两个水平轴向检测单元；所述水平轴向检测单元分别位于平行板上差分电容(113)的两侧，且相互对称；其中， 每个水平轴向检测单元均含有:顶部敏感质量块锚固块(101)、顶部敏感质量块的金属压焊块(102)、X轴向锚固块(105)、X轴向锚固块的金属压焊块(106)、Y轴向锚固块(107)、Y轴向锚固块的金属压焊块(108)、可动平行板电容上电极(112)、X轴向固定梳齿(115)、X轴向可动梳齿(116)、Y轴向固定梳齿(117)、Y轴向可动梳齿(118)、L型支撑弹簧梁(119 )、顶部敏感质量块(120 )、顶部敏感质量块X轴向凸块(121)和顶部敏感质量块Y轴向连杆(122)； 其中，可动平行板电容上电极(112)为矩形块；可动平行板电容上电极(112)的宽度方向的侧壁分别与一个顶部敏感质量块X轴向凸块(121)的一端相连接；所述顶部敏感质量块X轴向凸块(121)呈T型；在顶部敏感质量块X轴向凸块(121)的另一端的端面上设有一组Y轴向可动梳齿(118 );在靠近Y轴向可动梳齿(118)的二氧化硅层(302 )的顶面上固定连接有Y轴向锚固块(107 );在朝向Y轴向可动梳齿(118 ) —侧的Y轴向锚固块(107 )侧壁上设有一组Y轴向固定梳齿(117);所述Y轴向固定梳齿(117 )与Y轴向可动梳齿(118)相互交叉；在Y轴向锚固块(107)的顶部设有Y轴向锚固块的金属压焊块(108)； 所述顶部敏感质量块(120)为矩形块；在顶部敏感质量块(120)的一条长度方向的侧壁上设有两根顶部敏感质量块X轴向凸块(121 )，所述顶部敏感质量块X轴向凸块(121)分别与相邻的顶部敏感质量块X轴向凸块(121)相连接；在顶部敏感质量块(120)的另一条长度方向的侧壁上设有X轴向可动梳齿(116);在靠近X轴向可动梳齿(116)的二氧化硅层(302)的顶面上固定连接有X轴向锚固块(105);在朝向X轴向可动梳齿(116) —侧的X轴向锚固块(105 )侧壁上设有X轴向固定梳齿(115 );所述X轴向固定梳齿(115 )与X轴向可动梳齿(116)相互齿合；在X轴向锚固块(105)的顶部设有X轴向锚固块的金属压焊块(106)； 在顶部敏感质量块(120)的两条宽度方向的侧壁上各设有一根顶部敏感质量块锚固块(101)，所述顶部敏感质量块锚固块(101)的底部与二氧化硅层(302)相连接，顶部敏感质量块锚固块(101)的顶部设有顶部敏感质量块的金属压焊块(102); 可动平行板电容上电极(I 12)的底面与相邻的敏感质量块连通件(402)的端部相连，敏感质量块连通件(402)的另一端与凹槽侧敏感质量块(202)相连；即两个水平轴向检测单元均与凹槽侧敏感质量块(202)相连接； 玻璃基片为一块玻璃片(400);所述玻璃片(400)与下硅层(201)的底面形状相同，且与平行板下差分电容(203)的外侧端面、下硅层(201)的底面固定连接；将凹槽侧敏感质量块(202)的Z向移动距离限制在凹槽底部至玻璃片(400)之间。
5.如权利要求4所述的一种三轴电容式MEMS加速度传感器，其特征在于:在水平轴向检测单元上设有结构释放孔(301)。
6.如权利要求5所述的一种三轴电容式MEMS加速度传感器，其特征在于:所述结构释放孔(301)为贯穿的矩形或圆形小孔；结构释放孔(301)均布于可动平行板电容上电极(112 )、顶部敏感质量块(120 )、顶部敏感质量块X轴向凸块(121)和顶部敏感质量块Y轴向连杆(122)的表面，在提高水平轴向检测单元的机械强度与韧性的同时，一方面降低水平轴向检测单元的自重，另一方面提高对电容变化量的敏感性。
7.如权利要求1至6所述三轴电容式MEMS加速度传感器的制备方法，其特征在于:按如下步骤进行: 步骤1.备片:准备一块双面抛光SOI硅基片，所述SOI硅基片由依次连接的上硅层、二氧化硅层(302)和下硅层(201)组成； 步骤2.进行第一次光刻:在SOI硅基片的下层硅(201)的背面沉积一层铝作为一次深硅刻蚀的掩膜，随后旋涂正胶，对本步骤所旋涂的光刻胶层进行光刻，刻蚀本步骤所沉积的铝层，露出光刻区域的下层硅(201);随后，刻蚀下层硅(201)，在下层硅(201)的背面形成浅槽；所述浅槽区域为待刻蚀成为凹槽侧可动质量块(202)的下硅层(201)区域； 步骤3.进行第二次光刻:第二次在SOI硅基片的下层硅(201)的背面再沉积一层铝作为第二次深硅刻蚀的掩膜，随后再次旋涂正胶，对本步骤所旋涂的光刻胶层进行光刻，刻蚀本步骤所沉积的铝层，对浅槽四周的下层硅(201)进行深硅刻蚀，形成背面深槽，所述背面深槽内刻蚀形成凹槽侧可动质量块(202)和两个平行板下差分电容(203)结构；本步骤中的凹槽侧可动质量块(202)和平行板下差分电容(203)的内侧端面均与二氧化硅层(302)相连接；去除本步骤中在下层硅(201)背面沉积的起掩膜作用的铝层； 步骤4.