一种电容式微机械加速度传感器的制作方法

本实用新型涉及微机械传感器领域，特别是涉及一种电容式微机械加速度传感器。
背景技术：
：采用微纳硅加工技术制造的电容式微机械加速度传感器由于体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，是市场上产品化加速度传感器的主要选择之一。电容式微加速度传感器的标度因数温度稳定性是表征该类传感器水平的一个重要指标。由于电容式微加速度传感器通常采用单晶硅制成的悬臂梁-质量块力敏结构，单晶硅材料固有的杨氏模量温度系数(TCE≈-63.6ppm/℃)必然导致微加速度传感器的输出特性随温度发生变化。为了弥补温度对电容式微加速度传感器的影响，通常的处理方法是在后处理电路中加入温度补偿模块。然而这种提高微加速度传感器温度稳定性的做法会带来处理电路和算法的复杂性，增加系统功耗。因此，如何提供一种结构简单可靠、温度稳定性好的高精度加速度传感器,成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。技术实现要素：本实用新型的目的是提供一种电容式微机械加速度传感器，能够对材料温度特性实现被动式全补偿，电容式微加速度传感器的结构简单可靠，温度稳定性好，测量精度高。为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：一种电容式微机械加速度传感器，所述电容式微机械加速度传感器包括：上电极板、敏感芯片和下电极板，其中，所述敏感芯片包括框架、固定端与所述框架连接的悬臂梁、与所述悬臂梁的自由端连接的质量块，所述悬臂梁及所述质量块均设置在所述框架内，所述悬臂梁上开设有贯穿的通孔，每个所述通孔中设置有一个氧化硅柱，所述悬臂梁的材料为单晶硅；所述上电极板盖合在所述框架的上开口端，所述下电极板盖合在所述框架的下开口端。可选的，各个所述通孔在所述悬臂梁上等间距规则排列。可选的，所述氧化硅柱的上端面与对应的所述通孔的上开口端平齐，所述氧化硅柱的下端面与对应的所述通孔的下开口端平齐。可选的，所述通孔的轴线与所述悬臂梁的上表面垂直。可选的，各个所述氧化硅柱的体积和为所述悬臂梁的体积的23.5％。可选的，所述上电极板与所述框架之间设置有上键合层，所述下电极板与所述框架之间设置有下键合层，所述上电极板通过所述上键合层与所述框架键合连接，所述下电极板通过所述下键合层与所述框架键合连接。可选的，所述上键合层的厚度和所述下键合层的厚度相等。可选的，所述上键合层的厚度和所述下键合层的厚度均为2μm。可选的，所述上电极板的材料和所述下电极板的材料均为单晶硅。根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供的电容式微机械加速度传感器，敏感芯片包括框架、固定端与框架连接的悬臂梁、与悬臂梁的自由端连接的质量块。其中，悬臂梁的材料为单晶硅，在单晶硅悬臂梁上开设有贯穿的通孔，每个通孔中设置有一个氧化硅柱。通过在单晶硅悬臂梁中合理嵌入杨氏模量温度系数与单晶硅材料相反的氧化硅柱结构，对电容式微机械加速度传感器的材料温度特性实现被动式全补偿，从而大幅度提高微加速度传感器的温度稳定性。与现有的在后处理电路中加入温度补偿模块的技术方案相比，本申请提供的电容式微加速度传感器的结构简单可靠，温度稳定性好，测量精度高。附图说明为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本实用新型实施例提供的电容式微机械加速度传感器的结构分解图；图2为本实用新型实施例提供的电容式微机械加速度传感器的剖视图；图3为本实用新型实施例提供的电容式微加速度传感器中敏感芯片的俯视图；图4为本实用新型实施例提供的电容式微加速度传感器中的敏感芯片的剖面图；图5为本实用新型实施例提供的电容式微加速度传感器的敏感芯片中复合梁的局部剖视图；图6为不同材料的材料弹性模量随温度的变化关系；图7为本实用新型实施例提供的硅/氧化硅复合材料和纯硅悬臂梁-质量块复合结构建模示意图；图8为本实用新型实施例提供的两种材料在不同温度下的质量块位移变化图。具体实施方式下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。