一种加速度计的制作方法

[0001]
本发明涉及微机电系统领域，具体而言，涉及一种加速度计。


背景技术：

[0002]
随着深空探测、空间站及微小卫星等航天型号工程的技术发展，对轻质、高可靠、长寿命的惯性器件的需求十分迫切。mems(micro electro mechanical system，微机电系统)技术的快速发展为惯性器件的小型化提供了技术基础。mems加速度计因其具有小体积、轻质量、低功耗、长寿命及高可靠性等特点，成为航天微纳飞行器导航、定位、姿态控制的最佳选择。因此，在航天器小型化和轻量化的大趋势下，mems加速度计在航天领域方面的应用显得尤为重要。因此，越来越多的mems加速度计已在空间环境中相继得到了应用。
[0003]
然而，在空间带电粒子(质子和电子)和射线作用下，电子器件受到损伤会直接影响航天器的可靠性与寿命。大量航天实践表明，许多航天事故或故障都与电子器件受到辐射损伤相关，约占各类航天器事故或故障的40％以上，所造成的经济损失十分巨大。mems加速度计是辐射效应敏感器件，提高其抗空间辐射损伤能力具有重要的工程背景和工程实际意义。


技术实现要素：

[0004]
本发明解决的问题是如何提高加速度计的抗空间辐射损伤能力。
[0005]
为解决上述问题，本发明提供一种加速度计，包括上基板和敏感层，所述上基板包括衬底和介质层，所述介质层设置在所述衬底上且靠近所述敏感层，所述介质层与所述敏感层之间设置有间隔层，所述间隔层的厚度大于所述介质层的厚度，小于所述敏感层的厚度。
[0006]
通过在介质层和敏感层之间设置有间隔层，且将间隔层的厚度设置为大于所述介质层的厚度，小于所述敏感层的厚度，这样，使得在一定程度上加大了介质层和敏感层之间的间距，从而可以降低电离辐照诱导的氧化物俘获正电荷因库伦作用对敏感层电容的影响，增大了加速度计的抗辐照加固性能。
[0007]
可选地，所述间隔层的厚度为非等厚度。
[0008]
这样，通过将所述间隔层的厚度设置为非等厚度，相对于将所述间隔层的厚度设置为等厚度的方案来说，对于工艺精度的要求没有那么高，容错率相对较高，有利于提升生产效率。
[0009]
可选地，所述间隔层中间区域的厚度大于两侧区域的厚度。
[0010]
这样，由于两侧区域的介质层对电容的影响相对于中间区域的介质层对电容的影响较小，通过将中间区域的间隔层厚度设置大于两侧区域间隔层的厚度，即将对应地中间区域的介质层与敏感层之间的间距设置得较大，这样可以大大减小了敏感层明显的电容变化，降低了电容变化程度，以达到提高抗辐照能力的目的。
[0011]
可选地，由所述间隔层中间区域往两侧区域的方向，所述间隔层的厚度逐渐减小。
[0012]
这样，将所述间隔层设置成两侧倾斜的结构，使得两侧区域的所述介质层与所述敏感层之间的间距逐渐减小了，即所述间隔层的厚度逐渐减小了，但由于两侧区域的介质层对电容的影响相对于中间区域的介质层对电容的影响较小，通过牺牲较小的对电容的影响，从而达到大大提高介质层的均匀性，提高了整个结构的平整性的效果。
[0013]
可选地，所述间隔层的中间区域的长度大于两侧区域的长度。
[0014]
这样，由于中间区域的所述介质层对电容的影响较大，而中间区域间隔的厚度相对较厚，通过将中间区域设置的比例较大，从而极大降低电离辐照诱导的氧化物俘获正电荷因库伦作用对敏感层电容的影响，增大了加速度计的抗辐照加固性能。
[0015]
可选地，所述间隔层的厚度大于或等于10微米。
[0016]
这样，可以既能大幅度降低电离辐照诱导的氧化物俘获正电荷因库伦作用对敏感层电容的影响，增加了mems加速度计惯性器件的抗辐照加固性能，也将器件的尺寸控制在合适的范围内。
[0017]
可选地，所述介质层包括在所述衬底上层叠设置的第一氧化物层、第一金属层、第二氧化物层，所述第一氧化物层的厚度大于所述第二氧化物层的厚度。
[0018]
这样，通过设置所述第一氧化物层的厚度大于所述第二氧化物层的厚度，既有利于加大介质层与敏感层之间的间距，从而减小对敏感层电容的影响，又有利于整体结构的稳定性。
[0019]
可选地，所述第一氧化物层的厚度为2微米，所述第二氧化物层的厚度为0.6微米。
[0020]