硅-玻键合:利用键合技术，将下层硅(201)的底面、平行板下差分电容(203)的外侧端面与玻璃片(400)键合在一起；其中，玻璃片(400)的内侧表面上设有纳米吸气剂，从而实现下层硅(201)与玻璃片(400)之间毫托量级的高真空封装； 步骤5.进行第三次光刻:在SOI硅基片的上层硅的表面沉积一层铝作为上层硅刻蚀时的掩膜、随后涂正胶，对本步骤所形成的光刻胶层进行光刻，刻蚀本步骤中铝层、然后依次刻蚀上层硅和埋氧层的二氧化硅(302)，形成贯穿上层硅和二氧化硅层(302)的敏感质量块的连通孔(114)和下差分电容的连通孔(111);其中，敏感质量块的连通孔(114)与凹槽侧可动质量块(202)相对应，下差分电容的连通孔(111)与平行板下差分电容(203)相对应; 步骤6.沉积高掺杂的多晶硅:将敏感质量块的连通孔(114)和下差分电容的连通孔(111)分别由高掺杂的多晶硅填充满，实现上层硅和下层硅(201)的互连，通过化学机械抛光去除并平坦化上层硅表面的多晶硅层；再去除上层硅表面的铝掩膜；其中，填充在敏感质量块的连通孔(114)的高掺杂的多晶硅记为敏感质量块连通件(402)，填充在下差分电容的连通孔(111)的高掺杂的多晶硅记为下差分电容连通件(401); 步骤7.进行第四次光刻:在上层硅的表面淀积一层金属铝，然后在金属铝层的表面旋涂正胶，对光刻胶进行光刻，对所述的金属铝层进行刻蚀，分别形成顶部敏感质量块的金属压焊块(102)、平行板上电极的金属压焊块(104)4轴向锚固块的金属压焊块(106)、￥轴向锚固块的金属压焊块(108)和下差分电容的金属压焊块(110); 步骤8.进行第五次光刻:在完成步骤7的SOI硅基片的上层硅的表面沉积氧化层作为上层硅结构层刻蚀的掩膜板，随后涂正胶并刻蚀氧化层，然后对上层硅刻蚀，分别形成平行板上差分电容(113)、可动平行板电容上电极(112);X轴向固定梳齿(115)、X轴向可动梳齿(116)、￥轴向固定梳齿(117)、￥轴向可动梳齿(118)、1^型支撑弹簧梁(119)、顶部敏感质量块(120 )、顶部敏感质量块X轴向凸块(121)和顶部敏感质量块Y轴向连杆(122 )、顶部敏感质量块锚固块(101)、平行板上电极的锚固块(103)、X轴向锚固块(105)、Y轴向锚固块(107)和下差分电容的锚固块(109);与此同时，在水平轴向检测单元上刻蚀形成结构释放孔(301)； 步骤9.结构释放，获得成品:利用腐蚀液对上硅层进行垂直刻蚀，将未被顶部敏感质量块(120)、顶部敏感质量块X轴向凸块(121)和顶部敏感质量块Y轴向连杆(122)、顶部敏感质量块锚固块(101)、平行板上电极的锚固块(103)、X轴向锚固块(105)、Y轴向锚固块(107)和下差分电容的锚固块(109)覆盖保护的二氧化硅层(302)刻蚀掉，同时刻蚀去除由步骤8制作得到的、起掩膜板作用的氧化层，实现结构释放，并形成下硅层(201)中凹槽的制作，完成本三轴电容式MEMS加速度传感器的制备。
8.如权利要求7所述的三轴电容式MEMS加速度传感器的制备方法，其特征在于: 步骤10所述的腐蚀液为氢氟酸进而将设有结构释放孔(301)的平行板上差分电容(113)、设有结构释放孔(301)的可动平行板电容上电极(112);X轴向固定梳齿(115 )、X轴向可动梳齿(116 )、Y轴向固定梳齿(117 )、Y轴向可动梳齿(118 )、L型支撑弹簧梁(119 )下方的二氧化硅层(302)刻蚀掉。
【专利摘要】针对欧美国家垄断和禁运高精度MEMS加速度传感器的问题，本发明提供一种三轴电容式MEMS加速度传感器以及制备方法：本发明所述的加速度传感器包括SOI硅基片、加速度敏感质量块单元和玻璃基片。所述加速度敏感质量块单元由水平轴向检测单元和平行板检测单元两部分构成。本发明所述的制备方法，包括备片、第一次光刻、第二次光刻、硅-玻键合、第三次光刻、沉积高掺杂的多晶硅、第四次光刻、第五次光刻和结构释放九个步骤。有益技术效果是：本发明所述的加速度传感器使用了同一个加速度敏感质量块单元，实现对三轴加速度的无交叉干扰检测。具有长期稳定性和较好的可靠性，能满足特种领域对加速度检测的需求。
【IPC分类】B81B3-00, B81C1-00, G01P15-18, G01P15-125
【公开号】CN104714050
【申请号】CN201510099630
【发明人】许高斌, 陈兴, 马渊明
【申请人】南京中诺斯特传感器科技有限公司
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年3月7日