专利名称：对称直梁结构电容式微加速度传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对称直梁结构电容式微加速度传感器及其制作方法，属于微电子机械系统领域。
背景技术：
利用微机械技术制造的加速度传感器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、批量生产及易与电子线路集成等优点，可广泛应用在航空、航天、汽车、机器人、石油勘探等许多领域，具有巨大的市场应用前景。目前微机械加速度传感器已经成为主流发展方向。按照敏感原理，微机械加速度传感器可以分为电容式、压阻式、压电式、电磁式、热对流式以及谐振式等。而电容式加速度传感器相对于压阻式或压电式而言，具有温度效应小、重复性好等优点，是目前研制最多的一类传感器。
电容式微加速度传感器一般由弹性梁支撑的质量块作为可动电容极板，分别与两侧的固定电容极板构成差分检测电容。当外界加速度作用于质量块时，弹性梁变形引起质量块产生位移，导致差分检测电容的变化，用外围的接口电路检测出电容的变化量就可以测量加速度的大小。为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂性，在设计中都采用增加电极面积和减小电极之间的间距来获得较高的等效电容变化。
制作电容式微加速度传感器的方法有表面微机械加工方法和体微机械加工方法。采用表面微机械加工方法制作电容式加速度传感器的好处在于与集成电路工艺兼容，可以集成信号处理电路，成本低，但也存在噪声大、分辨率较低、动态范围小、稳定性差等缺点。而采用硅体微机械加工方法制作电容式加速度传感器的优点在于噪声小、分辨率高、动态范围大、稳定性好等优点，缺点是体积稍大。
一般的硅体微机械加工方法制作的电容式加速度传感器用弹性梁支撑的质量块上、下表面做可动电极，然后再在硅片的上、下面各键合一片硅或玻璃，其上对应于质量块电极的部分也制作电极，与质量块上的电极形成差分电容。但通常这种结构的弹性梁与敏感质量块中心不在同一平面内，会造成较大的横向灵敏度，即非敏感方向上的加速度信号也会引起较大的输出，如Kampen R.P.V.，Wolffenbuttel R.F.，Modeling the mechanical behavior ofbulk-micromachined silicon ccelerometers，Sensors and Actuators，A64，1998，137-150.为了减小横向效应，将两块硅片分别单面腐蚀质量块图形后再进行硅硅键合，双面刻蚀形成双面都有弹性梁的中间质量块，如Henrion W.S.，et.al，Sensors structure with L-shaped spring legs，US PatentNo.5,652,384，由于其弹性梁为L型梁，第一阶模态为检测模态，第二、三阶模态频率约为第一阶模态频率的3-4倍，并不能显著减小器件的交叉轴灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对称直梁结构电容式微加速度传感器及其制作方法，是一种能大大抑制横向效应、高性能的微机械加速度传感器。
本发明提供的对称直梁结构电容式微加速度传感器，包括一个中心对称的质量块、外部支撑框架、质量块与外部支撑框架相连接的八根上下对称直弹性梁结构以及上、下盖板，其特征在于(1)质量块由顶端质量块和底端质量块组成，直弹性梁结构由顶端弹性梁和底端弹性梁组成，外部支撑框架由顶端支撑框架和底端支撑框架组成；(2)质量块作为检测电容的可动电极，上、下盖板分别作为检测电容的固定电极位于可动电极的两边；(3)质量块的上、下表面分别与上、下盖板表面相互平行；
(4)直弹性梁的一端连接在与其平行的质量块顶端或底端侧面，另一端连接到与其垂直的外部支撑框架内侧面。
(5)过载保护限位块分别制作在上盖板的下表面和下盖板的上表面；(6)质量块电极引线金属块位于外部支撑框架上表面的间隙内，上盖板电极引线金属块位于上盖板的上表面，下盖板电极引线金属块位于下盖板的下表面。
