专利名称：一种压阻式mems加速度计的制作方法
技术领域：
本发明属于微机械电子技术领域，具体是一种基于SOI的高量程压阻式MEMS加速度计。
背景技术：
基于硅微机械加工技术制作的加速度计具有体积小、重量轻、能耗低、集成度高和批量制作带来的成本低等优点，现已经应用在如汽车、冲击测试、消费类电子产品、地震波检测、军用惯性技术导航等领域。爆炸、冲击测试以及一些非常特殊的应用，需要检测的加速度可以高达几万g甚至几十万g，要求加速度计不仅具有高的灵敏度，还要具有高的谐振频率和较大的带宽，从而可以快速准确地响应被测冲击加速度。其中压阻式高量程加速度计具有结构简单，芯片制作相对容易；线性度高，接口电路易于实现，易于与外围电路连接，动态性能好等优点在冲击环境的加速度测量领域得到了广泛的应用。由于压阻式高量程加速度计其悬臂梁厚度直接决定了该加速度计的灵敏度、谐振频率等相关参数，利用单晶硅作为圆片，通过干法刻蚀硅时，其刻蚀深度圆片内误差较大，使得圆片内不同位置的单芯片悬臂梁厚度有所偏差，导致加速度计的生产一致性无法得到保证，且圆片片间误差也比较大，进一步增加了单芯片性能误差。利用SOI技术可以解决上述难点，SOI (SiIicon-On-Insulator,绝缘衬底上的娃)技术是在顶层娃和衬底娃之间引入了一层绝缘埋层。用SOI材料作为MEMS的加工基片，通过干法硅刻蚀工艺实现敏感结构。SOI技术以其独特的结构克服了体微机械加工技术工艺可靠性和重复性较差的缺点，并利用中间绝缘埋层良好的电隔离特性，充分发挥了硅集成技术的优势，降低了器件功耗、减小了加工误差、简化了加工工艺，同时也减小了器件尺寸。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有压阻式加速度计不能同时满足灵敏度高、谐振频率高的问题，同时解决了现有压阻式加速度计交叉轴灵敏度大以及加工工艺的一致性不好等问题，设计的一种基于SOI的压阻式高量程加速度计。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下
一种压阻式MEMS加速度计，其特征在于它由第一质量块、第二质量块以及玻璃衬底通过键合工艺连接组成，第一质量块上表面设有埋氧层，埋氧层上表面设有顶层硅，第一质量块中设有悬臂梁深孔，悬臂梁深孔与顶层硅配合形成悬臂梁，顶层硅上悬臂梁的位置制有相应的压敏电阻及相连的铝引线，第二质量块与玻璃衬底之间设有浅腔，第二质量块中制有加强链深腔，加强链深腔底部形成加强链，第二质量块下部浅腔位置设有一对过载保护块。本发明提供的一种压阻式MEMS加速度计，当Z轴向有加速度时，第一、二质量块敏 感结构的质量块受力，引起悬臂梁发生弯曲变形，使得悬臂梁末端的压敏电阻产生应变，从而压敏电阻的阻值发生变化，最后通过压敏电阻构成的惠斯通电桥输出信号，即能检测到Z轴向的加速度。该SOI压阻式高量程加速度计采用SOI硅片和单晶硅为主材料进行加工。该SOI压阻式高量程加速度计结构从工艺上可分为三层衬底层，中间结构层和盖帽层。悬臂梁、加强梁、质量块、压敏电阻构成中间结构层；衬底层构成冲击底面；盖帽层实现冲击结构的保护。该SOI压阻式高量程加速度计的制造工艺为首先制作悬臂梁质量块结构，接着制作加强链质量块结构，随后采用硅硅键合将悬臂梁质量块结构和加强链质量块结构键合于一体形成中间结构层；在中间结构的悬臂梁末端制作压敏电阻；通过硅玻静电键合把结构层和衬底键合在一起；盖帽层背面刻蚀出空腔；采用苯并环丁烯(BCB)键合完成结构层和盖帽层的圆片封装；刻蚀盖帽层正面，露出电极。本发明与现有的高量程加速度计技术相比具有如下优点·
(I)本发明有效的将梁-岛式结构与加强链式结构结合在一起，实现了较高的灵敏度与较高的固有频率。(2)本发明中加强链式结构有效的提高了加速度计的抗冲击能力，避免了恶劣环境下加速度计的失效问题，并能够承受更高的横向加速度，降低了交叉轴灵敏度，进一步提高了加速度计性能。(3)本发明结构简单，采用SOI硅片与单晶硅片材料，提高了加速度计产品的一致性和可靠性；加工工艺比较简单，全部利用公知的MEMS工艺技术加工，适合大批量生产。
图I为本发明的剖面结构示意 图2为图I的俯视图，省略了铝引线3 ;
图3为A-A首I]视 图4为本发明的制造工艺流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构和制造工艺做进一步的说明。(一)SOI压阻式高量程加速度计结构
