CN101271124B - L形梁压阻式微加速度计及其制作方法 - Google Patents

L形梁压阻式微加速度计及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种L梁压阻式微型加速度计及其制作方法，包括支撑主框架体、弹性梁、质量块、盖板等，其特征在于所述的汤型梁呈L形，L形弹性梁的长臂与支撑主框架体的边框相连，质量块通过L形弹性梁支撑悬于支撑边框体的中间，L形弹性梁的短臂与质量块上表面的顶角相连；支撑主框架体的上、下两面粘合有盖板；L形梁的长臂的根部和顶端各设置有压敏电阻，每根L形梁上的两个阻值相等的压敏电阻组成惠斯顿电桥的单边应变的电桥。采用微电子机械加工技术作为关键制作技术。解决现有压阻式微加速度计不能同时满足灵敏度高、体积小、成本低、交叉干扰小、易于加工的问题。

Description

L形梁压阻式微加速度计及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种压阻式微型加速度计及其制作方法，更确切地说涉及一种弹性梁为L形梁的压阻式微加速度计及其制作方法。属于微电子机械系统(MEMS)技术领域。
背景技术
加速度计作为一种惯性器件在汽车、电子、机械领域的振动和冲击测量，轮船、飞机和航天器的导航，以及石油探测和地震预报的振动测试等领域有着广泛的应用。利用微电子机械加工技术(Micro-machining-Technology)制作的微加速度计具有成本低、体积小、质量轻、稳定性高、可批量生产等优点，因而具有广阔的军事和民用前景。目前的微加速度计，按检测方式划分主要有：电容式、压阻式、压电式、谐振式、隧道电流式、热对流式等。其中压阻式微加速度计具有灵敏度高、线性度好、无迟滞、动态响应特性好、直接输出电压信号、接口电路简单、批量生产成本低、测量精度高、稳定性好、工艺简单、与硅集成电路平面工艺兼容性好等优点而得到广泛应用。
压阻式微加速度计包含支撑边框、弹性梁和质量块结构，当有加速度作用时产生的惯性力使质量块发生上下移动，弹性梁发生变形，弹性梁上的压敏电阻的阻值随应力的变化而变化，因而引起电桥输出电压的变化，以此实现对加速度的测量。
现有的压阻式微加速度计的主要有双端固支梁式、悬臂梁式等，如图1-1、图1-2所示。其中悬臂梁结构的优点是灵敏度高，但它的一阶固有频率低，频率响应范围窄、交叉干扰大；双端固支梁结构的优点是固有频率高，频率响应范围宽，交叉干扰小，但在采用相同参数的梁时其灵敏度明显低于悬臂梁结构。同时若要提高现有的微加速度计的灵敏度则必须减小梁的厚度或者增加梁的长度，而减小梁的厚度会给加工工艺带来很大的困难；增加的梁长度则会加大芯片的尺寸，使得生产成本大大增加，从而降低产品的竞争优势。
发明内容
本发明为了解决现有压阻式微加速度计不能同时满足灵敏度高、体积小、成本低、交叉干扰小、易于加工的缺点，提出了一种L形梁的压阻式微加速度计及其制作方法，所述的L梁压阻式微加速度计，如图2-1所示。
本发明是通过如下技术方案实现的：
所述的压阻式微加速度计，包括支撑主框架体、弹性梁、质量块、盖板以及压敏电阻，其特征在于所述的弹性梁呈L形，L形弹性梁的长臂与支撑主框架体的边框相连，质量块通过L形弹性梁支撑悬于支撑边框体的中间，L形弹性梁的短臂与质量块上表面的顶角相连；支撑主框架体的上、下两面粘合有盖板；L形梁的长臂的根部和顶端各设置有压敏电阻，每根L形梁上的两个阻值相等的压敏电阻组成惠斯通电桥的单边应变的电桥。
任意两根L形弹性梁上的四个阻值相等的压敏电阻组成惠斯通电桥。
所述的L形弹性梁至少为两根。
质量块的四个顶角刻蚀出L形弹性梁，质量块两对角处各刻蚀出一根L形弹性梁或质量块同一边的两顶角处各刻蚀出一根L形弹性梁。
由于本发明提供的压阻式加速度计采用L形弹性梁，因而可以在加速度计体积较小的情况下制备出较长的梁，从而具有较高的灵敏度；同时由于梁较长因而对厚度的要求便可降低，使得工艺上更容易实现；另外质量块通过至少2根L形梁与边框相连，因而能很好地抑制交叉干扰，从而具有较高的测量精度；同时由于本加速度计中的阻尼为压膜阻尼，通过设计合适的阻尼间隙得到合适的阻尼比，从而得到较宽的频率响应范围。