所述的直弹性梁结构分别通过八根短梁连接在质量块上表面和下表面的八个顶角，并且质量块上下两面的直弹性梁对称分布。
所述的所有直弹性梁形状、尺寸一致。
所述的直弹性梁并不局限于连接在质量块的顶角，可连接在质量块顶端或底端侧面沿其边长的任意位置。
所述的质量块上表面和下表面是长方形或正方形的。
所述的质量块和上、下盖板之间的间隙在1～10um之间。
所述的质量块电极引线金属块在电极引出槽正下方的外部支撑框架表面的电极引出间隙内，质量块电极引线金属块和上、下盖板之间通过绝缘层实现电绝缘。
本发明的目的是通过如下步骤的制作方法制作出来的对称直梁结构电容式微加速度传感器来实现的(1)顶端质量块硅片的上表面和底端质量块硅片的下表面(或上盖板硅片的下表面和下盖板硅片的上表面)腐蚀形成电容间隙窗口；(2)顶端质量块硅片的下表面和底端质量块硅片的上表面光刻质量块图形，各向异性腐蚀得到顶端质量块和底端质量块，腐蚀深度由硅片的厚度和弹性梁的厚度决定；(3)顶端质量块硅片和底端质量块硅片对准硅硅直接键合方法形成对称的质量块结构；(4)上、下盖板硅片表面制作绝缘材料，作为质量块硅片和上、下盖板硅片之间的绝缘层；
(5)上盖板硅片下表面、下盖板硅片上表面制作过载保护限位块，限位块为绝缘材料；(6)通过刻蚀先释放质量块下表面的直弹性梁，然后与下盖板硅片上表面对准预键合，预键合完成后再进行整体的退火工艺；(7)通过刻蚀再释放质量块上表面的直弹性梁，然后再与上盖板硅片下表面对准预键合，预键合完成后再进行整体的退火工艺；(8)上盖板硅片上表面光刻，腐蚀形成质量块电极引出槽；(9)去绝缘层，上盖板硅片的上表面和下盖板硅片的下表面溅射或者蒸镀金属层。
所述的质量块通过顶端质量块和底端质量块键合形成，顶端质量块和底端质量块分别通过各向异性腐蚀的方法形成，直弹性梁通过刻蚀的方法形成。
所述的质量块电极引出槽是通过各向同性或各向异性腐蚀上盖板硅片来形成的。
所述的微加速度传感器采用硅硅键合方法时首先是底端质量块硅片和顶端质量块硅片完成键合，然后再分别与下盖板硅片和上盖板硅片键合。
所述的硅硅键合，各向同性或异性腐蚀工艺为本领域技术人员所公知的，且可以实现的工艺条件如温度、浓度很宽，所以不应作具体的限定。
总而言之，本发明提供了一种对称直梁结构电容式微加速度传感器结构和制作方法，器件结构具有高度对称性，提高了器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，大大降低了交叉灵敏度，进一步提高了性能。本发明采用了中心质量块电极引出槽结构，在一步淀积上盖板电极和质量块电极引线金属块的同时，也实现了两个电极之间的电信号隔离，简化了工艺。本发明采用了四层硅片对准硅硅键合制作传感器的方法，大大平衡了弹性梁上由于键合产生的热应力，提高了热稳定性。而且，由于上、下盖板以及中间质量块都是采用单晶硅，加速度传感器的性能稳定，并且可以根据需要，设计不同的梁长度、梁厚度和电容间隙，改变传感器的量程和灵敏度，灵活性更大。
图1(a)是本发明提出的一种传感器中心质量块、弹性梁、支撑框架结构俯视图。
图1(b)是本发明提出的一种传感器中心质量块、弹性梁、支撑框架结构剖面图。
图2是实施例1的传感器制作工艺流程。
图3(a)是本发明提出的另一种传感器中心质量块、弹性梁、支撑框架结构俯视图。
图3(b)是本发明提出的另一种传感器中心质量块、弹性梁、支撑框架结构剖面图。
图4是实施例2的传感器制作工艺流程。
图中各数字代表的含义为1直弹性梁，2中心质量块，3外部支撑框架，4短梁，5直弹性梁与质量块连接的任意位置，6顶端质量块硅片，7底端质量块硅片，8下盖板硅片，9上盖板硅片，10质量块电极引出间隙，11顶端支撑框架，12底端支撑框架，13顶端质量块，14底端质量块，15上电容间隙，16下电容间隙，17底端过载保护限位块，18顶端过载保护限位块，19下盖板上的绝缘层，20上盖板上的绝缘层，21底端弹性梁，22顶端弹性梁，23质量块电极引线金属块，24上盖板电极引线金属块，25下盖板电极引线金属块，26电极引出槽，27上盖板，28下盖板。
