一种压电式MEMS加速度传感器及其制备方法与流程

文档序号:16541561发布日期:2019-01-08 20:27
一种压电式MEMS加速度传感器及其制备方法与流程

本发明涉及微传感器技术领域,具体涉及一种压电式MEMS加速度传感器及其制备方法。



背景技术:

随着现代化工业及科学技术的发展,工业装备不断向着复杂化、智能化、信息化等方向发展,这些装备组件精密复杂、工作模式多样、运行场合多变。而工业装备运行过程中的振动作为一种最为常见的物理现象,对装备的性能和健康状态具有直接影响,振动量如果超过允许范围,装备将产生较大的动载荷和噪声,从而产生较高的故障率,影响其工作性能和使用寿命,严重时还会导致零部件的早期失效,造成巨大损失或人员伤亡。

为了切实有效地保养和维护这些装备的工况健康,几乎每台现代工业装备都会安装振动监控系统,通过对装备运行过程中的振动信号分析处理,实现装备的状态监测、故障诊断、工况识别等目的。振动监控系统已经成为近年来工业装备健康管理的重要研究手段之一,越来越多的企业选择采用振动监控系统对关键设备及其核心组件等进行监测,是现代化工业装备必不可少的辅助装置。

目前,基于测振传感器的振动监控技术是国内外业界振动监控系统所采用的主要监控技术,其中,作为监控系统最前端拾振环节的测振传感器,是整个振动监控系统的核心器件之一,而采用传统测振传感器的振动监控系统往往体积大、功能弱等性能缺陷,渐渐无法满足日益复杂精密的现代工业装备振动监控需求。因此,发展研究适用于工业装备振动监控系统的新型高性能测振传感器已经成为人们日益关注的问题,也是推动工业装备振动监控系统发展的核心所在。它不仅仅有益于振动监控系统自身性能、效率和可靠性等方面的提高,更是对工业装备的安全状态、生产效率以及预见性维护的进一步保障,对促进保障国民生命财产安全、提高企业生产效率及经济效益、提高国家工业自动化平行具有重要意义。

在《中国微米/纳米学术年会-2003》中收录了由周再发等人设计的一种用于环境振动测量的高分辨率电容式微加速度传感器,该传感器分辨率高、温度漂移小,但结构相对简单,并未解决传统电容式加速度计抗过载能力差、谐振频率较低等缺点,不适用于在工作环境恶劣的工业装备振动监控场合使用。《激光杂质》中收录了吴东方等人设计的一种用于振动测量的全光纤传感器,该传感器满足工业装备振动监控对测振传感器低频响应好、抗过载能力强、抗电磁干扰强等要求,但是易受到光源波动动和连接器损耗变换的影响,同时由于传感器核心组件(如光纤耦合器等加工材料与封装外壳等)构成的整体体积较大,导致传感器滋生的体积质量也相对较大,这种结构设计不适用于应用在小型精密的工业装备振动监控系统。



技术实现要素:

为避免上述现有技术所存在的不足,本发明提供一种压电式MEMS加速度传感器及其制备方法,解决了现有技术中存在的传统测振加速度计抗过载能力差、谐振频率较低的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的:

一种压电式MEMS加速度传感器,包括依次连接的盖板、检测结构层和底衬;

所述盖板以<100>晶向N型单抛硅片为基础制成,所述盖板的底面中心设有上限位槽,并在所述盖板顶面的4个边角处均开设2个接线引出孔,所述接线引出孔贯穿盖板设置;

所述检测结构层以方形双抛SOI硅片为基础制成,所述检测结构层包括方形外框以及设置在外框内的敏感质量块和4根L形固支梁,所述敏感质量块外周通过4根L形固支梁固定在外框的中央,所述敏感质量块的顶面和底面中心分别设有上限位柱和下限位柱;

