(111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器及制作方法

(111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器及制作方法
【专利摘要】本发明提供一种（111）单硅片集成的三轴微机械加速度传感器及制作方法。三轴加速度传感器采用单硅片单面体硅微机械工艺，通过在（111）单硅片的同一个面上一次成型制作而成。其中X轴和Y轴方向的加速度传感单元采用双悬臂梁结构，Z轴方向的加速度传感单元采用单悬臂梁结构，通过在单硅片基体内部选择性腐蚀来实现不同尺寸悬臂梁敏感结构的一次释放成型。Z轴方向的加速度传感单元敏感方向上的压膜阻尼和过载保护由埋在单晶硅衬底内部的可动间隙来调节，解决了传统多轴传感器多芯片键合所带来的残余应力、抗冲击强度差和制作成本高等问题。具有尺寸小、成本低、工艺兼容性强、适于高g值加速度测量等优点，具有广阔的应用前景。
【专利说明】(111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器及制作方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于硅微机械传感器领域，涉及一种（111)单硅片集成的三轴微机械加速 度传感器及制作方法。

【背景技术】
[0002] 随着MEMS技术迅猛发展，伴随着硅微机械加工技术的日趋成熟，基于硅微机械加 工技术制作的加速度计以其具有体积小、成本低、性能高和适合于大批量生产等优点，现已 广泛应用于不同领域并发挥着重要作用，如：汽车安全气囊、碰撞测试、消费类电子产品、 地震波检测、军用惯性技术导航以及机器人产业及自动化控制等各种运动监控工程。其中， 爆炸、冲击以及侵彻弹引信是其中一种非常特殊的应用，它需要检测的加速度可以达到数 万g水平甚至更高。因此，要求加速度传感器不仅要具有高的灵敏度，更重要的是加速度 传感器自身结构应该具有良好的高强度抗冲击能力，从而保证加速度传感器在能够检测到 所需要的信号前不至于因为高强度冲击而损坏散失工作能力。
[0003] 目前，随着自动化控制程度的进一步深入，许多现代化自动控制领域都要求感知 待检测装置的三轴加速度信号。因此，相对于单轴加速度传感器，三轴加速度传感器具有 更大的应用前景和更巨大的市场潜力。当前，三轴加速度检测主要采用以下两种途径来解 决：（1)利用3个独立单轴加速度传感器安装在互相垂直的3个方向上实现三轴加速度信 号检测；（2)采用单片集成的三轴加速度传感器实现三轴加速度信号检测。对于第一种解 决方案，由于采用3个独立的加速度传感器，因此这种方式不仅存在成本高、体积大等不利 因素，而且传感器在安装过程中不容易保证三轴之间的安装精度。对于第二种方案不仅大 大缩小了加速度传感器芯片尺寸、降低的芯片制作成本，而且安装过程相对要容易很多。
[0004] 但是，传统单片集成的三轴加速度传感器多采用三明治结构（即：玻璃-硅-硅或 硅-硅-硅三层键合结构方式），其中，中间层为加速度传感器的结构层，上、下两层分别为 加速度传感器盖板和支撑基板。这种单片集成的三轴加速度传感器结构不仅整体芯片尺寸 偏大、制作工艺复杂、成本高；而且多层材料键合过程中，键合工艺和不同键合材料之间热 膨胀系数不同所导致的残余应力会严重恶化到加速度传感器的输出稳定性，从而大大降低 传感器的综合检测性能。此外，这种多层键合的加速度传感器结构由于整体芯片体积过大 且多层键合结构进一步恶化的传感器整体结构强度，因此这种采用多层结构方式的加速度 传感器很难用于超高g值（>7万g)加速度检测。


【发明内容】

[0005] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种（111)单硅片集成的 三轴微机械加速度传感器及制作方法，用于解决现有技术中的三轴微机械加速度传感器难 以满足超高g量程（>7万g)检测，以及存在的高成本、大尺寸、低强度和制作工艺复杂的问 题。