一种阵列质量块式MEMS加速度计及其制备方法

本发明属于微电子机械领域，更具体地，涉及一种阵列质量块式mems加速度计及其制备方法。

背景技术：

1、微电子机械系统(micro-electro-mechanical system，mems)，是涉及电子学、机械学、物理学、光子学、化学、材料学等多学科的前沿技术。通常是指集成在微纳米级硅片上的传感器、读出电路、控制电路、接口等于一体的系统。它采用集成电路工艺来制作出所需要的元器件，并对硅等材料进行氧化腐蚀、沉积等来制造出相应的结构层，进而得到相应的机械元件。mems有着集成化、智能化、微小型化以及可靠性极高的优势，是微小型化的系统集成。

2、mems电容式加速度计由于其体积小、成本低、精度高等优点被广泛的应用在航空航天、惯性导航、电子消费、医疗及导航制导等领域。随着mems技术的进步与发展，mems电容式加速度计在精度、体积等方面不断优化和提升，但是零偏稳定性的提升和降低应力是我们长期关注并亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种阵列质量块式mems加速度计及其制备方法，旨在解决现有mems加速度计的零偏稳定性差且应力高的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种阵列质量块式mems加速度计，包括：多个传感器单元和外框架；

3、每个传感器单元包括：质量块、至少一个第一电容梳齿、至少一个第二电容梳齿、内框架、第二弹簧梁以及第一锚点；其中，所述第二弹簧梁的一端设置有第一锚点，另一端连接所述质量块的内侧；所述质量块的外侧连接所述第一电容梳齿，所述内框架的内侧连接所述第二电容梳齿，所述内框架的内侧与质量块的外侧相对，使所述第一电容梳齿和第二电容梳齿相互交错分布；所述第一锚点用于将第二弹簧梁的一端与所述外框架连接；

4、所述多个传感器单元呈阵列排布，且相邻传感器单元的质量块通过第一弹簧梁连接。

5、可选地，每个传感器单元还包括：至少一个第二锚点；

6、所述第二锚点设置在外框架上，所述第二锚点用于将所述内框架与所述外框架连接。

7、可选地，所述mems加速度计的零偏误差等于多个传感器单元零偏误差的均值。

8、可选地，所述第一锚点和第二锚点与外框架通过金金键合的方式实现互连。

9、可选地，所述传感器单元中：

10、所述质量块为中空的方块，所述第一锚点置于所述质量块中间；

11、所述第二弹簧梁围绕第一锚点设置，用于将第一锚点与所述质量块内侧连接；

12、所述内框架设置于所述质量块外部的两侧，所述质量块外部的另外两侧中的至少一侧通过第一弹簧梁与其他相邻传感器单元的质量块连接。

13、第二方面，本发明提供了一种阵列质量块式mems加速度计的制备方法，包括以下步骤：

14、步骤1，刻蚀带有多个第一锚点和多个第二锚点的下盖板；

15、步骤2，在下盖板上热氧化形成氧化层并在下盖板的预设位置开设电气连接孔；

16、步骤3，在下盖板的多个第一锚点和多个第二锚点的氧化层和下盖板的边缘上沉积金属，并在下盖板的氧化层上沉积金属走线；

17、步骤4，在soi晶圆的薄硅层沉积与下盖板的多个第一锚点上和多个第二锚点的金属键合的金属；

18、步骤5，在soi晶圆的薄硅层刻蚀多个器件层；每个器件层包括：质量块、第一弹簧梁、至少一个第一电容梳齿、至少一个第二电容梳齿以及内框架；相邻器件层的质量块之间通过第二弹簧梁连接；所述第一弹簧梁的一端连接质量块内侧，第一弹簧梁的另一端设有第一锚点，所述内框架上设有第二锚点；

19、其中，第一电容梳齿指的是可移动梳齿，第二电容梳齿指的是固定梳齿。

20、步骤6，将步骤5得到的多个器件层与步骤3得到的下盖板通过第一锚点和第二锚点金金键合；

21、步骤7，将器件层soi晶圆的厚硅层和氧化层蚀刻掉；

22、步骤8，在上盖板沉积键合金属，刻蚀出凹腔；

23、步骤9，将上盖板和与器件层键合后的下盖板进行金金键合，得到mems加速度计。

24、其中，下盖板上的第一锚点与器件层的质量块中空金属金金键合，中空金属指的是第一弹簧梁另一端上设置的第一锚点；下盖板上的第二锚点与器件层的固定梳齿上的金属金金键合，固定梳齿上的金属指的是内框架上设置的第二锚点。

25、可选地，所述下盖板和上盖板作为外框架。

26、可选地，所述下盖板和上盖板均通过对单晶硅加工得到。

27、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

28、本发明提供一种阵列质量块式mems加速度计及其制备方法，采用阵列式多质量块排布结构，每个质量块之间通过弹性结构相连。通过调整质量块之间的相对位置和弹性结构的刚度，对多个质量块的信号做平均减少偏差，提高mems电容式加速度计的零偏稳定性。本发明采用小单元传感器中的单锚点设计方法。每个惯性传感单元的可动结构只通过一个锚点与基底相连，相对于多锚点技术，可以有效减少基底由于封装和温度等产生的应力传递到可动结构上，从而实现可动质量与基底的应力隔离，提高mems加速度计的零偏稳定性。本发明采用金金键合方法，此工艺难度低，可以实现金属互连，键合温度在100℃—450℃。

技术特征：

1.一种阵列质量块式mems加速度计，其特征在于，包括：多个传感器单元和外框架；

2.根据权利要求1所述的mems加速度计，其特征在于，每个传感器单元还包括：至少一个第二锚点；

3.根据权利要求1所述的mems加速度计，其特征在于，所述mems加速度计的零偏误差等于多个传感器单元零偏误差的均值。

4.根据权利要求1所述的mems加速度计，其特征在于，所述第一锚点和第二锚点与外框架通过金金键合的方式实现互连。

5.根据权利要求1所述的mems加速度计，其特征在于，所述传感器单元中：

6.一种阵列质量块式mems加速度计的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述下盖板和上盖板作为外框架。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述下盖板和上盖板均通过对单晶硅加工得到。

技术总结
本发明提供一种阵列质量块式MEMS加速度计及其制备方法，MEMS加速度计包括：多个传感器单元和外框架；外框架用于对多个传感器单元进行封装；每个传感器单元包括：质量块、至少一个第一电容梳齿、至少一个第二电容梳齿、内框架、第二弹簧梁以及第一锚点；第二弹簧梁的一端设置有第一锚点，另一端连接质量块的内侧；质量块的外侧连接所述第一电容梳齿，内框架的内侧连接所述第二电容梳齿，内框架的内侧与质量块的外侧相对，使所述第一电容梳齿和第二电容梳齿相互交错分布；所述第一锚点用于将第二弹簧梁的一端与所述外框架连接；多个传感器单元呈阵列排布，且相邻传感器单元的质量块通过第一弹簧梁连接。本发明提高了MEMS加速度计的零偏稳定性。

技术研发人员：刘骅锋,徐娇,魏星宇,张少林,王秋
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31