一种mems横向加速度敏感芯片及其制造工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种加速度敏感芯片，该敏感芯片的制造工艺 W及带有该敏感芯片的加速度计。
【背景技术】
[0002] 现今，加速度计可适用于诸多应用，例如在测量地震的强度并收集数据、检测汽车 碰撞时的撞击强度、W及在手机及游戏机中检测出倾斜的角度和方向。而在微电子机械系 统（MEM巧技术不断进步的情况下，许多纳米级的小型加速度测量仪已经被商业化广泛采 用。
[0003] 现今的加速度敏感芯片分为两种，一种为平板式的，例如公开号为CN102768290A 的中国发明专利，平板式的加速度敏感芯片是依靠通电后上盖板、质量块和下盖板之间所 形成的平板电容来检测加速度。当外界有加速度时，质量块会应惯性向加速度的反方向相 对敏感芯片框架产生位移。该位移同时会产生质量块与上盖板W及下盖板之间的间隔距离 或者投影面积的的变化，因而产生上盖板与质量块、下盖板与质量块之间的电容变化。集成 电路会根据检测到的电容变化来计算出加速度的方向和幅度。
[0004] 另外一种为梳齿式的，例如公开号为CN1605871的中国专利申请，梳齿式加速度 敏感芯片是通过检测两个相互间隔的梳齿结构上的电容变化来检测加速度的。梳齿结构包 括设置在质量块上的活动梳齿，W及与活动梳齿相互间隔设置的固定梳齿。当质量块受加 速度活动的时候，活动梳齿会与质量块同时活动，因而跟固定梳齿之间会产生间隔距离或 者投影面积的变化，从而产生电容变化。集成电路会根据检测到的电容变化来计算出加速 度的方向和幅度。
[0005] 平板式电容加速度敏感芯片中的质量块都比较大；质量对于检测精度的影响可W 体现在：
[000引噪声等效加速度
[0007] ke为玻尔兹曼常数，T为温度，ω。为谐振频率，Q为品质因数，m为质量，由此可见， 谐振频率与Q值确定，增大质量将减小噪声影响。质量块与盖板之间形成的电容值也比较 大。其在检测加速度时的灵敏度也比较高。然而，在制造过程中，平板式电容加速度敏感芯 片的压膜阻尼比较高，需要在真空的环境下封装，送样大大地增加了封装和制造成本。相 比之下，梳齿式的加速度敏感芯片的压膜阻尼小，根据鲍敏航的书《AnalysisandDesign PrinciplesofMEMSDevices》中所述，MEMS芯片的阻尼力系数Cj^。。的计算公式为：
[0008]
[0009] L〉〉B，目=1，LWB，目=0. 42，
[0010]WlOOOumXlOOOum的电容转化为等正对面积等间距的100对500umX20um的梳 齿为例计算，阻尼力系数减小为原来的1.5%。。因此，梳齿式的加速度敏感芯片在非真空的 环境下就可w进行封装，其封装成本相对较低。但由于通常的梳齿型加速度计的制造方法 是在同一层娃片上同时放置质量块和梳齿，质量块和梳齿所占的总面积一定；因此，在质量 块大小与电容值之间存在一个权衡的关系，大的质量块必然要占据更多的面积，留给梳齿 的面积就减小，从而电容减小，反之亦然。送个权衡关系的存在使得梳齿型加速度计的质量 块通常被限制的较小；同时由于梳齿电容的极板正对面积较小，所产生的电容值也相比平 板式结构小很多，因而其检测灵敏度相比起平板式加速度敏感芯片要低。此外，梳齿结构主 要通过光刻和刻蚀的方式来制造，活动梳齿与固定梳齿所间隔的距离有一定的受刻蚀工艺 深宽比的限制，最小的间隔距离大致为2微米，而平板式敏感芯片都是靠键合工艺，其质量 块和盖板之间的间隔可W控制在1微米左右。但平板加速度计的关键工艺是键合工艺，其 精准度低于梳齿加速度计的关键工艺光刻和刻蚀。因此，平板式和梳齿式的两种敏感芯片 都有其自己的优点和缺点。
【发明内容】
[0011] 本发明所要解决的技术问题在于将上述现有技术的优点进行有机结合，并克服其 现有之不足，提供一种灵敏度、检测精准度较高，但其制造、封装成本都比较便宜的加速度 敏感芯片。
[0012] 按照本发明提供的一种MEMS加速敏感芯片，包括框架，设置在所述框架内的质量 块，W及用于连接所述框架及所述质量块的弹性梁，所述质量块上形成有多个凹陷部及第 一连接部，所述框架上形成有第二连接部，所述弹性梁连接所述第一连接部和第二连接部； 所述凹陷部上方设置有多组梳齿结构；每组所述梳齿结构包括从所述第一连接部延伸出的 活动梳齿W及从所述第二连接部延伸出的固定梳齿；所述活动梳齿与所述固定梳齿之间形 成有活动间隙，所述活动间隙形成差分检测电容。
[0013] 本发明中的MEMS横向加速度敏感芯片还包括如下附属特征：