这样，通过所述第一氧化物层的厚度为2微米，所述第二氧化物层的厚度为0.6微米，有利于加大介质层与敏感层之间的间距，从而减小对敏感层电容的影响，又有利于整体结构的稳定性。
[0021]
可选地，所述介质层还包括第二金属层，所述第二金属层部分覆盖所述第二氧化物层。
[0022]
这样，第二金属层覆盖部分第二氧化物层，相对于第二金属层全覆盖第二氧化物层的方案来说，通过第二金属层覆盖在第二氧化物层上，未被第二金属层覆盖的部分由于本身具有一定的厚度，未被覆盖的部分相对地加大了与敏感层之间的间距，从而进一步降低对电容的影响。
[0023]
可选地，所述第二氧化物层上设置有通孔结构，所述通孔结构连通所述敏感层与所述第一金属层。
[0024]
这样，通过所述通孔结构连通所述敏感层与所述第一金属层，便于第二氧化物层与敏感层键合。
附图说明
[0025]
图1为根据本发明一实施例的加速度计的结构示意图；
[0026]
图2为根据本发明一实施例的加速度计的局部放大示意图。
[0027]
附图标记说明：
[0028]
10-上基板；11-衬底；12-介质层；121-第一氧化物层；122-第一金属层；123-第二氧化物层；124-第二金属层；13-间隔层；20-敏感层；30-下基板。
具体实施方式
[0029]
随着深空探测、空间站及微小卫星等航天型号工程的技术发展，对轻质、高可靠、长寿命的惯性器件的需求十分迫切。mems(micro electro mechanical system，微机电系统)技术的快速发展为惯性器件的小型化提供了技术基础。mems加速度计因其具有小体积、轻质量、低功耗、长寿命及高可靠性等特点，成为航天微纳飞行器导航、定位、姿态控制的最佳选择。因此，在航天器小型化和轻量化的大趋势下，mems加速度计在航天领域方面的应用显得尤为重要。因此，越来越多的mems加速度计已在空间环境中相继得到了应用。
[0030]
mems加速度计包括质量块、弹簧、可动梳齿和固定梳齿，mems加速度计的工作原理为：当mems加速度计连同外界物体一起运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动，质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，根据胡克定律和牛顿第二定律可得，该位移与外界加速度或角速度具有一一对应的关系：当质量块的发生位移时，可动梳齿和固定梳齿之间的电容就会发生相应的变化；如果测得电容的变化，就等同于测得了执行器(即质量块)的位移。由于执行器的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，因此，电容变化量与待测加速度也就有了确定的对应关系，即通过电容变化量即可测得外界加速度。如果mems加速度计部分与相应的电路进行连接，那么电容变化量也会转化成相应的电压信号，此时通过电压变化量也能测得外界加速度。
[0031]
mems加速度计的材料组成包含绝缘材料、导电材料及半导体材料。而mems加速度计对电离效应敏感，所谓的电离效应指的是在空间带电粒子(质子和电子)和射线作用下，对mems加速度计中的sio2氧化层造成损伤，并在sio2层中产生俘获电荷。而sio2层中的俘获电荷会影响梳齿结构表面电荷的分布，造成电容输出信号改变，从而使得mems加速度计受到损伤，因此提高mems加速度计的抗空间辐射损伤能力具有重要的意义。
[0032]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0033]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0034]
如图1和图2所示，图1为根据本发明一实施例的加速度计的结构示意图，图2为根据本发明一实施例的加速度计的局部放大示意图。本发明实施例公开了一种加速度计，包括上基板10和敏感层20，所述上基板10包括衬底11和介质层12，所述介质层12设置在所述衬底11上且靠近所述敏感层20，所述介质层12与所述敏感层20之间设置有间隔层13，所述间隔层13的厚度大于所述介质层12的厚度，小于所述敏感层20的厚度。
