专利名称：三维集成微机械加速度传感器及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三维集成的高量程微机械加速度传感器及其制作方法，属于硅微机械传感器技术领域。
背景技术：
随着微机械系统(MEMS)传感器技术的发展，各种MEMS传感器倍受人们的关注，其中微机械加速度传感器已被广泛应用于不同领域，如汽车气囊，机器人产业及自动化控制等方面。然而，在进行各种运动的监控过程中，一维加速度传感器已不能很好的满足监控要求，因而三维加速度传感器便成为MEMS加速度传感器发展的一个重要方向。
近几年中，不断有单片集成三维加速度传感器研制的报道。普遍的三维加速度传感器是由单一敏感元件构成，其敏感元件是一个带多个梁的敏感质量块所构成的质量块一弹簧系统，这种类型的加速度传感器是利用在同一系统中三个方向上同时存在的最小扭转模态对X，Y和Z轴方向的加速度同时进行响应，然而它存在较高的旁轴灵敏度，导致三个方向有较大的耦合干扰，信号的输出易出现干扰。于是，本发明人提出了将三个相互独立的压阻式加速度传感元件集成在同一芯片上构成三维加速度传感器的设想，使这种结构在同时检测X、Y和Z轴方向上的加速度时，不会出现相互串扰的情况，加速度的信息检测相对准确，可靠性相对较高。其中压阻式传感元件在制作工艺和信号检测电路方面相比电容式的加速度传感元件又有较大的优越性，同时这两种不同类型的传感元件的工艺更容易整合，达成一致。
发明内容
本发明的目的在于克服现有三维加速度传感器存在的缺点，提供一种三维集成微机械加速度传感器及制作方法。在本发明中发明人提出将现有的两种类型不同的一维压阻式高冲击加速度传感元件集成成为一种三维击加速度传感器件以及相应的制作工艺。获得一种三个轴向的灵敏度和频带都相当的一种三维加速度传感器，其三个方向的敏感元件几乎没有相互窜扰情况，而且可以根据需要，设计出不同量程需求的三维加速度传感器件。
以下先分别对三维加速度传感器件中所整合的现有的两类高冲击加速度传感元件的结构特点进行说明。
1、在X、Y轴方向高冲击加速度传感元件的基本结构设计的特征X、Y轴方向高冲击加速度传感元件基本结构是由悬臂梁5、抗高过载冲击曲面6、敏感电阻7和硅框架8构成。抗高过载冲击曲面位于悬臂梁的上、下两个侧面；X、Y轴方向高冲击加速度元件是分别由两个相同的上述基本结构构成。在受到加速度时，基本结构中的悬臂梁上的两个电阻分别增大和减小，为了便于构成惠斯通全桥，采用了“几”字形电阻设计，即两个电阻串联。工作的基本原理其敏感方向在硅平面内，当受到冲击加速度时，悬臂梁横向弯曲，通过压阻效应，敏感电阻电阻率发生变化，经惠斯通电桥输出变化信号，以确定相应的加速度值。这种结构的敏感方向为硅平面内，其采用了双曲面过载保护结构，使敏感结构在大冲击过载的情况中受到很好的保护，以满足在高冲击环境下的使用；并且双曲面也使加速度元件的压膜阻尼得以改善，有效得抑制了自由振动模态，提高了测量精度；另一方面，设计的敏感结构悬臂梁，其长厚之比约为35∶1并且宽厚之比约为3∶1，使其在获得高灵敏度的同时，具有较宽的频带，并有效抑制垂直于敏感方向的振动效应。
2、在Z轴方向高冲击加速度传感元件结构设计的特征Z轴方向高冲击加速度传感元件结构是由敏感薄板1、质量块2、敏感电阻3和外框架4构成。这种结构的敏感方向垂直于硅平面，其采用了双端固支的双质量块结构，结构对称，同时敏感薄板的宽度与质量块的宽度基本相同。工作的基本原理当受到冲击加速度时，质量块相对运动导致敏感薄板发生变形，从而引起敏感薄板上的压敏电阻电阻率发生变化，经惠斯通电桥输出变化信号，以确定相应的加速度值。这种结构使得敏感薄板具有较大的刚度系数，当受到高冲击时，敏感薄板上的应力小于硅断裂应力，保证敏感结构不会断裂失效；另一方面，对称结构较好得控制了横向效应，即控制了非敏感方向的振动效应；并且有较大刚度系数的敏感薄板，使得Z轴方向高冲击加速度传感元件有较高的固有频率。
