一种mems叉梁电容式加速度计及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种MEMS叉梁电容式加速度计及其制造方法，该加速度计采用玻璃-硅-玻璃三层结构，包括依次设置的第一玻璃层、硅层和第二玻璃层，其中硅层包括矩形外框、悬臂梁、叉梁、质量块、硅岛和硅层电极引出区域，两根叉梁设置在两根悬臂梁中间，且两根叉梁位于两根悬臂梁、质量块、矩形外框围成的矩形框的对角线位置，每个叉梁均与矩形外框、两个悬臂梁和质量块连接，本发明通过对加速度计中的硅层结构进行创新设计，使得加速度计工作模态的频率与相邻模态频率相差十倍以上，有效抑制了交叉干扰，并降低尺寸误差，使器件整体性大大提高，此外本发明等厚的设计只需一次刻蚀就制作出硅层的敏感结构，大大降低了工艺难度，简化了工艺步骤。
【专利说明】一种MEMS叉梁电容式加速度计及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)器件及其制造技术，尤其涉及一种MEMS叉梁电容式加速度计及其制作方法。
【背景技术】
[0002]加速度计是用来测量加速度的仪器，在航天、制导、航海以及汽车等领域具有重要的应用价值。随着微机电MEMS产业的兴起，加速度计逐渐向微型化、集成化方向发展。由于加速度计具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、易批量生产等优点，因此具有广泛的军事和民用前景。其中电容式加速度计具有温度系数小、稳定性好、灵敏度高、可以通过静电回复力工作在力平衡模式等优点。电容式加速度计的工作原理是通过检测电容间隙变化引起的电容变化来确定加速度。
[0003]采用硅工艺加工的微加速度计在结构形式上主要有叉指式、扭摆式和三明治式。叉指式硅微加速度计按照加工工艺可以分为表面加工叉指式硅微加速度计和体硅加工叉指式硅微加速度计。表面加工叉指式结构的测量电容小，限制了叉指式硅微加速度计的分辨率和精度的提高。体硅加工叉指式硅微加速度计非敏感轴灵敏度难以抑制，结构电容输出值小。扭摆式硅微加速度计又称“跷跷板”式微加速度计，由于质量片分别位于支承扭梁两边的质量和惯性矩不相等，所以当存在垂直于质量片的加速度输入时，质量片绕着支承梁扭转，从而电容大小发生变化，通过检测差分电容即可检测敏感轴输入的加速度。“三明治”电容式加速度计又称作悬臂梁式硅微加速度计，其结构是从石英挠性摆式加速度计结构借鉴延续下来，夹在中间的敏感质量摆片与镀在上下两边玻璃上的检测电极形成一对差动电容，敏感输入加速度的大小。“三明治”电容式加速度计结构电容值大，精度相对较高。传统的“三明治”加速度计在结构方面存在的问题是工作模态与相邻模态的交叉干扰，即干扰信号很容易使加速度计偏离工作模态。制作工艺中存在的问题是为了得到位于结构层中间的梁需要多次刻蚀不同的深度，工艺难度较高且一致性较差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种MEMS叉梁电容式加速度计，通过对加速度计中的硅层结构进行创新设计，使得加速度计工作模态的频率与相邻模态频率相差十倍以上，有效的抑制了交叉干扰，并降低了尺寸误差，使器件整体性大大提闻。
[0005]本发明的另外一个目的在于提供一种MEMS叉梁电容式加速度计的制作方法，由于硅层结构中的悬臂梁、叉梁与质量块等厚，只需一次刻蚀就可制作出硅层的敏感结构，大大降低了工艺难度。
[0006]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
[0007]一种MEMS叉梁电容式加速度计，采用玻璃-硅-玻璃三层结构，包括依次设置的第一玻璃层、娃层和第二玻璃层，第一玻璃层包括第一玻璃基底、在第一玻璃基底的一个面上形成的第一槽、在第一槽的表面上形成的第一玻璃层金属电极、通孔，第二玻璃层包括第二玻璃基底、在第二玻璃基底的一个面上形成的第二槽、在第二槽的表面上形成的第二玻璃层金属电极，所述硅层包括矩形外框、悬臂梁、叉梁、质量块、硅岛和硅层电极引出区域，所述叉梁设置在两根悬臂梁中间，且两根叉梁位于两根悬臂梁、质量块、矩形外框围成的矩形框的对角线位置，且每根叉梁均与矩形外框、两根悬臂梁和质量块连接；所述硅岛形成在矩形外框内部，并与悬臂梁和叉梁通过间隙隔开，硅岛分别与第一玻璃层金属电极和第二玻璃层金属电极接触，硅层电极引出区域通过与矩形外框相连实现与质量块的同电位，通过所述通孔分别将第一玻璃层金属电极、第二玻璃层金属电极和硅层电极弓I出区域弓I出。
[0008]在上述MEMS叉梁电容式加速度计中，硅层上还包括防撞块，防撞块形成在质量块的上下表面，当加速度计工作时起防静电吸附和限位保护作用。