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种（111)单硅片集成的三轴微机 械加速度传感器，所述（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器包括：（111)单硅片和 均集成于所述（111)单硅片上的X轴、Y轴和Z轴方向的三个相互独立的加速度传感单元， 所述X轴、Y轴和Z轴方向的加速度传感单元集成于所述（111)单娃片的同一表面上；其中， 所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的结构相同，均包括第 一悬臂梁、位于所述第一悬臂梁上的第一压力敏感电阻和位于所述第一悬臂梁两侧的第一 可动间隙；所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的彼此相互 垂直分布，且其敏感方向在所述（111)单硅片的平面方向；所述X轴方向的加速度传感单元 和所述Y轴方向的加速度传感单元内的所述第一压力敏感电阻分别相互连接成检测电路； 所述Z轴方向的加速度传感单元包括第二悬臂梁、位于所述第二悬臂梁上的第二压力敏感 电阻、位于所述（111)单硅片表面的参考电阻和位于所述第二悬臂梁下表面与所述（111) 单硅片之间的第二可动间隙；所述Z轴方向的加速度传感单元的敏感方向为所述（111)单 硅片的垂直方向；所述第二压力敏感电阻与所述参考电阻相互连接成检测电路。
[0007] 优选地，所述第二悬臂梁的长度方向为〈211>晶向，所述第二悬臂梁与所述X轴方 向的加速度传感单元内的所述第一悬臂梁及所述Y轴方向的加速度传感单元内的所述第 一悬臂梁的夹角均为45°。
[0008] 优选地，所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元均包 括两根所述第一悬臂梁，每根所述第一悬臂梁上均设有两个所述第一压力敏感电阻；所述 X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的四个所述第一压力敏感电 阻分别连接成惠斯通全桥检测电路。
[0009] 优选地，所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元内的 两根所述第一悬臂梁均分别一端固支于所述（111)单硅片上，且一根所述第一悬臂梁的固 支端与另一根所述第一悬臂梁固支端的相对端相邻，所述第一压力敏感电阻分别位于所述 第一悬臂梁的固支端。
[0010] 优选地，所述Z轴方向的加速度传感单元包括一根第二悬臂梁、两个第二压力敏 感电阻和两个参考电阻；所述第二压力敏感电阻与所述参考电阻连接成惠斯通半桥检测电 路。
[0011] 优选地，所述第二悬臂梁一端固支于所述（111)单硅片上，所述第二压力敏感电 阻位于所述第二悬臂梁的固支端。
[0012] 本发明还提供一种（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器的制造方法，包 括以下步骤：
[0013] 1)提供一（111)单硅片；采用离子注入的方法在所述（111)单硅片上制作压力敏 感电阻和参考电阻；
[0014] 2)在形成有所述压力敏感电阻和参考电阻的所述（111)单硅片表面制作表面钝 化保护层；
[0015] 3)利用两步硅深度反应离子刻蚀工艺在所述（111)单硅片上间隔的制作多个释 放窗口，所述释放窗口勾勒出所需的第一悬臂梁和第二悬臂梁的轮廓；
[0016] 4)在所述释放窗口内沉积钝化材料作为侧壁钝化保护层；
[0017] 5)利用反应离子刻蚀工艺去除所述释放窗口底部的钝化保护层，然后再利用硅深 度反应离子刻蚀工艺继续向下刻蚀；
[0018] 6)利用湿法刻蚀工艺横向腐蚀所述（111)单硅片，释放所述第一悬臂梁和所述第 二悬臂梁；
[0019] 7)制作引线孔，并形成引线和焊盘。
[0020] 优选地，在步骤2)中，利用LPCVD工艺依次沉积低应力氮化硅和TEOS氧化硅的方 法制作表面钝化保护层。
[0021] 优选地，在步骤3)中，利用两步硅深度反应离子刻蚀工艺在所述（111)单硅片上 间隔的制作多个释放窗口的过程包括以下步骤：
[0022] 31)去除形成于第一悬臂梁和第二悬臂梁区域的表面钝化保护层；
[0023] 32)在所述表面钝化保护层、所述第一悬臂梁和第二悬臂梁区域涂覆光刻胶，在所 述光刻胶上光刻出所述第一悬臂梁区域图形；利用硅深度反应离子刻蚀工艺在所述第一悬 臂梁区域制作具有第一深度的释放窗口；去除所述光刻胶；
[0024] 33)继续利用硅深度反应离子刻蚀工艺将所述第一悬臂梁区域内的所述释放窗口 刻蚀至第二深度，并同时在所述第二悬臂梁区域制作具有第三深度的释放窗口。
[0025] 优选地，在步骤4)中，利用LPCVD工艺依次沉积低应力氮化硅和TEOS氧化硅，或 者直接利用LPCVD工艺沉积低应力氮化硅的方法制作侧壁钝化保护层。