综上所述，不难看到两类加速度传感元件在性能方面存在许多的一致，因此本申请的发明人通过适当的设计整合就能很容易地使二者相互兼容集成为三维加速度传感器；并且通过工艺整合，达成二者的工艺相互兼容，利用硅微机械加工技术常规工艺就完成三维器件的制作。
在三维集成加速度传感器件的工艺制作中，关键是要获得一种对两种不同类型的加速度传感元件都兼容的制作工艺。首先，X、Y轴方向的传感元件和Z轴方向的传感元件的敏感结构制作均需对硅片垂直方向进行减薄，根据三维器件的整体设计，二者在减薄厚度上取得一致，即在垂直于硅片方向上的减薄工艺步骤中取得兼容，可共同进行，互不干扰；其次，在Z轴方向的传感元件结构中的质量块与下盖板之间需要形成适当的阻尼间距，而X、Y轴方向的传感元件无此要求，为了达成工艺的兼容，其方法是在对硅片垂直方向进行减薄前，增加一块光刻版，此版减薄面积大于在硅片垂直方向进行减薄的面积，即此版是形成一个预减薄槽，而垂直硅片方向的减薄在此槽内进行。形成预减薄槽的同时，Z轴方向的传感元件结构中的质量块与下盖板之间形成的阻尼间隙，这样并不会对X和Y方向的传感元件结构在Z轴方向的尺寸上造成影响，使得两者在此步工艺达成兼容；第三，Z轴方向的传感元件需要下盖板形成阻尼间隙，在此采用硅玻璃键合工艺，进行原片键合，这不仅满足Z轴方向的传感元件需要，并且也使得X、Y轴方向传感元件的背面得到保护。其余的制作工艺部分如电阻、引线以及采用深反应离子刻蚀(DRIE)释放敏感结构在两种传感元件中均是相同的兼容工艺，可以同时进行。在采用深反应离子刻蚀工艺完成释放X、Y轴方向敏感结构的同时，加工出与悬臂梁相应的过载保护曲面结构。
本发明的基本制作过程如下1、采用各向异性腐蚀溶液在双面抛光的N型(100)硅片背面腐蚀形成预减薄槽，同时也腐蚀形成Z轴方向的传感元件结构要求的与盖板之间的阻尼间距。
2、采用各向异性腐蚀溶液在预减薄槽中进行硅片垂直方向的整体减薄，达到制作两类传感元件敏感结构在硅片垂直方上的尺寸值，同时腐蚀形成Z轴方向传感元件的质量块。
3、采用离子注入硼离子或扩散硼源的方法，制作敏感电阻，其方块电阻值在80~90欧姆范围内。
4、制作欧姆接触区和引线孔。
5、在硅片上表面淀积铝薄膜，并形成引线和焊盘。
6、进行硅玻璃的阳极键合，形成三维器件的下盖板。达到Z轴方向的传感元件结构所需的阻尼，同时对器件也起到了保护。
7、采用深反应离子刻蚀工艺同时释放X、Y和Z轴方向的敏感结构。
由此可见，本发明提供的三维集成微机械加速度传感器，是利用两种不同类型的加速度传感元件设计而成的，具体的说它是由三个相互独立的加速度传感元件集成一体构成的。X、Y轴方向的加速度传感元件的结构相同，其敏感方向为硅平面方向，两个相同结构的传感元件相互垂直排布；Z轴方向的加速度传感元件为另一种结构，其敏感方向为硅片的垂直方向，平行排布与X、Y轴方向的加速度传感元件的一侧。具体三维加速度传感器结构的排布如图3所示。在工艺制作方面，器件采用硅玻璃键合工艺形成器件的下盖板，在形成Z轴方向加速度传感元件所需的阻尼间隙的同时，也对X、Y轴方向的加速度传感元件起到保护作用；采用将垂直于硅片方向的减薄图形作在预减薄槽内的方法，解决了两种类型器件在工艺上存在差异的问题。这种方法是首先制作预减薄槽，同时形成Z轴方向加速度传感元件与盖板之间的间隙，整个器件垂直于硅片减薄的区域作在预减薄槽中，采用各向异性腐蚀溶液腐蚀减薄达到敏感结构尺寸的要求，与此同时作出Z轴方向加速度传感元件的质量块。
