专利名称：兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计及其加工方法
技术领域：
本发明涉及兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计，本发明还涉 及微型硅加速度计的加工方法。(二) 背景技术通常加速度计是一种独立的器件，用以测量加速度。而压力传感器和温敏 元件有做在一起的器件，这样的器件既可以测量系统的压强，又可以测量环境 温度的变化，业内的学者在八五国家重点科技攻关中，申请了微型硅加速度计 项目，完成了国家规定的验收指标，并完成样管几百只。其中二梁、四梁、五梁各有样管一百多只。并于1988年8月6日申请实用新型专利"双岛-五梁结 构单块硅加速度传感器"，于腦年10月19日授权，专利号90215390.0， 证书号第61778号。并在九五国家重点科技攻关中实现了工程化。是国内最 早实现硅微型加速度传感器的单位。但至今为止尚未发现这三种器件一体化的 相关文章和产品，随着信息技术的发展，越来越需要传感器的微型化和多功能 化以及智能化，以适应通讯技术的发展。(三) 发明内容针对上述问题，本发明提供了兼有测量压强、环境温度功能的微型硅加速 度计，其具有微型化、多功能化以及智能化的优点，既可以测量系统的压强、 环境温度的变化，还可以测量加速度，适应现代通讯技术的发展，为此本发明 还提供了微型硅加速度计的加工方法。其技术方案是这样的兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计，其包括单片晶向的硅单 晶衬底1，在硅衬底1的两面覆盖有复合膜绝缘层2，硅单晶衬底1正面的二个 悬臂梁区设置四个热扩散电阻3，组成惠斯顿电桥，其特征在于与二个悬臂梁 9相连接的质量区是硅体质量块4，而在质量块4的正表面设置二氧化硅/PSG/ 多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层结构，其中顶部的多晶硅制作成四个纵向压阻效应的力敏电阻5，中间多晶硅薄膜为压力传感器的弹性膜6，而PSG以及多晶 硅弹性膜下面的磷硅玻璃层形成一个空腔11，铝内线连接四个纵向压阻效应的 力敏电阻5，组成测量压力变化的惠斯顿电桥；而在加速度计的边框上设置硼磷 区，组成一个n-p-n三极管的EB结7。其进一步特征在于复合膜绝缘层2由二氧化硅和氮化硅组成;微型硅加速 度计的热扩散电阻3的材质为热扩散制成单晶硅电阻；所述压力传感器的力敏电阻5和内引线的材质为多晶硅；加速度计的悬臂梁的力敏电阻材质为单晶硅;压力传感器的弹性膜6的材质为多晶硅。兼有测量压强、环境温度变化功能的微型硅加速度计的加工方法，其特征在于其包括以下步骤，取一片厚度为0.3微米-1毫米双面抛光晶向的单晶硅作衬底1，在衬底两 面先形成双面光刻对准记号，然后继续氧化并在衬底背面氧化出方形开口 8，用 TMAH腐蚀液腐蚀方形开口 8中硅表面，深度为5微米-10微米；在硅衬底的两面覆盖有二氧化硅和氮化硅组成的复合膜绝缘层2;采用氧化、光刻、热扩散平面工艺，在硅片正面的二个悬臂梁区形成四个热扩散P型电阻3和温敏元件n-p-n三极管的EB结7;在质量块区的正表面，形成二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层 结构，其中顶部的多晶硅用以制作四个纵向压阻效应的力敏电阻5，采用离子束 机注入硼原子，能量100Kev，剂量1.6X1015，使其成为P型电阻层；在1100度的高温氧化炉内用氮气作保护气体，对硅片进行退火处理0. 5小 时，然后通过通干氧-湿氧-干氧时间的调节，使多晶硅表面方块电阻达到80欧 姆-100欧姆左右；光刻电阻端头形成欧姆电极的引线孔区，然后在引线孔区内进行浓硼扩散， 形成欧姆接触区；光刻正表面质量块区和悬臂梁区周围的穿透区10; 背面光刻方形开口 8和质量块4; 套刻电阻端头形成欧姆电极的引线孔区；采用通过牺牲层技术，掏空多晶硅弹性膜下面的磷硅玻璃层，形成一个空 腔ll;正面蒸镀铝膜反刻形成铝内引线，同时封住腐蚀口；对衬底背面方形开口 8进行体微机械加工湿法腐蚀，当腐蚀到离表面50um 时，经处理后用DRIE干法刻蚀技术刻蚀在硅片正面质量块区和悬臂梁区周围的 出透区，与背面相通，最后形成本发明。通过上述工艺制作的本发明，质量块作加速度运动时，与质量块相连接的 二个悬臂梁区上的四个力敏电阻受到横向和纵向的压阻效应，使二个电阻变大， 二个电阻变小，造成桥路的不平衡。