[0026] 如上所述，本发明的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器，具有以下有 益效果：由于本发明的三轴微机械加速度传感器均制作在一块普通的单晶硅片上，因此不 需要复杂的键合工艺和双面光刻对准工艺，从而大大改善了传感器的动态输出特性、缩小 了传感器芯片尺寸、降低了传感器制作成本、简化了传感器制作工艺；同时，所述三轴微机 械加速度传感器的抗冲击强度、可实现超高g加速度信号的检测、工艺兼容性好、适合大批 量生产。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 图1显示为本发明的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器的三维结构示 意图。
[0028] 图2显示为图1沿AA'方向的纵截面三维结构示意图。
[0029] 图3显示为本发明的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器的制造方法的 流程图。
[0030] 图4显示为本发明的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器的制造方法各 步骤的纵截面结构示意图。（a)制作压力敏感电阻和参考电阻；(b)第一次干法刻蚀第一悬 臂梁的深度；（c)第二次干法同时刻蚀第一悬臂梁和第二悬臂梁的深度；（d)悬臂梁侧壁钝 化层保护；（e)剥离释放窗口底部钝化层并刻蚀牺牲间隙；（f)湿法刻蚀释放第一悬臂梁和 第二悬臂梁；（g)制作铝引线互连。
[0031] 元件标号说明
[0032] IX轴方向的加速度传感单元
[0033] 2 Y轴方向的加速度传感单元
[0034] 3 Z轴方向的加速度传感单元
[0035] 4第一悬臂梁
[0036] 5第一压力敏感电阻
[0037] 6第一可动间隙
[0038] 7第二悬臂梁
[0039] 8第二压力敏感电阻
[0040] 9参考电阻
[0041] 10第二可动间隙
[0042] 11 焊盘
[0043] 12 引线

【具体实施方式】
[0044] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0045] 请参阅图请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意 方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时 的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改 变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0046] 实施例一
[0047] 请参阅图1，本发明提供一种（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器，所 述（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器至少包括：（111)单硅片和均集成于所述 (111)单硅片上的三个相互独立的X轴方向的加速度传感单元1、Y轴方向的加速度传感单 元2和Z轴方向的加速度传感单元3 ;所述X轴方向的加速度传感单元1、Y轴方向的加速 度传感单元2和Z轴方向的加速度传感单元3集成于所述（111)单娃片的同一表面上；其 中，所述X轴方向的加速度传感单元1和所述Y轴方向的加速度传感单元2的结构相同，均 包括第一悬臂梁4和位于所述第一悬臂梁4上的第一压力敏感电阻5 ;所述X轴方向的加 速度传感单元1和所述Y轴方向的加速度传感单元2的彼此相互垂直分布，且其敏感方向 在所述（111)单硅片的平面方向；所述X轴方向的加速度传感单元1和所述Y轴方向的加 速度传感单元2内的所述第一压力敏感电阻5分别相互连接成检测电路；所述Z轴方向的 加速度传感单元3包括第二悬臂梁7、位于所述第二悬臂梁7上的第二压力敏感电阻8和位 于所述（111)单硅片表面的参考电阻9 ;所述Z轴方向的加速度传感单元3的敏感方向为 所述（111)单硅片的垂直方向；所述第二压力敏感电阻8与所述参考电阻9相互连接成检 测电路。
[0048] 具体的，所述X轴方向的加速度传感单元1、Y轴方向的加速度传感单元2和Z轴 方向的加速度传感单元3采用单硅片单面体硅微机械加工技术一体化集成于所述单硅片 的同一表面上。