[0009]在上述MEMS叉梁电容式加速度计中，矩形外框、悬臂梁、叉梁和质量块的厚度相同。
[0010]在上述MEMS叉梁电容式加速度计中，第一悬臂梁的一端与矩形外框和第一叉梁相连，另一端与质量块和第二叉梁相连；第二悬臂梁的一端与矩形外框和第二叉梁相连，另一端与质量块和第一叉梁相连。
[0011]在上述MEMS叉梁电容式加速度计中，硅岛的形状为方形、圆形或三角形。
[0012]一种MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法，包括以下步骤:
[0013]步骤(一)、形成第一玻璃层，具体方法为:
[0014]在第一玻璃上形成第一槽、多个通孔，然后在第一槽上形成第一玻璃层金属电极；
[0015]步骤(二)、形成第二玻璃层，具体方法为:
[0016]在第二玻璃上形成第二槽，然后在第二槽上形成第二玻璃层金属电极；
[0017]步骤(三)、第一次玻璃-硅键合，具体方法为:
[0018]将第二玻璃层、硅层在真空条件下进行键合；
[0019]步骤(四)、形成硅结构层，具体方法为:
[0020]在硅层上形成矩形外框、质量块、悬臂梁、叉梁、硅岛和硅层电极引出区域；
[0021]步骤(五)、第二次玻璃-硅键合，具体方法为:
[0022]将第一次键合后的硅玻璃键合片与第一玻璃层在真空条件下进行键合，形成三层键合片，即形成圆片级真空气密性封装的MEMS加速度计。
[0023]在上述MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法中，步骤(三)中第二玻璃层与硅层键合之前，首先在硅层上形成多个防撞块。
[0024]在上述MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法中，步骤(五)形成三层键合片后，在三层键合片的通孔中进行金属焊点制作。
[0025]在上述MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法中，步骤(一)、(二)中均采用微加工工艺形成第一玻璃层或第二玻璃层，所述微加工工艺为湿法腐蚀工艺、干法刻蚀工艺、喷砂工艺、激光工艺或者淀积工艺。
[0026]在上述MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法中，步骤(三)中第一次玻璃-硅键合和步骤(五)中第二次玻璃-硅键合，为玻璃-硅直接键合或者为玻璃-金属-硅键合。
[0027]本发明与现有技术相比，具有如下优点:[0028](I)、本发明对加速度计中的硅层结构进行了创新设计，通过设计支撑梁为悬臂梁和叉梁结合的结构，限制了质量块在XOY平面内的运动，使加速度计的工作模态频率即沿Z轴上下运动的频率与相邻模态频率即XOY平面内的运动的频率相差10倍以上，有效的抑制了工作模态与相邻模态的交叉干扰；
[0029](2)、本发明对加速度计中的硅层结构进行了创新设计，采用矩形外框、悬臂梁、叉梁和质量块等厚的结构设计，使悬臂梁厚度的一致性不受限于制作工艺，确保了悬臂梁厚度的质量，使器件整体性能有了提高；
[0030](3)、由于电容式加速度计检测的是电容的变化量Λ C，根据理论推导可知AC与梁的厚度三次方成反比；AC与悬臂梁长度L的三次方成正比；虽然悬臂梁厚度和长度对Λ C的影响都是三次方的关系，但悬臂梁的长度比厚度大两个数量级左右，悬臂梁厚度的偏差主要由制作工艺决定；本发明采用等厚设计避免了由制作工艺导致的敏感结构关键参数悬臂梁厚度的尺寸误差。使悬臂梁的厚度和材料厚度一致，使器件整体性大大提高；
[0031](4)、本发明硅敏感结构层等厚的设计只需一次刻蚀就可得到可动结构，制作出硅层的敏感结构，解决了传统多次刻蚀问题，大大降低了工艺难度，简化了工艺步骤；此外设计出的硅岛结构和玻璃通孔结构，能够将上、下玻璃金属电极与硅电极在硅的同一面引出，解决了三个电极不在同一面引出的封装难题；
[0032]( 5 )、本发明采用的圆片级玻璃-硅-玻璃三层真空键合工艺，工艺简单，适合批量生产，具有较强的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1A、1B、1C分别为本发明加速度计中硅层的俯视图、剖面图1和剖面图2。
[0034]图2A、2B、2C分别为本发明加速度计中第一玻璃层的俯视图、剖视图1和剖面图2。
[0035]图3A、3B、3C分别为本发明加速度计中第二玻璃层的俯视图、剖视图1和剖面图2。
[0036]图4为本发明加速度计三层结构的剖视图。
[0037]图5为本发明制作的MEMS叉梁电容式加速度计过通孔206的剖视图。