所述外框的顶面四个边角各设有一个第一压焊块和一个第二压焊块,所述盖板上各个边角的2个接线引出孔一一对应,所述L形固支梁根部的顶面设有与所述第一压焊块连接的硅导电层,所述硅导电层一端部的顶面设有压电陶瓷薄膜,所述压电陶瓷薄膜的顶面通过铝导电层与第二压焊块连接,所述硅导电层与铝导电层呈平行状,所述压电陶瓷薄膜的底面设有一层氧化铝膜,使铝导电层的底面与压电陶瓷薄膜的顶面之间隔离;

所述底衬以<100>晶向N型单抛硅片为基础制成,所述底衬顶面的抛光面开设活动腔凹槽,并在活动腔凹槽的底面中心设有下限位槽,所述上限位槽与上限位柱相适配;所述下限位槽与下限位柱相适配;

所述盖板、检测结构层和底衬通过键合形成内部封闭的压电式MEMS加速度传感器。

进一步的,所述第一压焊块和所述第二压焊块的顶面均设有真空封装微槽。

进一步的,所述压电陶瓷薄膜产生的电信号分别通过与底面相接触的掺杂硅导电层引至第一压焊块,以及通过顶面相接触的铝导电层引至第二压焊块。

进一步的,以检测结构层的中心为原点,分别以检测结构层的长度方向为X轴、宽度方向为Y轴、高度方向为Z轴,所述上限位柱与上限位槽在Z轴向的阻尼系数间隙和所述下限位柱与下限位槽在Z轴向的阻尼系数间隙均为3μm,所述上限位柱与上限位槽在X轴向、Y轴向的阻尼系统间隙以及下限位柱与下限位槽在X轴向、Y轴向的阻尼系统间隙均为1μm。

所述的压电式MEMS加速度传感器的制备方法,操作步骤如下:

备片:取一块厚度为351μm的双抛SOI硅片和两块厚度均为300μm的<100>晶向N型单抛硅片;

一次光刻:对双抛SOI硅片的衬底层整体减薄50μm,在衬底层底面的中心光刻刻蚀出边长为30μm、高为8μm的下限位柱;

二次光刻:对双抛SOI硅片光刻减薄第一预设区域的衬底硅厚度至50μm,并显露出外框区域;

三次光刻:在第一块<100>晶向N型单抛硅片的抛光面光刻出深度为为6μm的活动腔凹槽;

四次光刻:在活动腔凹槽中心光刻出边长为32μm、深度为5μm的下限位槽,使整体形成底衬;

一次硅-硅键合:分别对双抛SOI硅片和上述加工的底衬的外表面进行清洗,再进行表面活化处理;在室温条件下迅速将底衬顶部的抛光面与检测结构层底部的衬底面贴合在一起,使所述底衬的下限位槽与检测结构层的下限位柱相互适配,并一同置入纯氧环境中进行高温退火处理,直至键合并形成整体,即完成键合工艺;

五次光刻:将上述键合的硅片顶层硅整体光刻减薄至厚度为8μm,光刻出第一压焊块、第二压焊块、硅导电层及上限位柱区域;

六次光刻:光刻减薄第一焊压块、第二焊压块、以及硅导电层所在区域的顶层硅至厚度为6μm,再对上述区域进行掺杂;

七次光刻:对上述掺杂的硅导电层进行光刻减薄至厚度为2μm;

八次光刻:将压电陶瓷薄膜粘贴在硅导电层的顶面,并在压电陶瓷薄膜的侧面淀积一层氧化铝膜隔离层;

九次光刻:自压电陶瓷薄膜的顶面起,至与第二压焊块邻边充分接触为止,并在顶面淀积铝导电层,所述硅导电层与铝导电层呈平行状;

十次光刻:刻穿整个双抛SOI硅片的第二预设区域,直至释放出相互独立的L形固支梁、敏感质量块以及外框区域,整体形成检测结构层;

十一次光刻:在第一压焊块、第二压焊块的顶面光刻刻蚀出深度为1μm的真空封装微槽;