参照图I、图2及图3，本发明由第一质量块4、第二质量块6以及玻璃衬底10通过键合工艺连接组成，第一质量块4上表面设有埋氧层(sio2绝缘层)1，埋氧层I上表面设有顶层硅5，第一质量块4中设有浅腔4b和相连的悬臂梁深孔4c，结合图2所示，悬臂梁深孔4c与顶层硅5配合形成悬臂梁9，顶层硅5上悬臂梁深孔4c位置的悬臂梁9上制有相应的压敏电阻2及相连的铝引线3。第二质量块6与玻璃衬底10之间设有浅腔6a，第二质量块6中制有加强链深腔6b，结合图3所示，加强链深腔底部区域形成加强链8，第二质量块6下部浅腔6a位置设有一对过载保护块7。所述质量块4、悬臂梁9组成的第一层结构与所述质量块6与加强链8组成的第二层结构通过熔融键合形成中间敏感结构，如图2所示，悬臂梁末端分布有压敏电阻2，用来组成惠斯通电桥。当Z轴向有加速度时，组成中间敏感结构层的质量块4、悬臂梁9与质量块6、加强链8受力，引起悬臂梁9与加强链8发生弯曲变形，使得悬臂梁末端的压敏电阻2产生应变，从而压敏电阻2的阻值发生变化，最后通过压敏电阻2构成的惠斯通电桥输出信号，即能检测到Z轴向的加速度。本发明的结构中，第一层为悬臂梁和第一质量块的敏感结构，第二层为加强链和第二质量结构块用来提高谐振频率，利用硅硅键合将第一层悬臂梁和第一质量块结构与第二层加强链和第二质量块结构经对准后键合于一体，形成中间硅基敏感结构。所述的中间硅基敏感结构第一层有四条悬臂梁9，中间为质量块5，与悬臂梁9等宽，且悬臂梁9末端分布有构成惠斯通电桥的压敏电阻2。第二层为加强层形状与第一层相同，与第一层相同位置分别设有悬臂的加强链8，中间同样也是质量块6。(二)压阻式MEMS加速度计的制造工艺 图4中图(a) —图(g)为压阻式MEMS加速度计的主要工艺过程，具体说明为
I、如图4 (a) - (c)所示的是中间敏感结构层第一层制作将SOI硅片4氧化形成埋氧层1，硅硅键合顶层硅5，光刻硅片4浅腔图形4a，BOE打开腐蚀窗口，利用KOH溶液腐蚀形成浅腔4b，接着继续光刻悬臂梁深孔4c的图形，利用ICP刻蚀至埋氧层1，形成悬臂梁9结构的第一质量块4。2、如图4 (d) — (f)所示的是中间敏感结构第二层制作将双面抛光的单晶硅6氧化，反面光刻浅腔图形6a、B0E打开腐蚀窗口、K0H腐蚀形成加强链深腔6b，正面光刻加强链8图形，利用ICP刻蚀形成加强链8结构的第二质量块6。将第二质量块6氧化，反面光刻过载保护块图形，BOE去除过载保护块7之外的氧化层，接着去除过载保护块7之上的光刻胶，在光刻胶保护之下的氧化层即为过载保护块7。3、如图4 (g)所示的是整体中间敏感结构制作将前面所述(a) —(C)制作的中间敏感结构层第一层与(d) — (f)中间敏感结构第二层通过熔融键合形成整体中间敏感结构。4、如图I所示的是最终结构制作在第一质量块4的顶层硅5表面悬臂梁9的位置光刻电阻图形，制作压敏电阻2与铝引线3，将整体敏感结构氧化，在顶层硅表面光刻压敏电阻2，在顶层硅表面通过离子注入形成压敏电阻2，接着光刻引线孔，经离子注入形成引线孔，接着在顶层硅表面溅铝，光刻铝引线，经铝腐蚀形成铝引线3，接着与玻璃衬底10进行娃玻键合，形成最终结构。
权利要求
1.一种压阻式MEMS加速度计，其特征在于它由第一质量块(4)、第二质量块(6)以及玻璃衬底(10)通过键合工艺连接组成，第一质量块(4)上表面设有埋氧层(I )，埋氧层(I)上表面设有顶层硅(5 )，第一质量块(4)中设有悬臂梁深孔(4c )，悬臂梁深孔(4c )与顶层硅(5)配合形成悬臂梁(9)，顶层硅(5)上悬臂梁(9)的位置制有相应的压敏电阻(2)及相连的铝引线(3)，第二质量块(6)与玻璃衬底(10)之间设有浅腔(6a)，第二质量块(6)中制有加强链深腔(6b)，加强链深腔底部形成加强链(8)。
2.根据权利要求I所示的一种压阻式MEMS加速度计，其特征在于第二质量块(6)下部浅腔(6a)位置设有一对过载保护块(7)。
全文摘要
本发明一种压阻式MEMS加速度计，其特征在于它由第一质量块(4)、第二质量块(6)以及玻璃衬底(10)通过键合连接组成，第一质量块(4)中设有悬臂梁(9)，悬臂梁上制有压敏电阻(2)及铝引线(3)，第二质量块(6)设有加强链(8)。本发明具有如下优点将梁-岛式结构与加强链式结构结合在一起，实现了较高的灵敏度与较高的固有频率；加强链式结构有效的提高了加速度计的抗冲击能力，避免了恶劣环境下加速度计的失效问题，并能够承受更高的横向加速度，降低了交叉轴灵敏度，进一步提高了加速度计性能。
文档编号G01P15/12GK102967729SQ20121034408
公开日2013年3月13日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者王鹏, 郭群英, 汪祖民, 何凯旋, 陈博, 陈璞, 王文婧, 黄斌, 徐栋, 吕东锋 申请人:华东光电集成器件研究所