本发明涉及一种三维MEMS传感器及其制作方法。
背景技术：
微机电系统(Microelectro Mechanical Systems,MEMS)是采用各种先进的微纳加工技术并辅以最新的现代信息电子技术发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。与传统传感器相比，MEMS传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高和易于批量化生产等优点，因此被广泛应用于航空航天设备、太空卫星、各种车辆、生物医学、消费电子厂品及智能机器人等领域。随着检测技术的发展，单一方向的力或者应力测量已经不能满足各方面额需求，力传感器正朝着三维方向发展。三维力的测量和传感技术在智能机器人、微纳器件的装配及汽车自动驾驶等领域中广泛应用。
虽然近年来三维MEMS传感器的研究工作取得了一定的进展，但绝大数三维力传感器属于触觉传感器，CN2156494Y的专利文献就公开了一种三维力传感器，具有传感器本体，有垂直相交的方柱体，两对应变片分别贴在被挖去角的柱体部分的两组平行壁板外表面，柱体头部与指套固定连接，方柱体有穿通方孔，一对应变片分别贴在方孔外的平行壁板外表面，柱体的楔形尾部与指座固定连接，指座指套间有间隙。其缺点是：测量力一般在几十牛顿，缺少大量程三维力传感器。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种三维MEMS传感器，其量程大，灵敏度高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种三维MEMS传感器，其特征在于，包括：多个应变感应区，所述应变感应区根据其磷离子注入浓度的不同，分为a、b、c三组，所述a组应变感应区包含应变感应区101，103，105和107；b组应变感应区包含应变感应区102，104，106和108；c组应变感应区包含应变感应区109和110。
本发明的有益效果为：
结构简单，所述MEMS传感器包括：多个应变感应区，所述应变感应区根据其磷离子注入浓度的不同，分为a、b、c三组，可以测量三维应力，即所有六个应力分量，并且是完全温度补偿的；基于固体硅压阻效应制成的，具有量程大、灵敏度高、可靠性高等优点，制作方法方便，只采用一种离子注入，简化了加工工艺，节省了成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明的三维MEMS传感器示意图；
图2是本发明的三维MEMS传感器制作方法流程图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
请参照图1，本发明的三维MEMS传感器，包括：多个应变感应区，所述应变感应区根据其磷离子注入浓度的不同，分为a、b、c三组，所述a组应变感应区包含应变感应区101，103，105和107；b组应变感应区包含应变感应区102，104，106和108；c组应变感应区包含应变感应区109和110。
优选地，如图1所示，本发明所述MEMS三维应力传感器包括10个应变感应区：101，102，103，104，105，106，107，108，109和110。根据其磷离子注入浓度的不同，将这10个应变感应区分为三组：a组包含101，103，105和107；b组包含102，104，106和108；c组包含109和110。图1所示112为连接应变感应区和113金属铝线的接触孔。
请参照图2，本发明的一种三维MEMS传感器的制作方法，包括：
准备P型(111)双面抛光硅片；
a组磷离子注入，形成应变感应区101，103，105和107；
b组磷离子注入，形成应变感应区102，104，106和108；
c组磷离子注入，形成应变感应区109和110；
对上述硅片进行热处理；