十二次光刻:取第二块<100>晶向N型单抛硅片,光刻出边长为32μm、深度为5μm的上限位槽,整体形成盖板,并在盖板的底面均匀附上纳米吸气层;

二次硅-硅键合:将一次硅-硅键合成型的的硅片与盖板的硅片进行清洗,键合,并在盖板上开设与第一压焊块和第二压焊块相适配的2个接线引出孔,所述接线引出孔内填充金属铜。

进一步的,所述一次硅-硅键合中,表面活化处理采用的溶液为:氢氧根离子溶液或等离子体溶液。

进一步的,所述六次光刻中,选择性掺杂具体操作为:选择导电离子分别对第一压焊块、第二压焊块以及硅导电层进行掺杂。

进一步的,所述二次硅-硅键合中,采用玻璃浆料完成盖板与检测结构层之间键合的密闭封装。

本发明的有益效果包括:

1.本发明提供的压电式MEMS加速度传感器采用结构单一的嵌入式限位保护单元,在采用相对简单加工工艺的同时,保证了敏感质量块在限位柱与限位槽作用下,仅位移传感器阻尼系统间隙距离,提高了传感器的全方位抗过载能力。

2.本发明提供的压电式MEMS加速度传感器,采用矩形端面L形固支梁传递应力,实现在有限空间内加工出较长梁,保证L形固支梁受力形变时压电陶瓷材料片承受应力最大,在提高传感器灵敏度的同时,也增大L形固支梁抗弯刚度,减轻传感器横向干扰。另一方面制备时采用SOI复合材料片制成的硅-氧化硅复合梁,从而使L形固支梁获得较高的敏感方向弹性系数,增大系统固有频率。

3.本发明提供的压电式MEMS加速度传感器的制备方法,实现了盖板、检测结构层以及衬底形成内部封闭环境,减轻敏感质量块收到外界环境微粒污染的影响,提高整个装置在工业装备振动监控环境中的检测结果可靠性与稳定性,并通过纳米吸气层达到内部真空,降低传感器内部机械耦合,提高品质因数。

4.本发明提供的压电式MEMS加速度传感器的制备方法,兼容微电子加工技术,大幅减小了传感器自身的体积和质量,增强了传感器的可集成化能力。通过定制模板与规范工艺操作,可节省大量的时间,提高了加工效率,且重复性较好,并减少了单个传感器的制作成本。

附图说明

图1 本发明的压电式MEMS加速度传感器的总体结构示意图;

图2 本发明的压电式MEMS加速度传感器的总体剖面结构示意图;

图3 本发明的压电式MEMS加速度传感器的盖板结构示意图;

图4 本发明的压电式MEMS加速度传感器的检测结构层整体结构示意图;

图5 本发明的压电式MEMS加速度传感器的检测结构层俯视结构示意图;

图6 本发明的压电式MEMS加速度传感器的检测结构层的A处部分结构示意图;

图7 本发明的压电式MEMS加速度传感器的底衬结构示意图;

图8 本发明的一次光刻的工艺剖面示意图;

图9 本发明的二次光刻的工艺剖面示意图;

图10 本发明的四次光刻的工艺剖面示意图;

图11 本发明的一次硅-硅键合的工艺剖面示意图;

图12 本发明的五次光刻的工艺剖面示意图;

图13本发明的六次光刻的工艺剖面示意图;

图14 本发明的七次光刻的工艺剖面示意图;

图15 本发明的八次光刻的工艺剖面示意图;

图16 本发明的九次光刻的工艺剖面示意图;

图17 本发明的十次光刻的工艺剖面示意图;

图18 本发明的十一次光刻的工艺剖面示意图;

图19 本发明的十二次光刻的工艺剖面示意图;

图20 本发明的二次硅-硅键合的工艺剖面示意图。

在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:

1、盖板;2、检测结构层;3、底衬;11、上限位槽;12、接线引出孔;101、纳米吸气层;21、敏感质量块;22、L形固支梁;231、上限位柱;232、下限位柱;24、外框;25、第一压焊块;26、第二焊压柱;201、第一预设区域;202、第二预设区域;211、真空封装微槽;251、硅导电层径;27、压电陶瓷薄膜;271、铝导电层;272、氧化铝膜;31、下限位槽;32、活动腔凹槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

实施例1:

参见图1、图2,本实施例提供一种压电式MEMS加速度传感器,由依次连接的盖板1、检测结构层2和底衬3组成;

如图3所示,盖板1以<100>晶向N型单抛硅片为基础制成,盖板1的底面中心设有上限位槽11,并在盖板1顶面的4个边角处均开设2个接线引出孔12,接线引出孔12贯穿盖板1设置。

如图4-6所示,检测结构层2以方形双抛SOI硅片为基础制成,检测结构层2包括方形外框24以及设置在外框24内的敏感质量块21和4根L形固支梁22,敏感质量块21的外周分别通过4根L形固支梁22固定在外框24围成区域的中央,敏感质量块21的顶面和底面中心分别设有上限位柱231和下限位柱232。

外框24的顶面四个边角各设有一个第一压焊块25和一个第二压焊块26,并且第一压焊块25和第二压焊块26与盖板1上各个边角的2个接线引出孔12一一对应,L形固支梁22根部的顶面设有与第一压焊块25连接的硅导电层251,硅导电层251一端部的顶面覆盖粘贴压电陶瓷薄膜27,压电陶瓷薄膜27的顶面通过铝导电层271与第二压焊块26连接,硅导电层251与铝导电层271均呈平行状,并在铝导电层271的底面设有氧化铝膜272,使铝导电层271的底面与压电陶瓷薄膜27的顶面之间形成局部隔离。在第一压焊块25和第二压焊块26的顶面均设有与外框24对应边沿平齐的真空封装微槽211;由压电陶瓷薄膜27产生的电信号分别通过与底面相接触的掺杂硅导电层251引至第一压焊块25和顶面相接触的铝导电层271引至第二压焊块26。

如图7所示,底衬3以<100>晶向N型单抛硅片为基础制成,底衬3的抛光面设有活动腔凹槽32,并在活动腔凹槽32的底面中心设有下限位槽31,活动腔凹槽32作为敏感质量块21的活动腔,使上限位槽11与上限位柱231相适配,下限位槽31与下限位柱232相适配。

盖板1、检测结构层2和底衬3通过键合形成内部封闭的压电式MEMS加速度传感器。

实施例2:

本实施例提供一种压电式MEMS加速度传感器的制备方法,操作步骤如下:

备片:取一块厚度为351μm的双抛SOI硅片和两块厚度均为300μm的<100>晶向N型单抛硅片;

一次光刻:使用标准半导体清洗工艺清洗双抛SOI硅片,并将清洗的双抛SOI硅片置于含氢氧化钾溶液的腐蚀槽中进行减薄处理,将衬底层整体减薄至50μm,在衬底层表面的中心位置旋涂光刻胶,光刻显影,再利用ICP刻蚀(电感耦合等离子体)工艺刻蚀出边长为30μm、高为8μm的下限位柱232,如图8所示;

二次光刻:在双抛SOI硅片的衬底层整个表面旋涂光刻胶,光照显影第一预设区域301(即:将第一预设区域上方的光刻胶去除,以下的步骤中采用光照显影预设区域方法相同),刻蚀减薄第一预设区域的衬底硅厚度50μm,去除余胶,显露出外框24区域,整体初步成型检测结构层2,如图9所示;

三次光刻:取第一块<100>晶向N型单抛硅片,清洗,在硅片顶面的抛光面上旋涂光刻胶,光照显影活动腔凹槽32区域,利用ICP刻蚀工艺在上述区域刻蚀出深为6μm的活动腔凹槽32,去除余胶,作为底衬3;

