压阻式高固有频率mems加速度敏感芯片及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片，该芯片主要包括硅基框架，主梁，微梁，质量块，其中质量块通过主梁和微梁与硅基框架相连；质量块一端设置有微梁，微梁上设有应变电阻，质量块另一端设置有对称的两个主梁，主梁一端与质量块相连，另一端与硅基框架相连，应变电阻通过金属导线连接成惠斯通电桥。主梁的劲度系数远大于微梁的劲度系数（通常大几十到上千倍），应变电阻为多晶硅纳米膜电阻。本发明具有固有频率高、灵敏度高、过载能力强、温度特性好等优点，其制造方法与IC工艺兼容适于大批量生产。
【专利说明】压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及一种压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片及其制造方法，该芯片对Z轴方向加速度灵敏，对X轴和Y轴方向不敏感，属于微机电系统(MEMS)领域。
【背景技术】
[0002]MEMS技术近年来的迅猛发展，使得压阻式加速度传感器有着巨大的潜力和广阔的研究平台。压阻式加速度传感器凭借着其价格低廉、测量精准以及易于集成化批量生产等优点，在微加速度传感器领域中占据着重要地位，在航天、交通、石化、汽车等领域有着广泛的应用。
[0003]目前的主流压阻式加速度传感器工艺分为两种:体硅微机械工艺和表面微机械工艺。体硅微机械工艺所使用的工艺手段通常是使用各种腐蚀液对硅片进行腐蚀，比如将硅片整体放入到腐蚀液中或者将腐蚀液喷淋在硅片上，这种工艺手段通常是对硅片进行立体式的腐蚀作用，对结构的释放过程大都基于整个硅片的厚度。还有一种体硅微机械工艺技术是通过深反应离子刻蚀工艺技术来实现结构的立体式设计，这种方法工艺成熟，操作简单。表面微机械工艺中通常使用的工艺手段则是在硅片表面对硅片进行多次的淀积和刻蚀成形，并结合牺牲层技术，形成所需的结构。
[0004]体硅MEMS工艺制作的加速度传感器通常为悬臂梁式，是利用碱性溶液对单晶硅腐蚀的各向异性的特点来形成质量块以及悬臂梁结构，其特点是操作简单、工艺成熟以及设备简单等，还可以将深反应离子刻蚀技术加入到体硅加工过程中，从而使结构的释放过程更简单。表面微机械工艺制作的加速度传感器通常是通过薄膜技术以及牺牲层技术来形成质量块以及敏感梁结构，其特点是易于集成化和小型化。
[0005]当前压阻式MEMS加速度传感器普遍存在以下问题:
(I)传感器的灵敏度与固有频率相互制约，即结构灵敏度的提高，必然伴随着弹性结构劲度系数的降低，从而导致了结构固有频率的降低。
[0006](2)大多数压阻式加速度传感器的应变电阻由单晶硅材料制作，温度系数较大，一般采用Pn结隔离不适合在高温下工作。
[0007]本结构芯片中应变电阻采用多晶硅纳米薄膜电阻，多晶硅纳米薄膜是指膜厚接近以或小于100纳米的多晶硅膜，在实验中发现它有极佳的压阻特性和良好的温度特性。
[0008]本发明是基于以上现状产生的。
【发明内容】
[0009]发明目的:
本发明是一种压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片及其制造方法，目的是在保证传感器灵敏度的前提下，提高传感器的固有频率和过载能力，改善传感器的温度特性，拓宽传感器工作温度范围。
[0010]技术方案: 一种压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片，该芯片主要包括硅基框架、主梁、微梁和质量块，其特征在于:质量块通过主梁和微梁与硅基框架相连；质量块一端设置有微梁，微梁上设有应变电阻，质量块另一端设置有对称的两个主梁，主梁一端与质量块相连，另一端与硅基框架相连，应变电阻通过金属导线连接成惠斯通电桥。
[0011]主梁的劲度系数远大于微梁的劲度系数(通常大几十到上千倍)。
[0012]应变电阻为多晶硅纳米膜电阻。
[0013]一种如上所述压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片的制造方法，其特征在于主要工艺步骤如下:
(1)在双面抛光的单晶硅片正反两面各刻蚀出一个浅槽，保证芯片封装后其质量块可以活动；
(2)在硅片正反两面淀积或氧化形成绝缘层，选其中一面为正面，并在此面淀积一层多晶硅作为结构层；
(3)在多晶硅结构层上淀积或氧化形成绝缘层，再淀积多晶硅纳米薄膜，用光刻胶做掩膜，对纳米薄膜进行离子注入实现局部硼掺杂，从而形成多晶硅纳米薄膜电阻，最后淀积绝缘钝化层；
(4)刻蚀出引线孔，淀积金属作为导线，形成测量电路；
(5)淀积钝化保护层，并干法刻蚀出结构正反面图形；