具体实施例方式
以下实施例阐述本发明涉及的微加速度传感器及其制作方法的实质性特点和显著进步，但本发明决非仅限于介绍的实施例。
实施例1本发明的实施例1涉及一种微加速度传感器结构，结合附图1说明。
如图1(a)所示，直弹性梁1的一端通过短梁4连接在中心质量块2的顶角，另一端连接到与其垂直的外部支撑框架3。如图1(b)所示，微加速度传感器结构，包括一个中心对称的质量块2、外部支撑框架3、中心对称的质量块2与外部支撑框架3相连接的八根上下对称直弹性梁结构1以及上盖板27、下盖板28。质量块2由顶端质量块硅片6和底端质量块硅片7组成，直弹性梁结构1由顶端弹性梁22和底端弹性梁21组成，外部支撑框架3由顶端支撑框架11和底端支撑框架12组成。顶端和底端过载保护限位块18、17分别制作在上盖板27的下表面和下盖板28的上表面。上电容间隙15、下电容间隙16分别在顶端质量块硅片6的上表面、底端质量块硅片7的下表面。上盖板电极引线金属块24位于上盖板27的上表面，下盖板电极引线金属块25位于下盖板28的下表面。质量块电极引线金属块23在电极引出槽26正下方的外部支撑框架3表面的质量块电极引出间隙10内，质量块电极引线金属块23和上盖板27、下盖板28之间分别通过绝缘层20、19实现电绝缘。该加速度传感器的敏感方向为法向，当有外部法向加速度作用时，质量块电极分别与上盖板电极、下盖板电极构成的电容C1、C2一个增大、一个减小，电容的变化量(C1-C2)与外部加速度信号成比例关系，通过测量该变化量来检测加速度值的大小。
本发明的实施例1涉及的微加速度传感器制作方法，参考图2所示的工艺流程图进行说明，主要包括以下工艺步骤(1)顶端质量块硅片6为双抛(100)硅片，氧化后，其上表面利用各向异性腐蚀方法制作上电容间隙15和质量块电极引出间隙10，深度均为3um；二次氧化，背面光刻可动质量块图形，各向异性腐蚀至弹性梁的厚度，形成顶端质量块13和顶端支撑框架11，如图2(a)；(2)底端质量块硅片7为双抛(100)硅片，氧化后，其下表面利用各向异性腐蚀方法制作下电容间隙16，深度均为3um；二次氧化，正面光刻可动质量块图形，各向异性腐蚀至弹性梁的厚度，形成底端质量块14和底端支撑框架12，如图2(b)；(3)顶端质量块6的背面与底端质量块7的正面对准硅硅直接键合形成对称的中心质量块2和支撑框架3，如图2(c)；(4)下盖板硅片8与上盖板硅片9均为双抛(100)硅片，首先在其表面制作绝缘材料19、20，分别作为中心质量块2和上盖板硅片9、下盖板硅片8之间的绝缘层，绝缘材料可以为SiO2，Si3N4，SiC等，但不限于此；(5)在下盖板硅片8的上表面制作底部过载保护限位块17(限位块为绝缘材料SiO2，Si3N4，SiC等，但不限于此)，如图2(d)，上盖板硅片9的下表面制作过载保护限位块18(限位块为绝缘材料SiO2，Si3N4，SiC等，但不限于此)，如图2(e)；(6)通过刻蚀先释放中心质量块2下表面的直弹性梁21，底端质量块硅片7的背面与下盖板硅片8的上表面对准预键合，预键合完成后再进行整体的退火工艺，如图2(f)；(7)通过刻蚀再释放中心质量块2上表面的直弹性梁22，然后再与上盖板硅片9的下表面对准预键合，预键合完成后再进行整体的退火工艺，如图2(g)；(8)上盖板硅片9的上表面光刻，腐蚀形成质量块电极引出槽26；(9)去绝缘层，下盖板硅片8的下表面与上盖板硅片9的上表面制作(溅射，蒸发等，但不限于此)金属层(Al，Au，Ni等，但不限于此)，形成质量块电极引线金属块23、上电极引线金属块24和下电极引线金属块25，如图2(h)。
实施例2本发明的实施例2涉及另一种微加速度传感器结构，与实施例1的区别在于直弹性梁的分布不同以及电容间隙的位置不同，结合附图3说明。