[0035]
其中，所述加速度计包括上基板10、敏感层20和下基板30，所述上基板10和所述下基板30对侧设置，所述敏感层20设置在所述上基板10和所述下基板30之间。所述上基板10与所述下基板30形成多个同样的结构。以其中一个结构为例，所述上基板10包括衬底11和所述介质层12，所述介质层12设置在所述衬底11上，这里介质层12设置在所述衬底11上并不是指介质层12垂直设置在所述衬底11的正上方，而是指所述介质层12与衬底11层叠设置，且所述介质层12设置在所述衬底11靠近所述敏感层20的一侧。所述敏感层对应加速度计的梳齿结构，梳齿结构包括移动梳齿和固定梳齿，移动梳齿和固定梳齿交替排列。
[0036]
通过在介质层和敏感层之间设置有间隔层，间隔层指的是从所述上基板10底面到所述敏感层20顶面之间的区域，间隔层的厚度也即所述上基板10底面到所述敏感层20顶面之间的距离，且将间隔层的厚度设置为大于所述介质层的厚度，小于所述敏感层的厚度，这样，使得在一定程度上加大了介质层和敏感层之间的间距，从而可以降低电离辐照诱导的氧化物俘获正电荷因库伦作用对敏感层电容的影响，增大了加速度计的抗辐照加固性能。
[0037]
间隔层中充满介质，介质材料可以为真空或空气，对于介质材料的选择，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要能达到对电离辐照的不良影响达到削弱的效果即可。
[0038]
可选地，所述间隔层13的厚度为非等厚度。
[0039]
所述间隔层的厚度为非等厚度指的是，所述间隔层的厚度不是相同的，至少所述间隔层一部分的厚度小于另一部分的厚度。所述间隔层的厚度指的是所述介质层12的底面与所述敏感层20的上表面之间的间距，所述介质层的底面指的是所述介质层靠近所述敏感层之间的表面，所述敏感层的上表面指的是所述敏感层靠近所述介质层的表面。
[0040]
这样，通过将所述间隔层的厚度设置为非等厚度，相对于将所述间隔层的厚度设置为等厚度的方案来说，对于工艺精度的要求没有那么高，容错率相对较高，有利于提升生产效率。
[0041]
可选地，所述间隔层13中间区域的厚度大于两侧区域的厚度。
[0042]
所述间隔层13设置在所述介质层12和所述敏感层20之间，所述介质层12的中间区域的高度小于两侧区域的高度。
[0043]
其中，所述高度方向指的是垂直方向上的高度，所述介质层12的两侧区域的高度高于所述介质层的中间区域的高度，即所述介质层设置成中间凹陷的区域。通过将介质层设置成中间凹陷的结构，从而使得所述间隔层中间区域的厚度大于两侧区域的厚度。这样便于间隔层的形成，从而加大了所述介质层与所述敏感层之间的间距。进一步地，这样的结构设计，即使在更高的辐照剂量条件下，仍然观察不到敏感层明显的电容变化，降低了电容变化程度，达到提高加速度计抗辐照能力的目的。
[0044]
这样，由于两侧区域的介质层对电容的影响相对于中间区域的介质层对电容的影响较小，通过将中间区域的间隔层厚度设置大于两侧区域间隔层的厚度，即将对应地中间区域的介质层与敏感层之间的间距设置得较大，这样可以大大减小敏感层明显的电容变化，降低了电容变化程度，以达到提高抗辐照能力的目的。
[0045]
可选地，所述衬底11的中间区域的高度小于所述衬底11两侧区域的高度，所述衬底11的中间区域形成凹陷区域。所述介质层12的中间区域对应所述衬底11的凹陷区域设置，所述介质层12的两侧区域重叠设置在所述衬底的两侧区域上。通过将所述衬底设置成中间凹陷的区域，这样便于所述介质层的设置，同时不影响敏感层电容的变化。
[0046]
可选地，由所述间隔层13中间区域往两侧区域的方向，所述间隔层13的厚度逐渐减小。
[0047]
由于两侧区域的介质层对电容的影响相对于中间区域的介质层对电容的影响较小，通过将中间区域的间隔层厚度设置大于两侧区域间隔层的厚度，即将对应地中间区域的介质层与敏感层之间的间距设置得较大，这样可以大大减小了敏感层明显的电容变化，降低了电容变化程度，以达到提高抗辐照能力的目的。
[0048]