根据牛顿第二定律f二ma(其中f为悬臂梁 区受到质量块运动时的压应力或涨应力；m是质量块的质量大小；a是质量块作 加速运动时的加速度量值)，从而在惠斯顿电桥的输出端产生一个与加速度成正 比的电信号；而在质量块的正表面形成二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅 的多层结构，其中顶部的多晶硅用以制作四个纵向压阻效应的力敏电阻，中间 多晶硅薄膜是作为压力传感器的弹性膜，通过铝内线连接四个纵向压阻效应的 多晶硅力敏电阻，组成另一个测量压力变化的惠斯顿电桥；而由于EB结是随温 度变化的热敏元件，当环境温度升高摄氏1度时，EB结的正向压降就会降低2 毫伏，从而得到与环境温度相关的电信号输出，三种不同物理量(加速度G、压 强P、温度T)可以同时测量，实现了微型硅加速度计向微型化和多功能化以及 智能化方向发展。(四)
图1为本发明俯视的结构示意图； 图2为本发明主视的结构示意图； 图3为本发明的加工流程框图。
具体实施方式
见图1、图2、图3，本发明包括单片晶向的硅单晶衬底1，在硅衬底1的 两面覆盖有复合膜绝缘层2，复合膜绝缘层2由二氧化硅和氮化硅组成;硅单晶 衬底1正面的二个悬臂梁区设置四个热扩散电阻3，组成惠斯顿电桥，与二个悬 臂梁相连接的质量区是硅体质量块4，而在质量块4的正表面设置二氧化硅/PSG/ 多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层结构，其中顶部的多晶硅制作成四个纵向压阻 效应的力敏电阻5，中间多晶硅薄膜为压力传感器的弹性膜6，而PSG以及多晶 硅弹性膜下面的磷硅玻璃层形成一个空腔11，铝内线连接四个纵向压阻效力敏电阻5，组成测量压力变化的惠斯顿电桥；而在加速度计的边框上设置硼磷区，组成一个n-p-n三极管的EB结7。微型硅加速度计的热扩散电阻3的材质 为热扩散制成单晶硅电阻；压力传感器的力敏电阻5和内引线的材质为多晶硅; 加速度计的悬臂梁的力敏电阻材质为单晶硅；压力传感器的弹性膜6的材质为多晶硅。兼有测量压强、环境温度变化功能的微型硅加速度计的加工方法，其包括 以下步骤，取一片厚度为0.3毫米-1毫米双面抛光晶向的单晶硅作衬底1，采用常规 的氧化光刻工艺，在衬底两面先形成双面光刻对准记号，然后继续氧化并在衬 底背面氧化出方形开口 8，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口 8中硅表面，深度为5 微米-10微米；在硅衬底的两面覆盖有二氧化硅和氮化硅组成的复合膜绝缘层2;采用氧化、光刻、热扩散平面工艺，在硅片正面的二个悬臂梁区形成四个 热扩散P型电阻3和温敏元件n-p-n三极管的EB结7;在质量块区的正表面，形成二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层 结构，其中顶部的多晶硅用以制作四个纵向压阻效应的力敏电阻5，采用离子束 机注入硼原子，能量100Kev，剂量1.6X1015，使其成为P型电阻层；在1100度的高温氧化炉内用氮气作保护气体，对硅片进行退火处理0. 5小 时，然后通过通干氧-湿氧-干氧时间的调节，使多晶硅表面方块电阻达到80欧 姆-100欧姆左右；光刻电阻端头形成欧姆电极的引线孔区，然后在引线孔区内进行浓硼扩散， 形成欧姆接触区；光刻正表面质量块区和悬臂梁区周围的穿透区10;背面光刻方形开口 8和质量块4;套刻电阻端头形成欧姆电极的引线孔区；采用通过牺牲层技术，掏空多晶硅弹性膜下面的磷硅玻璃层，形成一个空 腔ll;正面蒸镀铝膜反刻形成铝内引线，同时封住腐蚀口；对衬底背面方形开口 8进行体微机械加工湿法腐蚀，当腐蚀到离表面50um时，经处理后用DRIE干法刻蚀技术刻蚀在硅片正面质量块区和悬臂梁区周围的 出透区，与背面相通。最后形成本发明。
权利要求
1、兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计，其包括单片晶向的硅单晶衬底(1)，在硅衬底(1)的两面覆盖有复合膜绝缘层(2)，硅单晶衬底(1)正面的二个悬臂梁区设置四个热扩散电阻(3)，组成惠斯顿电桥，其特征在于与二个悬臂梁相连接的质量区是硅体质量块(4)，而在质量块(4)的正表面设置二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层结构，其中顶部的多晶硅制作成四个纵向压阻效应的力敏电阻(5)，中间多晶硅薄膜为压力传感器的弹性膜(6)，而PSG以及多晶硅弹性膜下面的磷硅玻璃层形成一个空腔11，铝内线连接四个纵向压阻效应的力敏电阻(5)，组成测量压力变化的惠斯顿电桥；而在加速度计的边框上设置硼磷区，组成一个n-p-n三极管的EB结(7)。
