便的優點。
四

圖1是本發明結構的三維簡視圖。
圖2是圖1中質量塊的三維視圖。
圖3是本發明結構的側視圖。
圖4是本發明結構的頂視圖。
圖5是本發明結構的簡要工藝流程圖。
五、具體實施方案一種用於微電子機械的微重力加速度級電容式加速度傳感器，由支撐邊緣1，由電容動極板及電容定極板2構成的電容器和質量塊3組成，在支撐邊緣1和電容器上均設在錨區4和5，設在支撐邊緣1上的錨區4通過懸臂梁6與設在電容器上的錨區5相連，其特徵在於電容器動極板由濃硼重摻雜可動下電極7和多晶矽可動上電極8組成，在濃硼重摻雜可動下電極7和多晶矽可動上電極8之間設有可動極板錨區9，電容定極板2固定與支撐邊緣1上並位於濃硼重摻雜可動下電極7和多晶矽可動上電極8之間，質量塊3為多晶矽質量塊並設在濃硼重摻雜可動電極7上，在濃硼重摻雜可動下電極7和多晶矽可動上電極8上分別設有孔10和11，懸臂梁6為摺疊梁且至少有一條懸臂梁與多晶矽可動上電極8電連接，其餘懸臂梁通過錨區5與濃硼重摻雜可動下電極7電連接。
下面結合圖5，給出了本發明結構的簡要加工工藝步驟，首先將要加工為高分率電容式加速度傳感器質量塊的矽片表面區域濃硼擴散重摻雜約為4.5微米作為背面各向異性腐蝕的自停止層，自停止層的阻尼孔區域不進行濃硼重摻雜(圖5a、b、c)；將矽襯底背面刻蝕深度1微米用於傳感器的過載保護(圖5d)；然後集成傳感器的其它結構(圖5e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o)；再用EPW對矽片進行背面各向異性腐蝕，得到質量適當減小的質量塊(圖5p)；此外，流程圖中f、g之間及l、n之間有在犧牲層PSG上刻凹槽的工序，以防止犧牲層釋放時結構發生粘附現象；POLY1和POLY2刻蝕時同時刻出阻尼孔；p、q之間還有金屬引線孔刻蝕，蒸鋁，反刻鋁形成金屬壓焊塊(引線)等工藝步驟；最後利用光刻膠作掩膜釋放犧牲層。
權利要求
1.一種用於微電子機械的微重力加速度級電容式加速度傳感器，由支撐邊緣(1)，由電容動極板及電容定極板(2)構成的電容器和質量塊(3)組成，在支撐邊緣(1)和電容器上均設有錨區(4和5)，設在支撐邊緣(1)上的錨區(4)通過懸臂梁(6)與設在電容器上的錨區(5)相連，其特徵在於電容器動極板由濃硼重摻雜可動下電極(7)和多晶矽可動上電極(8)組成，在濃硼重摻雜可動下電極(7)和多晶矽可動上電極(8)之間設有可動極板的錨區(9)，電容定極板(2)固定於支撐邊緣(1)上並位於濃硼重摻雜可動下電極(7)和多晶矽可動上電極(8)之間，質量塊(3)為多晶矽質量塊並設在濃硼重摻雜可動電極(7)上。
2.根據權利要求1所述的微重力加速度級電容式加速度傳感器，其特徵在於在濃硼重摻雜可動下電極(7)和多晶矽可動上電極(8)上分別設有阻尼孔(10和11)。
3.根據權利要求1或2所述的微重力加速度級電容式加速度傳感器，其特徵在於懸臂梁(6)為摺疊梁且由部分摺疊梁與多晶矽可動上電極(8)相連，部分摺疊梁與濃硼重摻雜可動下電極(7)相連。
4.根據權利要求1所述的微重力加速度級電容式加速度傳感器，其特徵在於至少有一條懸臂梁與多晶矽可動上電極(8)電連接，其餘懸臂梁通過錨區(5)與濃硼重摻雜可動下電極(7)電連接。
全文摘要
本發明公開了一種用於微電子機械的微重力加速度級電容式加速度傳感器，由支撐邊緣，由電容動極板及電容定極板構成的電容器和質量塊組成，在支撐邊緣和電容器上均設在錨區，設在支撐邊緣上的錨區通過懸臂梁與設在電容器上的錨區相連，電容器動極板由濃硼重摻雜可動下電極和多晶矽可動上電極組成，在濃硼重摻雜可動下電極和多晶矽可動上電極之間設有可動極板錨區，電容定極板固定與支撐邊緣上並位於濃硼重摻雜可動下電極和多晶矽可動上電極之間，質量塊為多晶矽質量塊並設在濃硼重摻雜可動電極上。本發明減小質量塊的質量，但不改變敏感電容的大小，採用簡單的加工工藝，多晶矽固定電極剛度就能滿足傳感器閉環控制的需要。
文檔編號G01P15/125GK1529172SQ20031010600
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月8日 優先權日2003年10月8日
發明者周再發, 黃慶安, 茅盤松 申請人:東南大學