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

文档序号:5839710来源:国知局
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
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