[0014] 所述第一连接部包括多根相互平行的横向齿枢W及连接所述横向齿枢的纵向齿 枢海根所述横向齿枢的两端分别向外延伸有活动梳齿。
[0015] 所述第一连接部呈工字型，其中包括两根相互平行的横向齿枢W及连接所述横向 齿枢的一根纵向齿枢。
[0016] 所述弹性梁为弯折梁，所述弹性梁与位于四个端角的所述横向齿枢的末端相连 接。
[0017] 所述第一连接部W及所述第二连接部上淀积有金属电极。
[0018] 所述横向加速度敏感芯片通过检测所述活动梳齿侧壁与所述固定梳齿侧壁之间 的重合面积的变化引起的电容值变化来检测加速度。
[0019] 所述横向加速度敏感芯片通过检测所述活动梳齿的侧壁与所述固定梳齿的侧壁 的间距变化引起的电容值变化来检测加速度。
[0020] 所述第一连接部、第二连接部、弹性梁W及所述梳齿结构形成于第一娃层内，所述 框架及所述质量块形成于第二娃层内，所述第一娃层与第二娃层之间间隔有二氧化娃层。
[0021] 所述横向加速度敏感芯片采用绝缘体上外延娃（SOI)结构，包括上娃层及下娃 层；所述第一连接部、第二连接部、弹性梁W及所述梳齿结构形成于所述上娃层；所述框架 及所述质量块形成于所述下娃层；所述上娃层和所述下娃层之间设置有二氧化娃层。
[0022] 所述第一连接部、所述第二连接部、所述弹性梁W及所述梳齿结构形成于所述上 娃层，所述框架及所述质量块形成于所述下娃层。
[0023] 所述横向加速度敏感芯片包括绝缘体上外延娃娃片W及键合在所述绝缘体上外 延娃娃片表面上的娃片，所述娃片与所述绝缘体上外延娃娃片的键合表面上形成有二氧化 娃层；所述绝缘体上外延娃娃片包括上娃层、下娃层W及氧化埋层；所述第一连接部、所述 第二连接部、所述弹性梁W及所述梳齿结构形成于所述下娃层，所述框架及所述质量块形 成于所述娃片上。
[0024] -种加速度计，包括上盖板、下盖板W及横向加速度敏感芯片，其中，所述加速敏 感芯片，包括框架，设置在所述框架内的质量块，W及用于连接所述框架及所述质量块的弹 性梁，所述质量块上形成有多个凹陷部及第一连接部，所述框架上形成有第二连接部，所述 弹性梁连接所述第一连接部和第二连接部；所述凹陷部内设置有多组梳齿结构；每组所述 梳齿结构包括从所述第一连接部延伸出的活动梳齿W及与所述活动梳齿相间隔设置的固 定梳齿；所述固定梳齿与所述第二连接部相连接，所述活动梳齿与所述固定梳齿之间形成 有活动间隙，所述活动间隙形成差分检测电容。
[0025] 一种MEMS横向加速度敏感芯片的制造工艺，所述制造工艺包括W下步骤：
[0026] 第一步，通过光刻和深度刻蚀，在第一娃片的底面上形成多个孔，形成弹性梁、第 一连接部、束-连接部W及梳齿结构；
[0027] 第二步，通过光刻和深度刻蚀，在第二娃片的顶面上形成多个凹坑，形成凹陷部；
[0028] 第Η步，在所述第二娃片的表面生长或者淀积一层二氧化娃层；
[0029] 第四步，将所述第一娃片的底面与所述第二娃片的顶面进行键合；
[0030] 第五步，通过光刻和刻蚀，将所述第二娃片的底面的部分二氧化娃层去除；
[0031] 第六步，在所述第二娃片的底面上淀积氮化娃层；
[0032] 第走步，通过光刻和刻蚀，去除部分所述氮化娃层，暴露出部分所述第二娃片的底 面；
[0033] 第八步，对暴露在外的第二娃片的底面进行深度刻蚀至一定深度；同时将第一娃 片被减薄一定厚度。
[0034] 第九步，将所述氮化娃层去除；
[0035] 第十步，对所述第二娃片的底面进行深度刻蚀直至所述第二娃片顶面的二氧化娃 层，形成框架和质量块；
[0036] 第十一步，通过刻蚀，将暴露在外的所述二氧化娃层去除，深娃深度刻蚀，形成自 由的完整的横向加速度敏感芯片；
[0037] 第十二步，在所述第一娃片上淀积金属，并引出电极。
[003引一种MEMS横向加速度敏感芯片的制造工艺，所述制造工艺包括W下步骤：
[0039] 第一步，在绝缘体上外延娃娃片的顶面和底面上生长或淀积出二氧化娃层；
[0040] 第二步，通过光刻和刻蚀，在所述绝缘体上外延娃娃片的顶面上的所述二氧化娃 层上刻蚀出多个深至上娃层的孔，并在所述绝缘体上外延娃娃片的底面刻蚀出深至下娃层 的凹坑；
[0041] 第Η步，在所述绝缘体上外延娃娃片的顶面和底面上淀积氮化娃；
[0042] 第四步，通过光刻和刻蚀，将所述底面上的部分氮化娃层去除，并露出所述下娃 层；
[0043] 第五步，通过深度刻蚀，将所述下娃层刻蚀至一定深度；
[0044] 第六步，通过刻蚀，将淀积在所述底面的氮化娃去除；
[0045] 第走步，进一步刻蚀质量块，形成所述质量块与框架之间的高度差。