[0038]图6为本发明制作的MEMS叉梁电容式加速度计过通孔207的剖视图。
[0039]图7为本发明硅结构层和第二玻璃层键合后的两层键合片的剖视图。
[0040]图8为本发明制作出可动结构的两层键合片通过叉梁中心的剖视图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0042]如图1所示为本发明的MEMS叉梁电容式加速度计硅层结构示意图，其中图1A、1B、IC分别为俯视图、剖面图1 (沿叉梁104或105剖开)和剖面图2 (沿悬臂梁102剖开)，硅层I包括矩形外框101、悬臂梁102和103、叉梁104和105、硅岛106和108、硅层电极引出区域107、质量块109、防撞块110。两根悬臂梁102、103形成在矩形外框101的内部，叉梁104、105设置在两根悬臂梁102、103中间，且两个叉梁104、105位于两根悬臂梁102、103、质量块109、矩形外框101围成的矩形框的对角线位置，具体为:第一悬臂梁102 —端与矩形外框101和第一叉梁104相连，另一端与质量块109和第二叉梁105相连，第二悬臂梁103 一端与矩形外框101和第二叉梁105相连，另一端与质量块109和第一叉梁104相连。质量块109形成在矩形外框101的内部，一端与悬臂梁102、103和叉梁104、105相连，质量块109的其它端与矩形外框101间隔开。由于采用低阻硅，质量块109的上下表面分别为上下电容的硅电极。硅岛106、108形成在矩形外框101的内部，并与悬臂梁102、103和叉梁104、105间隔开。硅层电极引出区域107与矩形外框101相连，也可设置在与矩形外框101相连的其它区域，实现与质量块109的同电位。防撞块110形成在质量块109的上下表面，位置可以在质量块109的边缘也可以在其它地方，防撞块110的数目可以是3也可以是其它，厚度根据玻璃浅槽深度调整，防撞快110用于当加速度传感器工作时起防静电吸附和限位保护作用。矩形框架101为双面抛光硅片。
[0043]如图2所示为本发明加速度计中第一玻璃层的结构示意图，其中图2A、2B、2C分别为俯视图、剖面图1 (沿玻璃区域203过通孔207剖开)和剖面图2 (沿玻璃区域202过通孔206剖开)，包括第一玻璃基底201、通孔206对应的玻璃区域202、通孔207对应的玻璃区域203、通孔208对应的玻璃区域204、在玻璃基底201的一个面上形成的第一槽209、在第一槽209上形成的第一玻璃层金属电极205。第一玻璃层金属电极205通过通孔206引出、硅层电极引出区域107通过通孔207引出、另一层玻璃电极(第二玻璃层金属电极302)通过通孔208引出。其中通孔206的位置与硅岛106的位置对应，通孔207的位置与硅层电极引出区域107的位置对应。通孔208的位置与硅岛108的位置对应。电极引出的通孔可以在其它位置，优选图示位置。
[0044]如图3所示为本发明加速度计中第二玻璃层的结构示意图，其中图3A、3B、3C分别为俯视图、剖面图1 (沿玻璃区域306剖开)和剖面图2 (沿玻璃区域305剖开)，包括第二玻璃基底301、在第二玻璃基底301的一个面上形成的第二槽303，在第二槽303上形成的金属电极302、与通孔206对应的玻璃区域304、与通孔207对应的玻璃区域305、与通孔208对应的玻璃区域306。
[0045]如图5和图6所示为本发明的MEMS叉梁电容式加速度计结构示意图，其中图5为过通孔206的剖视图，图6为过通孔207的剖视图，包括依次放置的第一玻璃层2、硅层I和第二玻璃层3。质量块109位于第一玻璃基底201和第二玻璃基底301形成的密闭空腔内。第一玻璃层金属电极205的位置与娃质量块109的位置相对应,第一玻璃层金属电极205延伸至与第一娃岛106接触。第二玻璃层金属电极302的位置与娃质量块109的位置相对应，第二玻璃层金属电极302延伸至与第二硅岛108接触。第一玻璃层金属电极205引出通孔206位于娃岛106的上方,第二玻璃层金属电极302引出通孔208位于娃岛108的上方。通孔206位于玻璃区域202，通孔207位于玻璃区域203，通孔208位于玻璃区域204。第一焊点401形成在第一硅岛106上，并与硅导通；第二焊点402形成在硅框架与通孔207对应的位置，并与硅导通；第三焊点形成在第二硅岛108上，并与硅导通(由于通孔206与通孔208对称,未给出过通孔208的剖视图)。通过第一娃岛106和第二娃岛108实现金属电极205、302与焊点401、403的连接；通过通孔206、208可以将金属电极205、302从第一玻璃层3的上表面引出；通过通孔207将硅电极从第一玻璃层2的上表面引出，由此实现金属电极205、302和娃层电极在同一面引出。