[0049] 具体的，所述X轴方向的加速度传感单元1和所述Y轴方向的加速度传感单元2均 包括两根所述第一悬臂梁4,每根所述第一悬臂梁4上均设有两个所述第一压力敏感电阻 5 ;所述X轴方向的加速度传感单元1和所述Y轴方向的加速度传感单元2的四个所述第一 压力敏感电阻5分别通过引线12连接至焊垫11形成惠斯通全桥检测电路。所述X轴方向 的加速度传感单元1和所述Y轴方向的加速度传感单元2内的两根所述第一悬臂梁4均分 别一端固支于所述（111)单硅片上，且一根所述第一悬臂梁4的固支端与另一根所述第一 悬臂梁4固支端的相对端相邻，所述第一压力敏感电阻5分别位于所述第一悬臂梁4的固 支端，即所述第一压力敏感电阻5位于所述第一悬臂梁4的根部。
[0050] 具体的，所述Z轴方向的加速度传感单元3包括一根第二悬臂梁7、两个第二压力 敏感电阻8和两个参考电阻9 ;所述第二压力敏感电阻8与所述参考电阻9连接成惠斯通 半桥检测电路。所述第二悬臂梁7 -端固支于所述（111)单硅片上，所述第二压力敏感电 阻8位于所述第二悬臂梁7,的固支端，即所述第二压力敏感电阻8位于所述第二悬臂梁7 的根部；所述参考电阻9位于靠近所述第二悬臂梁7固支端的所述（111)单硅片表面。
[0051] 悬臂梁在其敏感方向受力时，其固支端即根部处所受应力最大，又（111)单硅片 的压阻系数与晶向等因素无关，只与压力敏感电阻所受应力相关，将所述第一压力敏感电 阻5设置于所述第一悬臂梁4的根部，所述第二压力敏感电阻8设置于所述第二悬臂梁7 的根部，可以提高检测的灵敏度，大大提高检测结果的准确性。
[0052] 具体的，所述第二悬臂梁7的长度方向为〈211>晶向，所述第二悬臂梁7的释放成 型方向为〈11〇>晶向，即所述第二悬臂梁7的宽度方向为〈110>晶向；且所述第二悬臂梁7 与所述X轴方向的加速度传感单元1内的所述第一悬臂梁4及所述Y轴方向的加速度传感 单元2内的所述第一悬臂梁4的夹角均为45°。由于在（111)单硅片中，〈110>晶向是湿 法腐蚀最快的晶向，这将可以弥补由于所述第二悬臂梁7的宽度远远大于所述第一悬臂梁 4的宽度而导致的腐蚀时间过长的不足。上述结构设计及其晶向排布结合（111)晶面腐蚀 特性，确保了X轴、Y轴和Z轴加速度传感器敏感悬臂梁完全释放成型后整体传感器芯片尺 寸最小。
[0053] 请参阅图2,所述X轴方向的加速度传感单元1和所述Y轴方向的加速度传感单元 2还包括第一可动间隙6,所述第一可动间隙6分别位于所述第一悬臂梁4沿所述X轴方向 的加速度传感单元1和所述Y轴方向的加速度传感单元2敏感方向的两侧，为所示第一悬 臂梁4在其敏感方向上受力发生形变时提供空间。
[0054] 具体的，所述Z轴方向的加速度传感单元3还包括第二可动间隙10,所述第二可动 间隙10位于所述第二悬臂梁7下表面与所述（111)单硅片之间，即所述第二可动间隙10 直接埋在所述单硅片基体内部。所述第二可动间隙10的大小可以通过干法刻蚀工艺精确 控制，因此可以很好的控制所述Z轴方向的加速度传感单元3检测方向上的压膜阻尼，同时 提供抗过载保护。所述压膜阻尼ζ表达式如下所示：
[0055]

【权利要求】
1. 一种（111)单娃片集成的三轴微机械加速度传感器，其特征在于，所述（111)单娃 片集成的三轴微机械加速度传感器包括：（111)单硅片和均集成于所述（111)单硅片上的 X轴、Y轴和Z轴方向的三个相互独立的加速度传感单元，所述X轴、Y轴和Z轴方向的加速 度传感单元集成于所述（111)单娃片的同一表面上；其中， 所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的结构相同，均包 括第一悬臂梁、位于所述第一悬臂梁上的第一压力敏感电阻和位于所述第一悬臂梁两侧的 第一可动间隙；所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的彼此 相互垂直分布，且其敏感方向在所述（111)单硅片的平面方向；所述X轴方向的加速度传感 单元和所述Y轴方向的加速度传感单元内的所述第一压力敏感电阻分别相互连接成检测 电路； 所述Z轴方向的加速度传感单元包括第二悬臂梁、位于所述第二悬臂梁上的第二压 力敏感电阻、位于所述（111)单硅片表面的参考电阻和位于所述第二悬臂梁下表面与所 述（111)单硅片之间的第二可动间隙；所述Z轴方向的加速度传感单元的敏感方向为所述 (111)单硅片的垂直方向；所述第二压力敏感电阻与所述参考电阻相互连接成检测电路。
2. 根据权利要求1所述的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器，其特征在于： 所述第二悬臂梁的长度方向为〈211>晶向，所述第二悬臂梁与所述X轴方向的加速度传感 单元内的所述第一悬臂梁及所述Y轴方向的加速度传感单元内的所述第一悬臂梁的夹角 均为45°。