如图3(a)所示，直弹性梁1的一端通过短梁4连接在中心质量块2除顶角以外沿其边长的任意位置5，另一端连接到与其垂直的外部支撑框架3。如图3(b)所示，微加速度传感器结构，包括一个中心对称的质量块2、外部支撑框架3、质量块2与外部支撑框架3相连接的八根上下对称直弹性梁结构1以及上盖板27、下盖板28。中心对称的质量块2由顶端质量块硅片6和底端质量块硅片7组成，直弹性梁结构1由顶端弹性梁22和底端弹性梁21组成，外部支撑框架3由顶端支撑框架11和底端支撑框架12组成。顶端和底端过载保护限位块18、17分别制作在上盖板27的下表面和下盖板28的上表面。上电容间隙15、下电容间隙16分别在上盖板27下表面、下盖板28上表面。上盖板电极引线金属块24位于上盖板27的上表面，下盖板电极引线金属块25位于下盖板28的下表面。质量块电极引线金属块23在电极引出槽26正下方的外部支撑框架3表面的质量块电极引出间隙10内，质量块电极引线金属块23和上盖板27、下盖板28之间分别通过绝缘层20、19实现电绝缘。该加速度传感器的敏感方向为法向，当有外部法向加速度作用时，质量块电极分别与上盖板电极、下盖板电极构成的电容C1、C2一个增大、一个减小，电容的变化量(C1-C2)与外部加速度信号成比例关系，通过测量该变化量来检测加速度值的大小。
本发明的实施例2涉及的微加速度传感器制作方法，参考图4所示的工艺流程图进行说明，主要包括以下工艺步骤(1)顶端质量块硅片6为双抛(100)硅片，氧化后，其上表面利用各向异性腐蚀方法制作质量块电极引出间隙10，深度均为3um；二次氧化，背面光刻可动质量块图形，各向异性腐蚀至弹性梁的厚度，形成顶端质量块13和顶端支撑框架11，如图4(a)；(2)底端质量块硅片7为双抛(100)硅片，氧化后，正面光刻可动质量块图形，各向异性腐蚀至弹性梁的厚度，形成底端质量块14和底端支撑框架12，如图4(b)；(3)顶端质量块6的背面与底端质量块7的正面对准硅硅直接键合形成对称的中心质量块2和支撑框架3，如图4(c)；(4)下盖板硅片8为双抛(100)硅片，氧化后，其上表面利用各向异性腐蚀方法制作下电容间隙16，深度为3um；然后在其表面制作下盖板上的绝缘材料19，作为中心质量块2和下盖板硅片8之间的绝缘层，绝缘材料可以为SiO2，Si3N4，SiC等，但不限于此；在下盖板硅片8的上表面制作底端过载保护限位块17(限位块为绝缘材料SiO2，Si3N4，SiC等，但不限于此)，如图4(d)；(5)上盖板硅片9为双抛(100)硅片，氧化后，其上表面利用各向异性腐蚀方法制作上电容间隙15，深度为3um；然后在其表面制作上盖板上的绝缘材料20，作为中间质量块2和上盖板硅片9之间的绝缘层，绝缘材料可以为SiO2，Si3N4，SiC等，但不限于此；在上盖板硅片9的下表面制作顶端过载保护限位块18(限位块为绝缘材料SiO2，Si3N4，SiC等，但不限于此)，如图4(e)；(6)通过刻蚀先释放中心质量块2下表面的直弹性梁21，底端质量块硅片7的背面与下盖板硅片8的上表面对准预键合，预键合完成后再进行整体的退火工艺，如图4(f)；(7)通过刻蚀再释放中心质量块2上表面的直弹性梁22，然后再与上盖板硅片9的下表面对准预键合，预键合完成后再进行整体的退火工艺，如图4(g)；(8)上盖板硅片9的上表面光刻，腐蚀形成可动质量块电极引出槽26；(9)去绝缘层，下盖板硅片8的下表面与上盖板硅片9的上表面制作(溅射，蒸发等，但不限于此)金属层(Al，Au，Ni等，但不限于此)，形成质量块电极引线金属块23、上电极引线金属块24和下电极引线金属块25，如图4(h)。
权利要求
1.一种对称直梁结构电容式微加速度传感器，包括一个中心对称的质量块、外部支撑框架、质量块与之相连接的直弹性梁以及上、下盖板，其特征在于(1)质量块由顶端质量块和底端质量块组成，直弹性梁结构由顶端弹性梁和底端弹性梁组成，外部支撑框架由顶端支撑框架和底端支撑框架组成；(2)质量块作为检测电容的可动电极，上、下盖板分别作为检测电容的固定电极位于可动电极的两边；(3)质量块的上、下表面分别与上、下盖板表面相互平行；(4)直弹性梁的一端连接在与其平行的质量块顶端或底端侧面，另一端连接到与其垂直的外部支撑框架内侧面；(5)过载保护限位块分别制作在上盖板的下表面和下盖板的上表面；(6)质量块电极引线金属块位于外部支撑框架上表面的间隙内，上盖板电极引线金属块位于上盖板的上表面，下盖板电极引线金属块位于下盖板的下表面。