[0046]本发明加速度计的工作原理为:当质量块109受到Z向的加速度作用时，悬臂梁102、103和叉梁104、105发生形变，使质量块109位移发生变化，由玻璃浅槽中制作的金属电极形成的电容发生变化，通过检测电容的变化量可得到Z向输入的加速度的大小。[0047]本发明MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法，包括以下步骤:
[0048]第一步,形成第一玻璃层2
[0049]参考附图2A、2B和2C，利用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺或者喷砂工艺或者激光工艺在玻璃上依次制作出通孔206、通孔207、通孔208、第一浅槽209，形成第一玻璃基底201 ;利用蒸发或溅射等金属薄膜工艺在玻璃基底形成第一浅槽209的表面上形成金属薄膜，然后再利用光刻和刻蚀工艺在第一浅槽209上制作出第一层玻璃金属电极205,金属可以是金、钛、钨、钼、铬、银、铝、钥、铜、镍中的一种或几种；第一浅槽209的深度为Iym至8 μ m，第一层玻璃金属电极205的厚度为800埃至2 μ m。
[0050]第二步，形成第二玻璃层3
[0051]参考附图3A、3B和3C，利用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺或者喷砂工艺在玻璃上制作出第二浅槽303，形成第二玻璃基底301 ;利用蒸发或溅射等金属薄膜工艺在玻璃形成第二浅槽303的表面上形成金属薄膜，然后再利用光刻和刻蚀工艺在第二浅槽303上制作出第二玻璃层金属电极302，金属电极的材料可以是金、钛、钨、钼、铬、银、铝、钥、铜、镍中的一种或几种。第二浅槽303的深度为I μ m至8 μ m，并与第一浅槽209深度一致，第二玻璃层金属电极302的厚度为800埃至2 μ m,并与第一玻璃层金属电极205 —致。
[0052]第三步，形成防撞块110
[0053]在双面抛光硅片上采用淀积的方式形成防撞块110，防撞块110的材料可以是氧化硅、氮化硅、多晶硅等薄膜材料。
[0054]第四步，参考附图7，将双面抛光硅片与第二玻璃层3在真空(IOOmBar到lE-6mBar)环境中进行键合,形成两层键合片；
[0055]第五步，参考附图8，在双面抛光硅片与第二玻璃层3形成的键合片上，利用干法刻蚀工艺在双面抛光硅片上通过一次刻蚀制造出悬臂梁102和103、叉梁104和105、质量块109、娃岛106和108、娃层电极引出区域107。娃岛结构用于将玻璃上的金属膜与娃层形成电连接，硅岛形状可以是方形、圆形或三角形等；
[0056]第六步，参考附图4,将双面抛光娃片与第一玻璃层I形成的键合片与第一玻璃层2在真空(IOOmBar到lE_6mBar)环境中进行键合,形成三层键合片。
[0057]第七步，参考附图5和6，采用蒸发工艺或者溅射工艺等金属薄膜工艺在第一玻璃层2的通孔区域206、207、208处进行焊点的制作，焊点选用金属材料，金属可以是金、钛、鹤、怕、络、银、招、钥、铜、和镇中的一种或几种，金属厚度I P m至10 μ m。
[0058]上述第四步与第六步中的键合工艺条件可以是玻璃-硅直接键合也可以是玻璃-金属-硅键合，如果采用玻璃-金属-硅键合方式，还需制作金属键合接触区。
[0059]本发明使加速度计的工作模态频率即沿Z轴上下运动的频率与相邻模态频率即XOY平面内的运动的频率相差10倍以上，有效的抑制了工作模态与相邻模态的交叉干扰；
[0060]以上所述，仅为本发明最佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0061]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.一种MEMS叉梁电容式加速度计，采用玻璃-硅-玻璃三层结构，包括依次设置的第一玻璃层(2)、硅层(I)和第二玻璃层(3)，第一玻璃层(2)包括第一玻璃基底(201 )、在第一玻璃基底(201)的一个面上形成的第一槽(209)、在第一槽(209)的表面上形成的第一玻璃层金属电极(205)、通孔(206、208、207)，第二玻璃层(3)包括第二玻璃基底(301)、在第二玻璃基底(301)的一个面上形成的第二槽(303)、在第二槽(303)的表面上形成的第二玻璃层金属电极(302)，其特征在于:所述硅层(I)包括矩形外框(101)、悬臂梁(102、103)、叉梁(104、105)、质量块(109)、硅岛(106、108)和硅层电极引出区域(107)，所述叉梁(104、105)设置在两根悬臂梁(102、103)中间，且两根叉梁(104、105)位于两根悬臂梁(102、103)、质量块(109)、矩形外框(101)围成的矩形框的对角线位置，且每根叉梁均与矩形外框(101)、两根悬臂梁(102、103)和质量块(109)连接；所述硅岛(106、108)形成在矩形外框(101)内部，并与悬臂梁(102、103)和叉梁(104、105)通过间隙隔开，硅岛(106、108)分别与第一玻璃层金属电极(205 )和第二玻璃层金属电极(302 )接触，硅层电极引出区域(107 )通过与矩形外框(101)相连实现与质量块(109 )的同电位，通过所述通孔(206、208、207 )分别将第一玻璃层金属电极(205)、第二玻璃层金属电极(302)和娃层电极引出区域(107)引出。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS叉梁电容式加速度计，其特征在于:所述硅层(I)上还包括防撞块(110)，防撞块(110)形成在质量块(109)的上下表面，当加速度计工作时起防静电吸附和限位保护作用。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS叉梁电容式加速度计，其特征在于:所述矩形外框(101)、悬臂梁(102、103)、叉梁(104、105)和质量块(109)的厚度相同。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS叉梁电容式加速度计，其特征在于:所述第一悬臂梁(102)的一端与矩形外框(101)和第一叉梁(104)相连，另一端与质量块(109)和第二叉梁(105)相连；第二悬臂梁(103)的一端与矩形外框(101)和第二叉梁(105)相连，另一端与质量块(109)和第一叉梁(104)相连。
5.根据权利要求1所述 的一种MEMS叉梁电容式加速度计，其特征在于:所述硅岛(106,108)的形状为方形、圆形或三角形。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤(一)、形成第一玻璃层(2)，具体方法为: 在第一玻璃上形成第一槽(209)、通孔(206、208、207)，然后在第一槽(209)上形成第一玻璃层金属电极(205)； 步骤(二)、形成第二玻璃层(3)，具体方法为: 在第二玻璃上形成第二槽(303)，然后在第二槽(303)上形成第二玻璃层金属电极(302)； 步骤(三)、第一次玻璃-硅键合，具体方法为: 将第二玻璃层(3)、硅层(I)在真空条件下进行键合； 步骤(四)、形成硅结构层，具体方法为: 在硅层(I)上形成矩形外框(101)、质量块(109)、悬臂梁(102、103)、叉梁(104、105)、硅岛(106、108)和硅层电极引出区域(107)； 步骤(五)、第二次玻璃-硅键合，具体方法为:将第一次键合后的硅玻璃键合片与第一玻璃层(2)在真空条件下进行键合，形成三层键合片，即形成圆片级真空气密性封装的MEMS加速度计。
7.根据权利要求6所述的一种MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法，其特征在于，所述步骤(三)中第二玻璃层(3)与硅层(I)键合之前，首先在硅层(1)上形成多个防撞块(110)。
8.根据权利要求6所述的一种MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法，其特征在于，所述步骤(五)形成三层键合片后，在三层键合片的通孔(206、208、207 )中进行金属焊点制作。
9.根据权利要求6所述的一种MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法，其特征在于，所述步骤(一)、(二)中均采用微加工工艺形成第一玻璃层(2)或第二玻璃层(3)，所述微加工工艺为湿法腐蚀工艺、干法刻蚀工艺、喷砂工艺、激光工艺或者淀积工艺。
10.根据权利要求6所述的一种MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法，其特征在于，所述步骤(三)中第一次玻璃-硅键合和步骤(五)中第二次玻璃-硅键合，为玻璃-硅直接键合或者为玻璃-金属-硅键合。
【文档编号】B81C1/00GK103472260SQ201310355991
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月15日 优先权日:2013年8月15日
【发明者】孟美玉, 张富强, 杨静, 李光北 申请人:北京时代民芯科技有限公司, 北京微电子技术研究所