具体实现L形梁压阻式微加速度计的制作工艺步骤包括阻尼间隙形成、质量块形成、下盖板和L形弹性梁压阻式微加速度计主体框架的粘合、电阻条形成、金属铝引线形成、梁结构形成等。具体特征在于：
(1)阻尼间隙形成：在抛光的硅片上，首先热生长二氧化硅层，光刻图形，再用湿法腐蚀刻蚀出阻尼间隙；
(2)质量块形成：在步骤1形成阻尼间隙的硅片上，首先用热氧化法生成一层氧化硅，光刻图形，用KOH溶液腐蚀出质量块结构；
(3)下盖板和L梁压阻式微加速度计主体框架的粘合：去除步骤2形成的硅片的二氧化硅层，将它和另一张抛光的硅片进行硅-硅直接键合；
(4)掺杂高浓度硼，形成与金属接触孔区；
(5)掺杂低浓度硼，形成电阻条；
(6)将掺杂后硅片进行硼主扩；
(7)光刻出引线孔；
(8)铝刻蚀：在步骤5形成的硅片上溅射一层铝，光刻出铝引线；
(9)L形弹性梁结构的形成：去除步骤6形成的硅片上梁部分的二氧化硅光刻出梁窗口，用DRIE(深反应离子刻蚀)干法刻蚀释放梁结构；
(10)粘合上盖板。
本发明中采用硅-硅键合制作下盖板，便于后面的高温工艺。本发明中采用DRIE(深反应离子刻蚀)正面干法刻蚀最后释放结构，形成梁，可以确保梁结构的完整性。
附图说明
图1是典型的悬臂梁和双端固支梁结构的压阻式微加速度计示意图。图1-1：双端固支压阻式微加速度计，图1-2：悬臂梁压阻式微加速度计。
图2是本发明提出的L梁压阻式微加速度计结构示意图。图2-1：俯视图，图2-2：剖面图，图2-3：加速度计电桥结构图。
图3是具体实施方式例1所述器件的具体工艺流程。
图4-1：实施例2所述器件俯视图；
图4-2：实施例3所述器件俯视图；
图中各数字代表的含义为：
1.支撑主框架体，2.弹性梁，3.质量块，4.电阻条(掺低浓度硼)，5.二氧化硅，6.下盖板，7.铝引线，8.接触孔(掺高浓度硼)，9.上盖板。
具体实施方式
下面结合本发明所提供的工艺流程，来具体阐明该加速度计的具体结构。
实施例1
(1)在抛光的硅片1上，首先热生长二氧化硅层5，进行正面光刻，制作出对准标记，在硅片反面进行阻尼间隙光刻，用湿法腐蚀刻蚀出阻尼间隙。见图3-1。
(2)在步骤1形成阻尼间隙的硅片上，首先用热氧化法生成一层二氧化硅层，进行质量块3光刻，用KOH腐蚀出质量块结构。见图3-2
(3)去除步骤2腐蚀出质量块硅片上的二氧化硅层，把它和另一抛光的作为下盖板6的硅片进行硅-硅键合。见图3-3。
(4)将步骤3硅-硅键合后的硅片进行氧化，生长一层氧化层，光刻出接触孔窗口8，进行高浓度硼离子的注入。见图3-4。
(5)在步骤4形成的硅片上光刻出电阻条窗口，进行低浓度B离子的注入形成电阻条4。见图3-5。
(6)将步骤5形成的硅片进行硼主扩。
(7)在步骤6形成的硅片上进行引线孔8的光刻，刻蚀出铝引线孔窗口。
(8)在步骤7形成的硅片上溅射一层铝，光刻出铝引线7。见图3-6。
(9)在步骤8形成的硅片上光刻出梁窗口，用DRIE(深反应离子刻蚀)干法刻蚀释放梁结构。见图3-7。
(10)将步骤9形成的硅片与另一张抛光的作为上盖板的硅片进行粘合。见图3-8。
实施例2
其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于：在实施例1在步骤9中光刻梁窗口时，仅在质量块两对角处各刻蚀出一根L形弹性梁，而非实施例1中的在质量块四个顶角处均刻蚀出梁窗口，其余步骤与实施例1中的相应步骤相同。本实施例所构筑的压阻式微加速度计结构的俯视图如图4-1所示。
实施例3
其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于：在实施例1步骤9中光刻梁窗口时，仅在质量块同一边的两顶角处各刻蚀出一根L形弹性梁，而非实施例1中的在质量块四个顶角处均刻蚀出梁窗口，其余步骤与实施例1中的相应步骤相同，本实施例所构筑的压阻式微加速度计结构的俯视图如图4-2所示。