2.根据权利要求1所述的对称直梁结构电容式微加速度传感器，其特征在于直弹性梁结构分别通过八根短梁连接在质量块上表面和下表面的八个顶角，并且质量块上、下两面的直弹性梁对称分布；或直弹性梁并不局限于连接在质量块的顶角，而是连接在质量块顶端或底端侧面沿其边长的任意位置。
3.根据权利要求1或2所述的对称直梁结构电容式微加速度传感器，其特征在于所有直弹性梁的形状、尺寸一致。
4.根据权利要求1所述的对称直梁结构电容式微加速度传感器，其特征在于质量块上表面和下表面为长方形或正方形。
5.根据权利要求1所述的对称直梁结构电容式微加速度传感器，其特征在于质量块和上、下盖板之间的间隙在1～10um之间。
6.根据权利要求1所述的对称直梁结构电容式微加速度传感器，其特征在于质量块电极引线金属块在电极引出槽正下方的外部支撑框架表面的电极引出间隙内，质量块的电极引线金属块与上、下盖板之间是通过绝缘层实现电绝缘。
7.制作如根据权利要求1、2、4、5或6所述的对称直梁结构电容式微加速度传感器的方法，包括质量块与直弹性梁的形成，上、下盖板硅片与质量块硅片的键合以及质量块电极引出槽的制作，其特征在于包括如下步骤(1)顶端质量块硅片的上表面和底端质量块硅片的下表面，或上盖板硅片的下表面和下盖板硅片的上表面，腐蚀形成电容间隙窗口；(2)顶端质量块硅片的下表面和底端质量块硅片的上表面光刻质量块图形，各向异性腐蚀得到顶端质量块和底端质量块，腐蚀深度由硅片的厚度和弹性梁的厚度决定；(3)顶端质量块硅片和底端质量块硅片对准硅硅直接键合方法形成对称的质量块结构；(4)上、下盖板硅片表面制作绝缘材料，作为质量块硅片和上、下盖板硅片之间的绝缘层；(5)上盖板硅片下表面、下盖板硅片上表面制作过载保护限位块，限位块为绝缘材料；(6)通过刻蚀先释放质量块下表面的直弹性梁，然后与下盖板硅片上表面对准预键合，预键合完成后再进行整体的退火工艺；(7)通过刻蚀再释放质量块上表面的直弹性梁，然后再与上盖板硅片下表面对准预键合，预键合完成后再进行整体的退火工艺；(8)上盖板硅片上表面光刻，腐蚀形成质量块电极引出槽；(9)去绝缘层，上盖板硅片的上表面和下盖板硅片的下表面溅射或者蒸镀金属层。
8.根据权利要求7所述的对称直梁结构电容式微加速度传感器的制作方法，其特征在于质量块通过顶端质量块和底端质量块键合形成，顶端质量块和底端质量块分别通过各向异性腐蚀的方法形成，直弹性梁通过刻蚀的方法形成。
9.根据权利要求7所述的对称直梁结构电容式微加速度传感器的制作方法，其特征在于质量块电极引出槽是通过各向同性或各向异性腐蚀上盖板硅片形成的。
10.根据权利要求7所述的对称直梁结构电容式微加速度传感器的制作方法，其特征在于采用硅硅键合方法时首先是底端质量块硅片和顶端质量块硅片完成键合，然后再分别与下盖板硅片和上盖板硅片键合。
全文摘要
本发明涉及一种对称直梁结构电容式微加速度传感器及其制作方法。其特在于所述的加速度传感器由一个中心对称的质量块、外部支撑框架、质量块与外部支撑框架相连接的八根上下对称直弹性梁结构以及上、下盖板组成。每根直弹性梁的一端连接在与弹性梁平行的质量块顶端或底端侧面，另一端连接到与弹性梁垂直的外部支撑框架内侧面。本发明提供的对称直梁结构电容式加速度传感器可以在显著减小横向效应的同时提高灵敏度，采用微电子机械系统工艺制作，是一种高性能的微机械加速度传感器。
文档编号G01P15/125GK101038298SQ20071003812
公开日2007年9月19日 申请日期2007年3月16日 优先权日2007年3月16日
发明者车录锋, 徐玮鹤, 熊斌, 戈肖鸿, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所