综上所述，不难看出，本发明所利用了两种不同类型的加速度传感元件自身的种种优点，其为集成整合为三维加速度传感器在设计上提供了很好的基础，通过适当的设计调整，可获得一个在三轴方向有相对一致的灵敏度和频带的三维加速度传感器，这对三维加速度传感器件的性能是很重要的一点；另一方面，由于三维器件是由三个相互独立的加速度元件集成为一体的，所以三个方向的信号不会相互干扰，每个方向的加速度信号都能准确地输出提取。并且通过对敏感结构的关键尺寸进行适当的设计修改，就可以获得1～10万的不同量程的三维高冲击加速度传感器。在三维加速度传感器的工艺制作上来看，三个方向的加速度传感元件在工艺上都能很好的相互兼容，并且制作工艺都是微机械加工的常规工艺，所以器件的最终实现也很容易，制作成本也不高，也很容易实现大规模的生产。
图1两种不同结构的一维加速度传感元件示意图(a)敏感方向是Z轴的一维加速度传元件(b)敏感方向是X或Y轴的一维传感元件图2两种不同结构的一维加速度传感元件结构尺寸示意图(a)敏感方向是Z轴的一维加速度传元件结构尺寸示意图(b)敏感方向是X、Y轴的一维加速度传元件结构尺寸示意3三维集成加速度传感器俯视图示意图(a)X、Y轴的一维加速度传元件(b)Z轴的一维加速度传元件图4<110>条凸角补偿图形示意中1-敏感薄板 5-悬臂梁2-质量块 6-过载保护曲面3-条形电阻 7-“几”字形电阻4-硅框架 8-硅框h-悬臂梁厚度 a1-敏感薄板长度L-悬臂梁长度 h1-敏感薄板厚度h2-质量块厚度a2-单个质量块和单个敏感薄板总长度具体实施方式
下面通过具体实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅限于所述的实施例。
量程为5万g的三维集成高冲击加速度传感器的设计和制作工艺1、在X和Y轴方向加速度传感元件的结构尺寸悬臂梁长度为515μm，厚度为16μm，宽度为50μm；2、在Z轴方加速度传感元件的结构尺寸薄板的厚度为50μm，长度为50μm，质量块的厚度为370μm，质量块和薄板的总长度为670μm，整个结构的宽度为1400μm。
整个三维加集成高冲击加速度传感器的尺寸为长4100μm，宽3500μm，厚920μm。在此制作工艺中采用的是质量浓度百分比为40％，温度为50℃的氢氧化钾(KOH)腐蚀溶液，同时形成悬臂梁的宽度、薄板的厚度及质量块，因此必须考虑KOH腐蚀溶液腐蚀的凸角问题，我们采用了文献(″Etching frontcontrol of<110>strips for corner compensation″M.H.Bao，C.Burrer，J.Bausells，J.Esteve，S.Marco.Sensors and Actuators A，37-38，727-732，(1993).)中的凸角补偿技术，在被补凸角一侧采用文中的多分支<110>条形状进行腐蚀补偿，有效补偿条的长度公式为Leff＝2.7Hc＝L1+L2+L3+5.37B，Hc为腐蚀深度；B为<110>补偿条的宽度。如图4所示。因此此工艺对整个硅片的厚度也有所要求，根据需要在此选用420μm厚度的硅片来设计具体凸角补偿条的有效长度。
具体工艺实施步骤如下1、起始硅片，N型(100)双抛硅片，厚度420μm。
2、氧化光刻后，采用质量浓度百分比为40％，温度为50℃KOH腐蚀溶液腐蚀硅片背面，形成2.4μm的预减薄槽，2.4μm正是Z轴方向敏感元件结构质量块区域与盖板之间的阻尼间距。
3、再次氧化，并在预减薄槽内做出所需图形，采用浓度百分比为40％，温度为50℃KOH腐蚀溶液腐蚀硅片背面，在预减薄槽内，将三个方向的加速度敏感元件的结构部分减薄至50μm，并做出Z轴方向敏感元件的质量块。
4、采用硼离子注入的方法，在硅片正面注入硼离子形成具有压阻效应的敏感电阻，电阻大小为2.5~3kΩ。
5、在欧姆接触区刻蚀出引线孔。
6、在硅片正面溅射6500埃厚度的铝薄膜，并形成引线和焊盘。
7、采用键合机在硅背面进行硅玻璃的阳极键合，键合的温度为380℃，首先加-600V电压3分钟，再加-1200V电压8钟，冷却到室温取出。