本实用新型的目的是提供一种电容式微机械加速度传感器，能够对材料温度特性实现被动式全补偿，电容式微加速度传感器的结构简单可靠，温度稳定性好，测量精度高。为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。图1为本实用新型实施例提供的电容式微机械加速度传感器的结构分解图。图2为本实用新型实施例提供的电容式微机械加速度传感器的剖视图。如图1和图2所示，一种电容式微机械加速度传感器，所述电容式微机械加速度传感器包括：上电极板1、敏感芯片2和下电极板3。所述敏感芯片2包括：敏感芯片电极引出端21、框架23、固定端与所述框架23连接的悬臂梁24、与所述悬臂梁24的自由端连接的质量块22，所述悬臂梁24及所述质量块22均设置在所述框架23内，所述悬臂梁24上开设有轴线与所述悬臂梁24的上表面垂直的贯穿通孔，各个所述通孔在所述悬臂梁24上等间距规则排列，每个所述通孔中设置有一个氧化硅柱25。所述氧化硅柱25的上端面与对应的所述通孔的上开口端平齐，所述氧化硅柱25的下端面与对应的所述通孔的下开口端平齐，且各个所述氧化硅柱的体积和为所述悬臂梁的体积的23.5％。本实施例中，氧化硅柱25的横截面的直径范围是2～10μm。实际应用中，氧化硅柱25可以为圆柱或者直棱柱，其横截面形状可为圆形、正方形或三角形。所述上电极板1盖合在所述框架23的上开口端，所述下电极板3盖合在所述框架23的下开口端，所述框架23的上开口端和下开口端相对。具体地，本实施例中所述上电极板1与所述框架23之间设置有厚度为2μm的上键合层4，所述下电极板3与所述框架23之间设置有厚度为2μm的下键合层5，所述上电极板1通过所述上键合层4与所述框架23键合连接，所述下电极板3通过所述下键合层5与所述框架23键合连接。所述上电极板1的材料、所述下电极板3的材料、所述悬臂梁24的材料均为电阻率＜1Ω·cm的单晶硅，其厚度均为400μm。上电极板1和敏感芯片2之间的间隙为上电容间隙6，下电极板3和敏感芯片2之间的间隙为下电容间隙7。上电容间隙6的高度由上键合层4的厚度决定，下电容间隙7的高度由下键合层5的厚度决定。图3为本实用新型实施例提供的电容式微加速度传感器中的敏感芯片的俯视图。如图3中的敏感芯片2的框架23和悬臂梁24通过湿法腐蚀工艺加工而成，悬臂梁24上用于填充氧化硅柱25的通孔通过干法刻蚀工艺加工而成，氧化硅柱25通过热氧化或化学气相沉积工艺形成。其中，悬臂梁24的厚度为50μm，宽度为1200μm，各个氧化硅柱5的体积和占整个悬臂梁5的体积比为23.5％。可见，本实用新型提供的敏感芯片中的可动部分包括复合悬臂梁与质量块，复合悬臂梁的材料为单晶硅和均匀镶嵌在单晶硅中的氧化硅柱状材料组成的复合材料。图4为本实用新型实施例提供的电容式微加速度传感器中的敏感芯片的剖面图。图5为本实用新型实施例提供的电容式微加速度传感器的敏感芯片中复合梁的局部剖视图。如图4和图5所示，氧化硅柱25沿单晶硅片的厚度方向贯穿填充了整个悬臂梁24。图6为不同材料的材料弹性模量随温度的变化关系。如图6所示，横坐标为温度，纵坐标为材料弹性模量。由于单晶硅与二氧化硅弹性模量与温度变化相反，故通过合理设置氧化硅柱的大小和密度，将两种材料进行镶嵌，可以对材料弹性模量相互补偿，改善器件温度特性。经计算，复合梁结构中氧化硅占整个材料的比例从20％～27％之间对器件的改善性能最为明显，当氧化硅占比为23.5％时，显示对杨氏模量温度系数的改善结果最优。下面将对氧化硅柱总体积占悬臂梁体积的23.5％时的材料情况进行说明。图7为本实用新型实施例提供的硅/氧化硅复合材料(Silicon-Silica)和纯硅(Silicon)悬臂梁-质量块复合结构建模示意图。如图7所示，图7的(a)部分表示悬臂梁-质量块结构示意图，图7的(b)部分表示悬臂梁为硅/氧化硅复合材料的模型图，图7的(c)部分表示悬臂梁为纯硅材料的模型图。对其在不同温度条件下质量块受重力加速度影响的位移程度进行仿真，以此说明梁的杨氏模量温度系数特性，仿真结果如图8所示，从图8可知，采用氧化硅补偿的硅/氧化硅复合材料的悬臂梁-质量块结构受温度影响比无氧化硅补偿的纯硅梁要小得多。