四次光刻:在上述底衬3的抛光面重新涂胶,光照显影活动腔凹槽32底部中心的下限位槽31区域,利用ICP刻蚀工艺在上述区域刻蚀裸露出边长为32μm、深度为5μm的下限位槽31,去除余胶,如图10所示;

一次硅-硅键合:分别对双抛SOI硅片和上述加工后的底衬3进行表面清洗,并置于氢氧根离子溶液或等离子体溶液中进行表面活化处理,紧接着在室温下将底衬3顶部的抛光面与检测结构层2底部的衬底面贴合在一起,并使底衬3的下限位槽31与检测结构层2的下限位柱232相互适配,一同置入纯氧环境中进行高温退火处理,直至键合强度足够并形成整体,即完成键合工艺,如图11所示;

五次光刻:上述键合后的硅片置于氢氧化钾溶液腐蚀槽中进行减薄处理,减薄硅片的顶层硅至8μm,此后在减薄处理后的硅片顶面重新旋涂光刻胶,光照显影第一压焊块25、第二压焊块26、硅导电层251及上限位柱231区域,采用ICP刻蚀工艺刻蚀暴露出第一压焊块25、第二压焊块26、硅导电层251、及上限位柱231,去除余胶,如图12所示(图12为工艺剖面图,第一压焊块25与硅导电层251为相同材质在图中为整体成型,第二压焊块26被第一压焊块25所遮挡并未画出,下同,可同时参见图4结构);

六次光刻:在上述硅片的顶面重新涂胶,光照显影暴露第一焊压块25、第二焊压块26、以及硅导电层251区域,并刻蚀减薄上述区域的顶层硅厚度至6μm,此后采用热扩散方法向第一焊压块25、第二焊压块26、以及硅导电层251区域掺入高浓度硼离子,去除余胶,如图13所示;

七次光刻:将上述硅片顶面重新涂胶,光照显影暴露硅导电层251区域,使用ICP刻蚀工艺刻蚀减薄上述区域厚度至2μm,此后去除余胶,如图14所示;

八次光刻:取压电陶瓷薄膜27(锆钛酸铅材料片),采用典型的半导体清洗工艺对上述加工后的硅片和压电陶瓷薄膜27清洗干净,利用低温环氧溶胶将清洗后的压电陶瓷薄膜27粘贴至L形固支梁22根部的硅导电层251顶面,并上述硅片的顶面涂上一层光刻胶,光照显影压电陶瓷薄膜27顶面起局部隔离作用的部分区域,并在该区域采用磁控溅射技术生长一层氧化铝形成氧化铝膜272隔离层,此后去除余胶及其余氧化铝,使铝导电层271与压电陶瓷薄膜27之间部分隔离,如图15所示;

九次光刻:在上述硅片顶面重新涂胶,光照显影氧化铝膜272隔离层、压电陶瓷薄膜27、以及L形固支梁22根部顶面的硅导电层251区域,并自压电陶瓷薄膜27顶面起,至第二压焊块26邻边充分接触为止,利用PEPVD(等离子体增强物理气相沉积)方法淀积一层厚2μm金属铝层,形成铝导电层271,去除余胶与其余铝,并且硅导电层251与铝导电层271呈平行状,如图16所示;

十次光刻:在上述硅片顶面重新涂胶,光刻显影暴露出SOI硅片的第二预设区域202,利用ICP刻蚀工艺依次刻蚀第二预设区域202所在的SOI硅片中部的埋氧层与底部的衬底层,直至释放(刻蚀显露)出相互独立的L形固支梁22、敏感质量块21,去除余胶,形成完整的检测结构层2,如图17所示;

十一次光刻:在上述硅片顶面重新涂胶,光照显影暴露出第一压焊块25、第二压焊块26区域,并在上述区域刻蚀出深度为1μm的真空封装微槽211,再去除余胶,如图18所示;