Claims (5)

1.一种压阻式微加速度计，包括支撑主框架体、弹性梁、质量块、盖板以及压敏电阻，其特征在于所述的弹性梁呈L形，L形弹性梁的长臂与支撑主框架体的边框相连，质量块通过L形弹性梁支撑悬于支撑主框架体的中间，L形弹性梁的短臂与质量块上表面的顶角相连；支撑主框架体的上、下两面各粘合有盖板；L形弹性梁的长臂的根部和顶端各设置有压敏电阻，每根L形弹性梁上的两个阻值相等的压敏电阻组成惠斯通电桥的单边应变的电桥；
其中，①所述的L形弹性梁至少为两根；
②任意两根L形弹性梁上的四个阻值相等的压敏电阻组成惠斯通电桥。
2.按权利要求1所述的压阻式微加速度计，其特征在于质量块的四个顶角各刻蚀出L形弹性梁、质量块两对角处各刻蚀出一根L形弹性梁或质量块同一边的两顶角处各刻蚀出一根L形弹性梁。
3.制作如权利要求1所述的压阻式微加速度计的方法，其特征在于包括阻尼间隙形成、质量块形成、下盖板和L形弹性梁压阻式微加速度计支撑主框架体的粘合、电阻条形成、金属铝引线形成以及梁结构释放，具体步骤为：
(1)在抛光的硅片上，首先热生长二氧化硅层，进行正面光刻，制作出对准标记，在硅片反面进行阻尼间隙光刻，用湿法腐蚀刻蚀出阻尼间隙；
(2)在步骤1形成阻尼间隙的硅片上，首先用热氧化法生成一层二氧化硅层，进行质量块的光刻，再用KOH腐蚀出质量块结构；
(3)去除步骤2腐蚀出质量块硅片上的二氧化硅层，将它和另一抛光的作为下盖板的硅片进行粘合；
(4)将步骤3粘合后的硅片进行氧化，生长一层二氧化硅氧化层，在二氧化硅的氧化层上光刻出接触孔窗口，进行硼离子注入；
(5)在步骤4形成的硅片上光刻出电阻条窗口，进行硼离子注入形成电阻条；
(6)将步骤5形成的硅片进行硼离子主扩；
(7)在步骤6形成的硅片上进行引线孔的光刻，刻蚀出铝引线孔窗口；
(8)在步骤7形成的硅片上溅射一层铝，光刻出铝引线；
(9)在步骤8形成的硅片上光刻出L形弹性梁窗口，用干法刻蚀释放出L形弹性梁的结构；
(10)将步骤9形成的硅片与另一张抛光的作为上盖板的硅片进行粘合。
4.按权利要求3所述的压阻式微加速度计的制作方法，其特征在于步骤4所述的质量块的硅片与作为下盖板的硅片的粘合是采用硅-硅直接键合实现的。
5.按权利要求3所述的压阻式微加速度计的制作方法，其特征在于步骤9刻蚀释放L形弹性梁是通过深反应离子刻蚀方法实施的。
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