由表1的计算结果可知，当温度从-40℃变化到80℃时，本实用新型的复合梁电容式加速度传感器的质量块22在1g的重力加速度下位移为0.021μm，而悬臂梁上无氧化硅柱的类似结构质量块在1g的重力加速度下位移为0.4μm。由此可见，本实施例提供的复合梁式电容式微加速度传感器受环境温度的影响仅为传统电容式微加速度传感器的1/20。表1两种结构在温度变化125℃下的位移数据对比硅/二氧化硅复合梁纯硅梁温度位移(mm)位移(mm)-400.0593150.05238-300.0593160.05241-200.0593160.05244-100.0593170.0524800.0593180.05251100.0593190.05254200.059320.05258300.0593210.05261400.0593220.05264500.0593230.05268600.0593240.05271700.0593250.05275800.0593360.05278本实用新型通过在硅悬臂梁中合理嵌入杨氏模量温度系数与硅材料相反的氧化硅柱结构，对微加速度传感器材料温度特性实现被动式全补偿，能够大幅提高微加速度传感器的温度稳定性，其结构简单可靠、温度稳定性好，测量精度高。具体应用中，上键合层4和下键合层5的厚度可以根据实际需要调整，通常厚度为1μm～5μm。悬臂梁24的厚度和宽度也可以根据实际设计的需要调整，通常厚度为20μm～100μm，宽度为800μm～1400μm。实际设计的需要主要指微加速度传感器的量程和灵敏度的设计需求。当需要设计如量程1～2g的低量程微加速度计时，需要选择的悬臂梁的厚度应尽可能小，以减小梁的刚度，从工艺加工的难度和成品率上考虑，悬臂梁的厚度通常最低不低于20um。当需要设计100～200g的高量程微加速度传感器时，悬臂梁的厚度应当增大，但考虑到MEMS中易于加工的硅片厚度通常限制在200～500微米，悬臂梁的厚度不应过大，为了确保本实用新型对微加速度传感器的改进效果，本实用新型建议的硅复合梁的最大厚度为100um。当需要考虑提高微加速度传感器的灵敏度时，可以考虑设计较薄的键合层厚度，以提高基础电容量；当需要考虑提高微加速度传感器的稳定性时，可以考虑设计较厚的键合层厚度，从加工工艺可实现的难易程度上考虑，为了保证本实用新型的效果，建议采用的键合层厚度为1～5um。本实用新型中对于宽度的选择范围是800～1400um，是悬臂对梁的宽度进行一个限定，以期实现较为方便的氧化硅柱填充。上电极板1和下电极板3可通过对单晶硅进行光刻和刻蚀工艺加工成型，并分别通过上电极板1的上电极板电极引出端11和下电极板3的下电极板电极引出端31与外部处理电路实现引线互联。上电极板1、敏感芯片2、下电极板3依次通过热压键合的工艺方式紧密叠加在一起，形成三明治结构。上电极板1与敏感芯片2之间以及敏感芯片2与下电极板3之间有1μm～5μm的等间距间隙。上电极板1与敏感芯片2中的质量块22相对应的面之间形成了一个以空气为电介质的电容面，敏感芯片2的质量块22与下电极板3相对应的面之间亦形成了一个以空气为电介质的电容面。当垂直于电容面的方向受到外界加速度作用时，质量块22在复合式悬臂梁24的约束下发生相对于电容面相向运动的摆动，由于上、下电容面的相对间距发生变化，上、下电容面产生电容差，通过外围电路检测上、下电容面的电容差可解算出外界加速度值。本实用新型采用硅/氧化硅复合结构作为电容式微加速度传感器的悬臂梁，通过控制单晶硅与SiO2的比例获得近似零的杨氏模量温度系数，大幅减少了温度对传感器悬臂梁刚度的影响，从而提升了传感器的标度因素温度稳定性。因此，本实用新型采用低杨氏模量温度系数的硅/氧化硅复合悬臂梁实现的电容式微加速度传感器不需要外部电路补偿即可实现较高的标度因数温度稳定性，可减少传感器电路复杂程度，降低产品生产成本。同时，本实用新型采用的单晶硅/氧化硅复合悬臂梁中硅和氧化硅的比例由光刻版图上曝光面积比例决定，可自由设计，方便根据实际硅材料的参数和其它需要进行灵活调节。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。当前第1页1 2 3