8、采用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺同时释放X、Y和Z轴方向的敏感结构。说明发明中提及的敏感结构的厚度和宽度分别是，与运动方向一致的尺寸为结构的厚度，与运动方向垂直的为结构的宽度。
权利要求
1.一种三维集成的高量程加速度传感器，其特征在于所述的三维加速度传感器是由三个相互独立的加速度传感元件集成一体构成的；X、Y轴方向的加速度传感元件的结构相同，其敏感方向在硅平面方向，两个相同结构的传感元件相互垂直排布；Z轴方向的加速度传感元件为另一种结构，其敏感方向为硅片的垂直方向，平行排布于X、Y轴方向的加速度传感元件的一侧；其中X、Y轴方向的加速度传感元件是由悬臂梁、抗高过载冲击曲面、敏感电阻和硅框架构成，抗冲击高过载冲击曲面位于悬臂梁的上、下两个侧面；Z轴方向的加速度传感元件是由敏感薄板、质量块、敏感电阻和外框架构成，采用双端固支的双质量块结构。
2.按权利要求1所述的三维集成的高量程加速度传感器，其特征在于所述的X、Y轴方向的加速度传感元件，敏感电阻采用了两个电阻串联的“几”字设计，构成惠斯通全桥。
3.按权利要求1所述的三维集成的高量程加速度传感器，其特征在于所述的X、Y轴方向的加速度传感元件的悬臂梁长厚之比为35∶1，宽厚之比为3∶1。
4.按权利要求1所述的三维集成的高量程加速度传感器，其特征在于Z轴方向加速度传感元件中的双端固支的双质量块结构对称，且敏感薄板的宽度与质量块的宽度相同。
5.制作如权利要求1所述的三维集成的高量程加速度传感器的方法，其特征在于(a)采用各向异性腐蚀溶液在双面抛光的N型(100)硅片背面腐蚀形成预减薄槽，同时也腐蚀形成Z轴方向的传感元件结构要求的与盖板之间的阻尼间距；(b)采用各向异性腐蚀溶液在预减薄槽中进行硅片垂直方向的整体减薄，达到制作两类传感元件敏感结构在硅片垂直方上的尺寸值，同时腐蚀形成Z轴方向传感元件的质量块；(c)采用离子注入硼离子或扩散硼源的方法，制作敏感电阻，其方块电阻值在80～90欧姆范围内；(d)制作欧姆接触区和引线孔；(e)在硅片上表面淀积铝薄膜，并形成引线和焊盘；(f)进行硅玻璃的阳极键合，形成三维器件的下盖板；达到Z轴方向的传感元件结构所需的阻尼，同时对器件也起到了保护；(g)采用深反应离子刻蚀工艺同时释放X、Y和Z轴方向的敏感结构。
6.按权利要求要求5所述的三维集成的高量程加速度传感器的制作方法，其特征在于在采用各向异性腐蚀溶液进行硅片的整体减薄采用了凸角补偿技术，在被补凸角一侧采用多分支<110>条形状进行腐蚀补偿。
7.按权利要求5所述的三维集成的高量程加速度传感器的方法，其特征在于在对硅片垂直方向进行减薄前，增加一块光刻版，光刻版减薄的面积大于在硅片垂直方向进行减薄的面积，形成一个预减薄槽，二垂直硅片方向的减薄在此槽内进行；形成预减薄槽的同时，Z轴方向的传感元件结构中的质量块于下盖板之间形成的阻尼间隙，使得两者工艺上达成兼容。
全文摘要
本发明涉及一种三维集成的高量程加速度传感器。其特征在于所述的三维加速度传感器是由三个相互独立的加速度传感元件集成一体构成的；X、Y轴方向的加速度传感元件的结构相同，其敏感方向在硅平面方向，两个相同结构的传感元件相互垂直排布；Z轴方向的加速度传感元件为另一种结构，其敏感方向为硅片的垂直方向，平行排布于X、Y轴方向的加速度传感元件的一侧；是采用MEMS常规工艺制作，且考虑了两种不同传感元件的工艺兼容问题，使制作的传感器三个方向的敏感元件没有窜扰现象，且可依要求设计出1－10万g的不同量程的三维高冲击加速度传感器。
文档编号G01P15/12GK1821787SQ20051011136
公开日2006年8月23日 申请日期2005年12月9日 优先权日2005年12月9日
发明者李昕欣, 张鲲, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所