一种新型梳齿电极板微加速度计及其制作方法与流程

本发明涉及一种微机械电容式加速度传感器，具体一种新型梳齿电极板微加速度计及其制作方法，属于微电子技术领域。

背景技术：

mems加速度传感器有许多种分类方法。通常根据采用敏感信号的不同，将加速度传感器分为：压阻式、电容式、压电式、隧道电流式和谐振式。其中电容式加速度传感器是利用被测物理量转换成电容的变化进行测试的，是使用最为广泛的测量方式之一。它的检测原理基于平行极板电容，当外部给予压力、加速度、流量等变化量时，平行板的可动部分会根据外界作用力发生相应的变化，板间距或者正对面积就会随之发生变化，因此电容也发生变化。只需要测得电容的变化量，就能够反推出外部作用力的具体值。电容式加速度计又分为几种类型，如悬臂梁式硅微加速度传感器，这种结构精度高、密闭性好，但是加工难度较大。本文所设计的电容式加速度计为梳齿式结构，其典型代表为美国ad公司的adxl系列，这种加速度传感器特点明显：既有开环控制又有闭环控制，梳齿式结构加工工艺与集成电路加工工艺兼容性非常好，还可以轻松实现单片集成。

mems加速度计的加工工艺不仅包括ic电路加工工艺，同时也使用了微加工工艺。目前主流的mems加工工艺有硅微机械加工工艺，其又分成表面加工技术和体加工技术，体微加工技术又包括干法刻蚀和湿法刻蚀两种。除此之外，还有liga加工工艺，soi工艺技术等。

为了得到精度更高、性能更好的微加速度计，压膜阻尼和滑膜阻尼是两个重要的优化参数，高阻尼带来热损耗和噪声，影响器件性能；对于变间距式电容器，主要噪声来源是压膜阻尼。压膜阻尼可以通过减小空气阻尼的方法，从而减小机械噪声。对于减小空气阻尼，现有理论已经证明对极板刻蚀凹槽是一种有效的方法，因为刻蚀凹槽在结构上增大了极板间距，从而减少了阻尼；但是具体的间距，刻蚀的凹槽理想结构等目前是少有深入研究的。根据最近的研究理论和提出的新模型，凹槽的不同结构又对减小压膜阻尼有着不同的影响，因此可以优化凹槽的结构，形状，周长等，进一步达到减小空气阻尼的效果。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的不足、来进一步的减少加速度计的压膜阻尼以及机械噪声，从而提高传感器性能。在压膜空气阻尼新模型的研究基础上，提供一种具有减少压膜阻尼，提高传感器性能的加速度计，改进了梳齿电极板结构，同时提供该加速度计的制作方法。该加速度计制作完成后，能具有更小的压膜阻尼，更好的抗噪声表现和更高的灵敏度以及更高品质因数。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种新型梳齿电极板微加速度计，结构包括质量块、u型梁、锚点、栅形电极板、驱动器锚点，驱动器u型梁、驱动器块、驱动器电极板，还有底部的电极层、衬底和掩膜层。所述的质量块，u型梁和锚点，以及中间部分的栅形电极，它们共同组成了传感器的可动敏感质量块部分；每条栅形条与下面电极层中的每对叉指互相对应；可动敏感质量块两侧的上下两端引伸出电极板，一共有4部分，分别与固定的驱动器电极板构成了梳齿电容结构；刻蚀的凹槽结构就位于固定极板上。在每个驱动器块中间，留有一定的空间给防吸合阻挡块。防吸合阻挡块与周围的间距应小于极板间距，目的是在正对极板吸合前就‘抵住’固定块，防止吸合的情况发生。每个驱动器都设有锚点和u型弹性梁结构，锚点和u型梁也与底部电极层连接。锚点可以起到支撑作用，还设置有多个外部驱动电流引入点，并在对应外部驱动电流引入焊点间设置有金属驱动导线，用于连接外部电路。

综上所述，根据本发明可以实现由凹槽改进型梳齿结构电极以及栅形条、可动质量块、u型梁、锚点、防吸合块共同组成的微加速度计；栅形条、u型梁、梳齿极板等又与电极层结合，锚点与衬底层等连接做支撑。

制作该新型微加速度传感器的具体步骤是：

（1）清洗硅片：选取n型低阻双抛硅片，采用标准清洗工艺，去除硅片表面的有机沾污；然后溶解氧化膜；最后再去除颗粒、金属等沾污，同时使硅片表面钝化。

（2）刻光涂胶：光刻的最小线宽设置为3μm，对硅片进行正面涂胶，前烘，后烘操作，以及背面涂胶，在刻蚀之后，对硅片进行腐蚀。

（3）溅射金属铝：在溅射前，要先对玻璃片进行清洗，然后在玻璃基板上蒸发淀积一层铝作为感应电容的上下电极。

（4）第二次光刻：这次光刻将形成玻璃极板上的铝电极层，光刻条件与第一次相同。

（5）键合：在保证硅片清洁的条件下，给硅-玻璃施加一定的电场，使两者键合；再将硅片减薄至合适厚度。

（6）硅结构刻蚀：继续进行腐蚀，清洗，溅射铝等操作，再做光刻，对硅结构做刻蚀，用soi工艺精确地在硅片上加工出传感器梁、质量块等各个部分的结构，完成制作过程。

本发明新型梳齿电极板微加速度计的特征和基本构思在于：加速度计空气阻尼的新理论表明，压膜空气阻尼和品质因数除了空气压力之外，还与极板间距和极板几何形状有关。对于一个常用的矩形板，已经有了品质因数的一个接近的方程。品质因数与间距成正比，与板的周长和空气压力成反比。目前已经有在平行极板上刻蚀出矩形凹槽，于是在原有开槽技术的基础上，设计了槽型结构不同、极板间隙和周长更为合理的加速度计，具体可见说明书附图。