制备氧化硅层；
接触孔光刻；
金属铝层淀积；
金属互联层成形。
优选地，所述应变感应区101至110的应变片电阻变化与三维应力σ′11，σ′22，σ′33，σ′12，σ′13和σ′23符合以下算法：
式中代表压阻参数，αk(k＝a,b,c)代表电阻温度系数，R1代表应变感应区101的应变片电阻；R2代表应变感应区102的应变片电阻；R3代表应变感应区103的应变片电阻；R4代表应变感应区104的应变片电阻；R5代表应变感应区105的应变片电阻；R6代表应变感应区106的应变片电阻；R7代表应变感应区107的应变片电阻；R8代表应变感应区108的应变片电阻；R9代表应变感应区109的应变片电阻；R10代表应变感应区110的应变片电阻。
具体实施例如下所述：
步骤1：准备P型(111)双面抛光硅片。将厚度为300mm的P型(111)双面抛光硅片放入食人鱼溶液(3H2SO4:1H2O2)2分钟清洗硅片；再将硅片放入缓冲氧化物刻蚀溶液5分钟去除硅片表面的氧化层；
步骤2：制备a组应变感应区。具体步骤包括：
步骤2-1：将上述硅片放在旋转托盘上，将光刻胶溶液HPR504喷洒到硅片表面上；加速旋转托盘至500转/分钟，保持旋转托盘500转/分钟旋转10秒钟，再加速旋转托盘至4000转/分钟，保持40秒钟；
步骤2-2：将真空热板加热到115℃，把硅片放到加热板上软烘90秒；
步骤2-3：硅片冷却15分钟；
步骤2-4：采用光刻板#1曝光硅片上的光刻胶，曝光能量195mJ/cm2，曝光时间2.6秒钟；
步骤2-5：将硅片放入显影液中显影25秒钟；
步骤2-6：将恒温烘箱加热到120℃，把硅片放入烘箱硬烘20分钟；
步骤2-7：采用离子注入技术，将能量为80keV，注入剂量为1.7x1015cm-2的磷离子注入到上述带有光刻胶的硅片，在硅片上形成a组应变感应区，即应变感应区101，103，105和107。
步骤3：去胶，采用等离子刻蚀上述硅片20分钟，去除硅片上的光刻胶；再将硅片放入食人鱼溶液(3H2SO4:1H2O2)2分钟清洗硅片，用干氮气吹干硅片。
步骤4：制备b组应变感应区。具体步骤包括：
步骤4-1：将上述硅片放在旋转托盘上，将光刻胶溶液HPR504喷洒到硅片表面上；加速旋转托盘至500转/分钟，保持旋转托盘500转/分钟旋转10秒钟，再加速旋转托盘至4000转/分钟，保持40秒钟；
步骤4-2：将真空热板加热到115℃，把硅片放到加热板上软烘90秒；
步骤4-3：硅片冷却15分钟；
步骤4-4：采用光刻板#2曝光硅片上的光刻胶，曝光能量195mJ/cm2，曝光时间2.6秒钟；；
步骤4-5：将硅片放入显影液中显影25秒钟；
步骤4-6：将恒温烘箱加热到120℃，把硅片放入烘箱硬烘20分钟；
步骤4-7：采用离子注入技术，将能量为80keV，注入剂量为1.1x1015cm-2的磷离子注入到上述带有光刻胶的硅片，在硅片上形成b组应变感应区，即应变感应区102，104，106和108。
步骤5：去胶，采用等离子刻蚀上述硅片20分钟，去除硅片上的光刻胶；再将硅片放入食人鱼溶液(3H2SO4:1H2O2)2分钟清洗硅片，用干氮气吹干硅片。
步骤6：制备c组应变感应区。具体步骤包括：
步骤6-1：将上述硅片放在旋转托盘上，将光刻胶溶液HPR504喷洒到硅片表面上；加速旋转托盘至500转/分钟，保持旋转托盘500转/分钟旋转10秒钟，再加速旋转托盘至4000转/分钟，保持40秒钟；
步骤6-2：将真空热板加热到115℃，把硅片放到加热板上软烘90秒；
步骤6-3：硅片冷却15分钟；
步骤6-4：采用光刻板#3曝光硅片上的光刻胶，曝光能量195mJ/cm2，曝光时间2.6秒钟；；
步骤6-5：将硅片放入显影液中显影25秒钟；
步骤6-6：将恒温烘箱加热到120℃，把硅片放入烘箱硬烘20分钟；