其中，由所述中间区域往所述两侧区域的方向，对应的所述介质层12为一倾斜面，所述介质层12与所述敏感层20之间的间距减小，即所述间隔层的厚度逐渐减小。将所述介质层的两侧区域设置成倾斜的，这相对于将两侧区域的介质层设置成垂直的方案来说，这样，便于形成较均匀的介质层的结构，防止原料都堆积在某一局部位置，形成的介质层某一局部较高，从而影响整个结构的平整性。通过将所述介质层的两侧区域设置成倾斜的，降低了对工艺精度的要求。
[0049]
另外，需要说明的是，虽然通过将两侧区域的介质层设置成倾斜的，即将所述间隔层设置成两侧倾斜的结构，使得两侧区域的所述介质层与所述敏感层之间的间距逐渐减小了，即所述间隔层的厚度逐渐减小了，但由于两侧区域的介质层对电容的影响相对于中间区域的介质层对电容的影响较小，通过牺牲较小的对电容的影响，从而达到大大提高介质层的均匀性，提高了整个结构的平整性的效果。
[0050]
可选地，所述间隔层13的中间区域的长度大于两侧区域的长度。
[0051]
其中，所述间隔层的中间区域的长度大于所述间隔层的两侧区域的长度。所述长度方向指的是沿着水平方向，即所述间隔层的中间区域占据的比例大于两侧区域的间隔层的比例。
[0052]
这样，由于中间区域的所述介质层对电容的影响较大，而中间区域间隔的厚度相对较厚，通过将中间区域设置的比例较大，从而极大降低电离辐照诱导的氧化物俘获正电荷因库伦作用对敏感层电容的影响，增大了加速度计的抗辐照加固性能。
[0053]
可选地，所述间隔层的厚度大于或等于10微米。
[0054]
若将所述中间区域的介质层与所述敏感层之间的间距设置得过近，经过γ射线辐照后，在介质层中会发生充电效应，导致介质层中存在电离辐照诱导的氧化物俘获正电荷，存在的氧化物俘获正电荷会通过库伦作用影响梳齿表面的电荷分布情况，从而导致梳齿间的电容发生改变，造成器件的性能退化。若将若将所述中间区域的介质层与所述敏感层之间的间距设置得过远，虽然间距越大，对梳齿结构间的电容影响越小，效果越好，但是间距设置得过大，这样会影响到器件的厚度，而器件本身还是需要尺寸尽可能的小。因此，通过设置成10微米，这样可以既能大幅度降低电离辐照诱导的氧化物俘获正电荷因库伦作用对敏感层电容的影响，增加了mems加速度计惯性器件的抗辐照加固性能，也将器件的尺寸控制在合适的范围内。当然，所述间隔层的厚度也不定就要求一定就是10微米，大于10微米，例如11微米、12微米等都是可以的，同样地，小于10微米，例如8微米、9微米等也是可以的。对于间隔层厚度的设计，只要满足条件即可。
[0055]
对于所述介质层的设置，所述介质层的厚度大于2.6微米。可选地，所述介质层12包括在所述衬底11上层叠设置的第一氧化物层121、第一金属层122、第二氧化物层123，所述第一氧化物层121的厚度大于所述第二氧化物层123的厚度。
[0056]
其中，所述介质层12包括第一氧化物层121、第一金属层122和第二氧化物层123，所述第一氧化物层121设置在所述衬底11上，所述第一金属层122覆盖所述第一氧化物层121，所述第二氧化物层123覆盖所述第一金属层122。所述第一氧化物层121和所述第二氧化物层123的材料都为二氧化硅，所述第一金属层122的材料为铝，也可以采用金、银、钛、铬来进行替代。
[0057]
通过将第一氧化物层的厚度大于所述第二氧化物的厚度，由于所述第一氧化物层
设置在所述衬底上，所述第二氧化物设置在所述第一金属层上，因此，第二氧化物层距离敏感层比较近。一方面将第二氧化物层的高度设置较小，这样有利于加大与敏感层之间的间距，从而减小对其的影响，另一方面，距离比较远的第一氧化物层的高度设置得较大，这样有利于整体结构的稳定性。具体地，所述第一氧化物层121的厚度为2微米，所述第二氧化物层123的厚度为0.6微米。
[0058]
其中，所述厚度的方向指的是垂直方向。这样，通过将第一氧化物层的厚度设置为2微米，第二氧化物层的厚度设置为0.6微米，所述第一氧化物层的厚度大约是所述第二氧化物层的厚度的3倍。一方面将第二氧化物层的厚度设置较小，这样有利于加大与敏感层之间的间距的设置，从而减小电容的影响，另一方面，距离比较远的第一氧化物层的厚度设置得较大，这样有利于整体结构的稳定性。
[0059]