十二次光刻:取第二片<100>晶向N型单抛硅片,清洗后在单抛硅片的抛光面上旋涂光刻胶,光照显影暴露上限位槽11区域,利用ICP刻蚀工艺刻蚀出边长为32μm、深度为5μm的上限位槽11,去除余胶,形成盖板1;并使用Ti吸气剂,在盖板1的底面除去下限位槽31和需要健合区域以外的部分区域均匀附着纳米吸气层101,如图19所示;

二次硅-硅键合:对上述已制作成型的盖板1的硅片和一次硅-硅键合成型的硅片进行清洗,并向真空封装微方法槽211及外框24上除第一焊接块25、第二焊接块26以外的区域填充玻璃浆料,完成硅-硅键合实现密封封装,并使用TSV硅通孔技术在盖板1上开设与第一焊压块25和第二焊压块26相适配的2个接线引出孔12,接线引出孔12内填充金属铜,引出电信号,如图20所示。同时盖板1的底面附着纳米吸气层101,可增加硅-硅键合后封装的密封性。

本发明的工作原理说明如下:

分别以检测结构层2的其中一个边长方向为X轴,相邻边长方向为Y轴,高度方向为Z轴,以检测结构层2的中心为原点,上限位柱231与上限位槽11在Z轴向的阻尼系数间隙和下限位柱232与下限位槽31在Z轴向的阻尼系数间隙均为3μm,上限位柱231与上限位槽11在X轴向、Y轴向的阻尼系统间隙和下限位柱232与下限位槽31在X轴向、Y轴向的阻尼系统间隙均为1μm。键合后检测结构层2的第一焊接块25和第二焊接块26与盖板1上的2个接线引出孔12相适配,填充金属铜后,完成结构信号的引出。

使用时,当压电式MEMS加速度传感器整体受到敏感方向外部加速度作用时,敏感质量块21沿加速度方向产生一定位移,同时在敏感质量块21四周设置的L形固支梁22传递应力,使得粘贴于L形固支梁22根部顶面的压电陶瓷薄膜27发生弯曲形变,导致压电陶瓷薄膜27内部产生极化现象,并在压电陶瓷薄膜27表面产生加速度电压信号。

当电式MEMS加速度传感器整体受到过载加速度作用时,敏感质量块21将产生较大程度位移,但由于敏感质量块21顶面和底面的上限位柱231和下限位柱232分别嵌入了盖板1与底衬3上的上限位槽11、下限位槽31,使得敏感质量块21在X、Y、Z任意轴向上仅能位移阻尼系统间隙的距离,从而起到全方位过载保护作用。

综上所述,本发明提供的压电式MEMS加速度传感器,采用矩形端面L形固支梁传递应力,实现在有限空间内加工出较长梁,保证L形固支梁受力形变时压电陶瓷薄膜承受压力最大,提高传感器灵敏度,增大L形固支梁抗弯强度,减轻传感器的横向干扰。并在制备中方法采用SOI复合材料片制得硅-氧化硅复合梁,从而获得较高的L形梁敏感方向弹性系数,增大系统固有频率。

同时采用2次的硅-硅键合方法,将盖板、检测结构层以及衬底形成内部封闭的环境,减少敏感质量块受到外界环境微粒污染的影响,提高整个装置在工业装备振动监控环境中的检测结果可靠性与稳定性。通过设置的纳米吸气层,将盖板、检测结构层以及衬底形成的内部封闭环境达到真空,降低传感器内部各部件运动时的机械耦合,提高了品质因数。

采用基于MEMS加工技术的制备方法,兼容微电子加工技术,大幅减小了传感器自身的体积和质量,增强了传感器的可集成化能力。通过定制模板与规范工艺操作,可节省大量的时间,提高了加工效率,且重复性较好,并减少了单个传感器的制作成本。

本领域的技术人员容易理解,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

再多了解一些
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