步骤6-7：采用离子注入技术，将能量为80keV，注入剂量为0.7x1015cm-2的磷离子注入到上述带有光刻胶的硅片，在硅片上形成c组应变感应区，即应变感应区109和110。
步骤7：去胶，采用等离子刻蚀上述硅片20分钟，去除硅片上的光刻胶；再将硅片放入食人鱼溶液(3H2SO4:1H2O2)2分钟清洗硅片，用干氮气吹干硅片；
步骤8：对上述硅片进行热处理。具体步骤包括：
步骤8-1：将管式炉温度加热到950℃，在炉内充满干氮气，将硅片放于炉内20分钟；
步骤8-2：打开管式炉进气口，使干净空气进入炉内，将硅片在炉内再放15分钟，使硅片表面长出大约15纳米厚的氧化层。
步骤9：制备氧化硅层。采用等离子体增强化学气相沉积法，以1纳米/秒的速度在硅片正面沉积650纳米氧化硅层，在硅片背面沉积300纳米氧化硅层。
步骤10：制备接触孔。具体步骤包括：
步骤10-1：将上述硅片放在旋转托盘上，将光刻胶溶液HPR504喷洒到硅片表面上；加速旋转托盘至500转/分钟，保持旋转托盘500转/分钟旋转10秒钟，再加速旋转托盘至4000转/分钟，保持40秒钟；
步骤10-2：将真空热板加热到115℃，把硅片放到加热板上软烘90秒；
步骤10-3：硅片冷却15分钟；
步骤10-4：采用光刻板#4曝光硅片上的光刻胶，曝光能量195mJ/cm2，曝光时间2.6秒钟；
步骤10-5：将硅片放入显影液中显影25秒钟；
步骤10-6：将恒温烘箱加热到120℃，把硅片放入烘箱硬烘20分钟；
步骤10-7：采用反应离子刻蚀(RIE)法，以7纳米/秒的速度打开N阱离子注入窗口；
步骤10-8：将硅片放入温度为860℃、装有固体磷源的扩散炉内40分钟。
步骤11：去胶，采用等离子刻蚀上述硅片20分钟，去除硅片上的光刻胶；再将硅片放入食人鱼溶液(3H2SO4:1H2O2)2分钟清洗硅片，用干氮气吹干硅片。
步骤12：金属铝层淀积。具体步骤包括：
步骤12-1：将上述硅片放入缓冲氧化物刻蚀液2分钟，去除磷硅酸盐层；
步骤12-2：采用溅射镀膜技术，控制溅镀压力7微米汞柱压强(mTorr)溅射45分钟，得到700纳米厚的铝层。
步骤13：金属互联层成形。具体步骤包括：
步骤13-1：将上述硅片放在旋转托盘上，将光刻胶溶液HPR504喷洒到硅片表面上；加速旋转托盘至500转/分钟，保持旋转托盘500转/分钟旋转10秒钟，再加速旋转托盘至4000转/分钟，保持40秒钟；
步骤13-2：将真空热板加热到115℃，把硅片放到加热板上软烘90秒；
步骤13-3：硅片冷却15分钟；
步骤13-4：采用光刻板#5曝光硅片上的光刻胶，曝光能量195mJ/cm2，曝光时间2.6秒钟；
步骤13-5：将硅片放入显影液中显影25秒钟；
步骤13-6：将恒温烘箱加热到120℃，把硅片放入烘箱硬烘20分钟；
步骤13-7：将上述硅片放入磷酸硝酸溶液以35纳米/分钟的速度刻蚀铝层，
步骤13-8：将硅片放入450℃管式炉中15分钟，使铝扩散到硅片中以便形成良好的欧姆接触。
根据算法(1)，三维应力σ′11，σ′22，σ′33，σ′12，σ′13和σ′23可以表示为
式中D1和D2是压阻参数B1,B2,B3的函数
从以上看出本发明提出的MEMS传感器测量的六个应力分量不含有温度变化量，是完全温度补偿的，使用过程中不需要考虑外界温度变化，不需要安装额外的温度测量仪器，可以用于全天候的三维应力测量。
本发明具有突出的实质性特点和显著的进步：
结构简单，所述MEMS传感器包括：多个应变感应区，所述应变感应区根据其磷离子注入浓度的不同，分为a、b、c三组，可以测量三维应力，即所有六个应力分量，并且是完全温度补偿的；基于固体硅压阻效应制成的，具有量程大、灵敏度高、可靠性高等优点，制作方法方便，只采用一种离子注入，简化了加工工艺，节省了成本。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。