当然，所述第一氧化物层的厚度不一定就是为2微米，将第一氧化物层的厚度可以设置大于2微米，或者小于2微米，例如设置为2.1、2.2、2.5、1.8、1.6、1.5这样也是可以的，只要是在误差允许的范围内都是可以的。
[0060]
可选地，所述介质层12还包括第二金属层124，所述第二金属层124设置在所述第二氧化物层123上，所述第二金属层124部分覆盖所述第二氧化物层123。
[0061]
所述第二金属层124部分覆盖所述第二氧化物层123，即所述第二金属层124的长度小于所述第二氧化物层123的长度，具体地，所述第二金属层124覆盖所述第二氧化物层123的中间区域，所述第二金属层124优选为钛，也可以是银、铬、铝、铜、金。
[0062]
这样，第二金属层部分覆盖第二氧化物层，相对于第二金属层全覆盖第二氧化物层的方案来说，通过第二金属层覆盖在第二氧化物层上，未被第二金属层覆盖的部分由于本身具有一定的厚度，未被覆盖的部分相对地加大了与敏感层之间的间距，从而进一步降低对电容的影响。通过设置第二氧化物层便于信号的传输。
[0063]
可选地，所述第二氧化物层123上设置有通孔结构，所述通孔结构连通所述敏感层20与所述第一金属层122。
[0064]
所述间隔层的数量设置有多个，所述通孔结构设置在靠近所述间隔层13的两侧区域的所述第二氧化物层123上。在相邻的所述间隔层之间的所述第二氧化物层上设置有通孔。这样，通过该通孔结构便于将第二氧化物层与敏感层键合。
[0065]
可选地，在所述通孔结构中填充有金，所述敏感层的材料为硅，由于硅为掺杂的，是可导电的，然后信号通过金将电信号传输出去。
[0066]
本发明另一实施例公开了一种加速度计，所述加速度计包括上基板、敏感层和下基板，所述敏感层设置在所述上基板和下基板之间，所述上基板10与所述下基板30的高度相同，均为300微米，所述敏感层的高度为60微米。沿着垂直向下的方向，所述上基板包括二氧化硅层，该二氧化硅层通过将硅片氧化形成的一层二氧化硅层。然后经过刻蚀形成梯形槽结构的衬底，接下来经过热氧形成另一二氧化硅层即第一氧化物层，接着通过光刻形成接地窗口，接着溅射铝形成第一金属层，经过pecvd(plasma enhanced chemical vapor deposition，等离子体增强化学气相沉积法)氧化硅形成第二氧化物层，光刻、刻蚀氧化硅形成电极窗口，然后镀金，从而形成了所述上基板。
[0067]
而所述敏感层和所述下基板是一体成型，具体地，首先将硅片氧化形成一层二氧化硅层，然后经过刻蚀形成矩形窗口，再经过硅深反应离子刻蚀形成梳齿结构。最后，将形
成的上基板和该基板共晶键合形成。
[0068]
本发明公开的一种加速度计，所述加速度计包括质量块、移动梳齿、固定梳齿，所述质量块与多个可动梳齿连接，所述可动梳齿在底部设置有弹簧，通过锚点将所述弹簧固定，所述固定梳齿固定在所述质量块的两侧，所述移动梳齿与所述固定梳齿交替设置。当用所述加速度计用于需要测量加速度时，则给质量块施加一个力，由于质量块的质量大于移动梳齿的质量，由于惯性作用进行移动。当质量块的发生位移时，可动梳齿和固定梳齿之间的电容就会发生相应的变化；通过测得电容的变化，从而获得加速度。由此可知，若要获得准确的加速度，则需要测得的可动梳齿和固定梳齿之间的电容是准确的，若由于外界环境的变化导致，可动梳齿和固定梳齿之间的电容发生了变化，则获得的电容值是不准确的，从而得到的加速度也是不准确的。
[0069]
而本申请中，发现了空间带电粒子对加速度计中二氧化硅氧化层造成损伤，具体地，开始没有带电粒子的影响时，二氧化硅氧化层表面是没有电荷，而当有带电粒子影响时，以γ射线辐照为例，则会在二氧化硅氧化层的表面附着有正电荷，而固定梳齿与移动梳齿之间电荷分布发生了变化，从而导致固定梳齿与移动梳齿之间的电容发生变化，造成器件的性能发生退化。
[0070]
另外，本申请通过在二氧化硅氧化物层和梳齿结构之间设置有间隔层，通过将间隔层的厚度设置加厚，从而可以降低电离辐照诱导的氧化物俘获正电荷因库伦作用对敏感层电容的影响，增大了加速度计的抗辐照加固性能。
[0071]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。