(6)在硅片反面采用深反应离子刻蚀释放结构，完成加速度敏感芯片制造。
[0014]优点及效果:
本发明有如下优点及有益效果:
本发明所述的这种压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片及其制造方法，在保证传感器灵敏度的前提下，提高了传感器的固有频率和过载能力，改善了传感器的温度特性，拓宽传感器工作温度范围。
[0015]【专利附图】
【附图说明】:
图1是本发明芯片俯视示意图以及微梁上电阻的分布示意图；
图2是本发明芯片纵向剖面示意图(切面经过微梁上的应变电阻)；
图3是本发明芯片形成质量块厚度工艺的纵向剖面示意图；
图4是本发明芯片形成多晶硅结构层工艺的纵向剖面示意图；
图5是本发明芯片形成多晶硅纳米薄膜电阻工艺的纵向剖面示意图；
图6是本发明芯片形成引线孔和金属导线工艺的纵向剖面示意图；
图7是本发明芯片形成钝化层和正面图形工艺的纵向剖面示意图；
图8是本发明芯片形成钝化层和正面图形工艺的俯视示意图；
图9是本发明芯片的另一种结构俯视示意图；
图10是本发明芯片的又一种结构俯视示意图。
[0016]附图标记说明:
1.硅基框架，2.主梁，3.微梁，4.质量块，5.应变电阻，6.金属导线。
[0017]【具体实施方式】:
本发明设计原理如下:
当加速度施加在芯片上时，质量块由于惯性作用与硅基框架发生相对位移，导致微梁上的应变电阻发生压阻效应，带有应变电阻的惠斯通电桥输出电压信号。
[0018]当器件受到Z轴方向(即与芯片垂直的方向)加速度作用时，质量块4相对于硅基框架I产生位移。由于本结构主梁尺寸远大于微梁，导致主梁劲度系数远大于微梁(相差几十倍以上)，所以质量块的位移和固有频率主要由主梁决定，这样就可通过调整主梁2的尺寸控制固有频率，再通过调整微梁3的尺寸来控制满量程时微梁3应变的大小。也就是说通过合理调节主梁、微梁和质量块的尺寸，可以在保证本敏感结构灵敏度很高的前提下，提高结构的固有频率。随着固有频率的提高，过载能力必然同时得到相应提高。
[0019]由于本结构主梁尺寸远大于微梁，导致微梁对质量块的固定作用很小，质量块基本上被主梁固定住，所以芯片的过载能力主要由主梁决定，主梁劲度系数很大，在Z轴方向施加较大加速度时，主梁上的最大应变仍然很小，所以本发明具备较强的过载能力。
[0020]本发明芯片中的应变电阻采用多晶硅纳米薄膜电阻，实验证明，多晶硅纳米薄膜电阻在厚度为80?lOOnm，掺杂浓度为3X102° cm_3附近时具有显著的隧道压阻效应，是一种比一般多晶硅材料更优越的压阻材料，应变因子GF可达到34，比普通多晶硅薄膜高25%以上；电阻温度系数TCR可小于10_4/°C，比普通薄膜小接近一个数量级；应变因子温度系数TCGF可小于10_3/°C，比普通薄膜小一倍以上。
[0021]下面结合附图对本发明做进一步的说明:
一种压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片，结构如图1、图2所示，该芯片主要包括硅基框架1、主梁2、微梁3和质量块4，其中质量块4通过主梁2和微梁3与硅基框架I相连；质量块4 一端设置有微梁3，微梁3上设有应变电阻5，所述质量块4另一端设置有对称的两个主梁2，主梁2 —端与质量块4相连，另一端与硅基框架I相连，应变电阻5通过金属导线6连接成惠斯通电桥。
[0022]主梁2的劲度系数远大于微梁4的劲度系数(通常大几十到上千倍)。
[0023]通过改变本发明的主梁2、微梁3、质量块4尺寸，可设计出不同量程、不同固有频率的加速度敏感芯片。
[0024]本发明所述传感器芯片的制造工艺步骤如下:
(1)在双面抛光的单晶硅片正反两面各刻蚀出一个浅槽，保证芯片封装后其质量块可以活动；
(2)在硅片正反两面淀积或氧化形成绝缘层，选其中一面为正面，并在此面淀积一层多晶硅作为结构层；
(3)在多晶硅结构层上淀积或氧化形成绝缘层，再淀积多晶硅纳米薄膜，用光刻胶做掩膜，对纳米薄膜进行离子注入实现局部硼掺杂，从而形成多晶硅纳米薄膜电阻，最后淀积绝缘钝化层；
(4)刻蚀出引线孔，淀积金属作为导线，形成测量电路；
(5)淀积钝化保护层，并干法刻蚀出结构正反面图形；
(6)在硅片反面采用深反应离子刻蚀释放结构，完成加速度敏感芯片制造。
[0025]实施例1
一种压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片，结构如图1、图2所示，其制造工艺如下:
(I)如图3所示，取双面抛光单晶硅片，双面热生长均为10nm厚的二氧化硅作为掩膜，用HNA溶液在硅片表面刻蚀浅槽；
(2)如图4所示，热生长第一层二氧化硅作为绝缘层，厚200nm，正面LPCVD淀积一层