2、 根据权利要求1所述兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计， 其特征在于复合膜绝缘层(2)由二氧化硅和氮化硅组成。
3、 根据权利要求1所述兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计， 其特征在于微型硅加速度计的热扩散电阻(3)的材质为热扩散制成单晶硅 电阻。
4、 根据权利要求1所述兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计， 其特征在于所述压力传感器的力敏电阻(5)和铝内线的材质为多晶硅。
5、 根据权利要求1所述兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计， 其特征在于加速度计的悬臂梁的力敏电阻材质为单晶硅。
6、 根据权利要求1所述兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计， 其特征在于压力传感器的弹性膜(6)的材质为多晶硅。
7、 兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计的加工方法，其特征 在于其包括以下步骤，取一片厚度为0.3毫米-1毫米双面抛光晶向的单晶硅作衬底(l)，在衬 底两面先形成双面光刻对准记号，然后继续氧化并在衬底背面氧化出方形开 口(8)，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口(8)中硅表面，深度为5微米-IO微米；在硅衬底的两面覆盖有二氧化硅和氮化硅组成的复合膜绝缘层(2); 采用氧化、光刻、热扩散平面工艺，在硅片正面的二个悬臂梁区形成四 个热扩散P型电阻(3)和温敏元件n-p-n三极管的EB结(7);在质量块区的正表面，形成二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层结构，其中顶部的多晶硅用以制作四个纵向压阻效应的力敏电阻(5)，采 用离子束机注入硼原子，能量100Kev，剂量1. 6X 1015，使其成为P型电阻层；在1100度的高温氧化炉内用氮气作保护气体，对硅片进行退火处理0. 5 小时，然后通过通干氧-湿氧-干氧时间的调节，使多晶硅表面方块电阻达到 80欧姆-100欧姆左右；光刻电阻端头形成欧姆电极的引线孔区，然后在引线孔区内进行浓硼扩 散，形成欧姆接触区；光刻正表面质量块区和悬臂梁区周围的出透区；背面光刻方形开口 (8)和质量块(4);套刻电阻端头形成欧姆电极的引线孔区；采用通过牺牲层技术，掏空多晶硅弹性膜下面的磷硅玻璃层，形成一个 空腔(11);正面蒸镀铝膜反刻形成铝内引线，同时封住腐蚀口；对衬底背面方形开口 (8)进行体微机械加工湿法腐蚀，当腐蚀到离表面 50um时，经处理后用DRIE干法刻蚀技术刻蚀在硅片正面质量块区和悬臂梁 区周围的出透区，与背面相通,最后形成本发明。
全文摘要
本发明为兼有测量压强、温度功能的微型硅加速度计。其既可以测量系统的压强、环境温度的变化，还可以测量加速度，本发明还提供了加工方法。其包括单片晶向的硅单晶衬底(1)，在硅衬底(1)的两面覆盖有复合膜绝缘层(2)，硅单晶衬底(1)正面的二个悬臂梁区设置四个热扩散电阻(3)，组成惠斯顿电桥，其特征在于与二个悬臂梁相连接的质量区是硅体质量块(4)，而在质量块(4)的正表面设置二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层结构，其中顶部的多晶硅制作成四个纵向压阻效应的力敏电阻(5)，中间多晶硅薄膜为压力传感器的弹性膜(6)，而PSG以及多晶硅弹性膜下面的磷硅玻璃层形成一个空腔11，铝内线连接四个纵向压阻效应的力敏电阻(5)，组成测量压力变化的惠斯顿电桥；而在加速度计的边框上设置硼磷区，组成一个n-p-n三极管的EB结(7)。
文档编号G01P15/12GK101329361SQ200810123700
公开日2008年12月24日 申请日期2008年5月30日 优先权日2008年5月30日
发明者沈绍群 申请人:无锡市纳微电子有限公司