本发明的有益效果是：相比较于传统的平行极板和刻蚀普通矩形槽的加速度计，该新型梳齿结构器件保留了同类结构的优点，而且器件工作时的压膜阻尼能因为更加合理的极板间距，极板尺寸和几何形状得到进一步改善，理论计算出的品质因数将会更高，并且传感器的噪声也会更小；在工艺上也证明了此方案的可行性；通过批量生产和加工，测试成品，最终还能在多种结构中得到性能最优的微加速度计梳齿结构。

附图说明

图1为完整的硅片层结构组成示意图。

图2就是不同梳齿结构（定齿）的具体结构示意图，包括平行极板、开凹槽极板，不同凹槽间距、以及刻蚀成梯形结构等，这些不同结构的加速度计可在同一片晶片上批量制造。。

图3为玻璃衬底上的铝电极分布示意图。

图4是用于支撑整体框架的衬底层，也有小部分电极在层上。

图5是制作工艺流程图。

各图中标号1是振动质量块的锚点，2是振动质量块，3是振动质量块的u型弹性梁，4是固定电极板的锚点，5是防吸合阻挡块，6是驱动器的u型弹性梁，7是驱动器固定块，8是驱动器电极板和可动质量块极板共同形成的叉指状电容，9是栅形条，10是电容连接导线，11是质量块u型梁下的电极层，12是栅形条下的衬底栅形电极板，13是驱动器u型梁下的电极层，14是梳齿结构极板的电极层，15是单个硅片的边框，16是防吸合阻挡块的支撑块，17是驱动器的支撑块，并带有电极，18是振动质量块锚点支撑结构，19是驱动器锚点的支撑结构。

具体实施方式

下面通过附图说明和实施例进一步阐明本发明的实质性结构特点和相比传统的不同之处与进步改进，但本发明决非仅限于所介绍的实施例。

一种新型梳齿电极板微加速度计，包括硅层的振动质量块，质量块锚点，u型弹性梁，防吸合阻挡块，驱动器，驱动器锚点，栅形条，梳齿电容对，和衬底层的各种支撑结构，以及电极层的电极分布。

图1中的u型梁3和质量块2以及栅形条9共同组成了电容式微加速度计的可动部分，对该部分做仿真可以得到整个系统的谐振频率，并且这一部分结构是良好对称的，栅形条下连接着栅形电极12，锚点1有衬底支撑18并带有电极，可用于与外部电路的连接；可动质量块两侧的上下两端引伸出电极板，与驱动器固定块的电极板8共同组成梳齿结构，在振动时将产生差分电容，在这部分平行极板会产生压膜阻尼，对固定极板8刻蚀的新的凹槽结构将提高传感器性能。极板8下有电极层14。驱动器将增强传感器的驱动能力，由锚点4、u型弹性梁6组成，驱动器底部有支撑块17，其中每个驱动器靠外的锚点19等附有电极，可用于引出导线，固定块7中间是由衬底16支撑的防吸合固定块5，它与周围的间距小于极板间距，可以阻止极板吸合。

本实施例涉及到该微加速度计的制作方法，参考工艺流程进行如下说明：

a.对低阻硅清洗，进行氧化，形成氧化硅掩膜层；再去除颗粒、金属等沾污，同时使硅片表面钝化

b.对硅片光刻，进行正面涂胶，前烘，后烘操作，以及背面涂胶，随后用hf（氢氟酸）溶液腐蚀掉未刻蚀的氧化硅；

c.制作硅片，形成差分电容间距，去除多余的氧化硅；

d.先对玻璃片进行清洗，将玻璃片作为衬底，在玻璃片表面蒸发溅射一层铝。e.对铝电极做光刻，形成栅形电极和锚点的电极等，并腐蚀；

f.利用硅玻璃键合工艺和专门的键合设备，在400摄氏度左右下键合玻璃衬底和硅片；

g.将硅片打磨减薄至合适的厚度；

h.刻蚀硅片，形成微加速度计的结构，包括可动质量块，u型梁，锚点等，再次进行刻蚀，形成栅形条，槽型梳齿结构极板等，制作出微加速度计的具体结构。

本发明的显著特色和有益效果是：在外部激励作用到可动质量块上时，质量块的运动带动梳齿极板电容对的正对间距变化，该变间距电容式加速度计，以差分电容对的形式将外部加速度信号转变为电容输出，实现对加速度的测量；这个过程中梳齿极板运动时，由阻尼引起的机械噪声影响电容式加速度计的工作精度；这里主要是压膜阻尼。本发明在结构上保持了同类传感器的优点，创新之处在于：由阻尼与极板结构参数的理论和公式关系，提出了通过刻蚀不同结构的凹槽，可以进一步降低电容式加速度计压膜阻尼和噪声，提高传感器灵敏度和工作品质因数。该发明的制作工艺简单，在单块晶片上能加工多种结构的微加速度计，提高了成品率；在制造完成后，既可以实际用于改善现有加速度传感器性能，还能通过内部对比，找到电容、阻尼噪声、品质因数等参数最优的结构。