3. 根据权利要求1或2所述的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器，其特征 在于：所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元均包括两根所述 第一悬臂梁，每根所述第一悬臂梁上均设有两个所述第一压力敏感电阻；所述X轴方向的 加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元的四个所述第一压力敏感电阻分别连 接成惠斯通全桥检测电路。
4. 根据权利要求3所述的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器，其特征在于： 所述X轴方向的加速度传感单元和所述Y轴方向的加速度传感单元内的两根所述第一悬臂 梁均分别一端固支于所述（111)单硅片上，且一根所述第一悬臂梁的固支端与另一根所述 第一悬臂梁固支端的相对端相邻，所述第一压力敏感电阻分别位于所述第一悬臂梁的固支 端。
5. 根据权利要求1或2所述的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器，其特征 在于：所述Z轴方向的加速度传感单元包括一根第二悬臂梁、两个第二压力敏感电阻和两 个参考电阻；所述第二压力敏感电阻与所述参考电阻连接成惠斯通半桥检测电路。
6. 根据权利要求5所述的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器，其特征在于： 所述第二悬臂梁一端固支于所述（111)单硅片上，所述第二压力敏感电阻位于所述第二悬 臂梁的固支端。
7. -种（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器的制造方法，其特征在于：包括 以下步骤： 1) 提供一（111)单硅片；采用离子注入的方法在所述（111)单硅片上制作压力敏感电 阻和参考电阻； 2) 在形成有所述压力敏感电阻和参考电阻的所述（111)单硅片表面制作表面钝化保 护层； 3) 利用两步硅深度反应离子刻蚀工艺在所述（111)单硅片上间隔的制作多个释放窗 口，所述释放窗口勾勒出所需的第一悬臂梁和第二悬臂梁的轮廓； 4) 在所述释放窗口内沉积钝化材料作为侧壁钝化保护层； 5) 利用反应离子刻蚀工艺去除所述释放窗口底部的钝化保护层，然后再利用硅深度反 应离子刻蚀工艺继续向下刻蚀； 6) 利用湿法刻蚀工艺横向腐蚀所述（111)单硅片，释放所述第一悬臂梁和所述第二悬 臂梁； 7) 制作引线孔，并形成引线和焊盘。
8. 根据权利要求7所述的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器的制造方法， 其特征在于：在步骤2)中，利用LPCVD工艺依次沉积低应力氮化硅和TEOS氧化硅的方法制 作表面钝化保护层。
9. 根据权利要求7所述的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器的制造方法， 其特征在于：在步骤3)中，利用两步硅深度反应离子刻蚀工艺在所述（111)单硅片上间隔 的制作多个释放窗口的过程包括以下步骤： 31) 去除形成于第一悬臂梁和第二悬臂梁区域的表面钝化保护层； 32) 在所述表面钝化保护层、所述第一悬臂梁和第二悬臂梁区域涂覆光刻胶，在所述光 刻胶上光刻出所述第一悬臂梁区域图形；利用硅深度反应离子刻蚀工艺在所述第一悬臂梁 区域制作具有第一深度的释放窗口；去除所述光刻胶； 33) 继续利用硅深度反应离子刻蚀工艺将所述第一悬臂梁区域内的所述释放窗口刻蚀 至第二深度，并同时在所述第二悬臂梁区域制作具有第三深度的释放窗口。
10. 根据权利要求7所述的（111)单硅片集成的三轴微机械加速度传感器的制造方法， 其特征在于：在步骤4)中，利用LPCVD工艺依次沉积低应力氮化硅和TEOS氧化硅，或者直 接利用LPCVD工艺沉积低应力氮化硅的方法制作侧壁钝化保护层。
【文档编号】B81C1/00GK104483511SQ201410637531
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】李昕欣, 王家畴, 邹宏硕 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所