2.8um厚的多晶硅作为结构层；
(3)如图5所示，在多晶硅结构层上LPCVD淀积第二层二氧化硅作为绝缘层，厚lOOnm，再淀积多晶硅纳米薄膜，厚90nm，用光刻胶做掩膜，离子注入工艺对纳米薄膜进行硼掺杂，从而形成多晶硅纳米薄膜电阻，最后淀积第三层二氧化硅作为绝缘层，厚10nm ；
(4)如图6所示，干法刻蚀出应变电阻的引线孔，并通过常规微电子工艺形成金属导线。
[0026](5)如图7、图8所示，在金属导线上方LPCVD淀积第四层二氧化硅作为保护层，厚10nm,并用干法刻蚀形成芯片正面图形。
[0027](6)如图2所示，用干法刻蚀将芯片背面二氧化硅刻蚀出背面图形，再用光刻胶做掩月旲，深反应尚子刻蚀刻芽芯片，从而释放结构、完成加速度敏感芯片制造。
[0028]设计主梁尺寸(长X宽X高)为1000μπιΧ1100μπιΧ520μπι，微梁尺寸为10 μ mX 25 μ mX 3.5 μ m，质量块尺寸为3000 μ mX 4000 μ mX 520 μ m，按上述工艺得到的传感器量程为100g，在5V供电的情况下，满量程输出为15(Tl70mV，输出灵敏度约为1.6OmV/g，且Z轴方向的灵敏度是X轴、Y轴方向的20倍以上。传感器固有频率约为37.5kHz。
[0029]本发明加速度芯片结构还可以表现为以下形式，工艺流程基本相同:
实施例2
一种压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片，如图9所示，芯片主要包括硅基框架1、主梁2、微梁3和质量块4，其中质量块4通过主梁2和微梁3与硅基框架I相连；质量块4上下两端设置有微梁3，微梁3上设有应变电阻5，质量块4左右两端分别设置有两个主梁2，主梁2 —端与质量块4相连，另一端与硅基框架I相连，应变电阻5通过金属导线6连接成惠斯通电桥。
[0030]实施例3
一种压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片，如图10所示，芯片主要包括硅基框架1、主梁2、微梁3和质量块4，其中质量块4通过主梁2和微梁3与硅基框架I相连；质量块4上下两端设置有微梁3，微梁3上设有应变电阻5，所述质量块4左右两端中部分别设置有一个主梁2，质量块4上下两端分别设置有两个主梁2，主梁2 —端与质量块4相连，另一端与硅基框架I相连，应变电阻5通过金属导线6连接成惠斯通电桥。
[0031]本发明这种压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片在航天、交通、石化、汽车等领域有着广泛的应用。
【权利要求】
1.一种压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片，该芯片主要包括硅基框架(I)、主梁(2)、微梁(3)和质量块(4)，其特征在于:质量块(4)通过主梁(2)和微梁(3)与硅基框架(1)相连；质量块(4)一端设置有微梁(3)，微梁(3)上设有应变电阻(5)，质量块(4)另一端设置有对称的两个主梁(2)，主梁(2)—端与质量块(4)相连，另一端与硅基框架(I)相连，应变电阻(5)通过金属导线(6)连接成惠斯通电桥。
2.根据权利要求1所述的压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片，其特征在于:主梁(2)的劲度系数远大于微梁(4)的劲度系数。
3.根据权利要求1所述的压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片，其特征在于:应变电阻(5)为多晶硅纳米膜电阻。
4.一种如权利要求1、2或3所述压阻式高固有频率MEMS加速度敏感芯片的制造方法，其特征在于:步骤如下: (1)在双面抛光的单晶硅片正反两面各刻蚀出一个浅槽，保证芯片封装后其质量块可以活动； (2)在硅片正反两面淀积或氧化形成绝缘层，选其中一面为正面，并在此面淀积一层多晶硅作为结构层； (3)在多晶硅结构层上淀积或氧化形成绝缘层，再淀积多晶硅纳米薄膜，用光刻胶做掩膜，对纳米薄膜进行离子注入实现局部硼掺杂，从而形成多晶硅纳米薄膜电阻，最后淀积绝缘钝化层； (4)刻蚀出引线孔，淀积金属作为导线，形成测量电路； (5)淀积钝化保护层，并干法刻蚀出结构正反面图形； (6)在硅片反面采用深反应离子刻蚀释放结构，完成加速度敏感芯片制造。
【文档编号】B81B3/00GK104391133SQ201410661641
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】揣荣岩, 代全, 王健, 张晓民, 衣畅 申请人:沈阳工业大学