CN101349560A - 水平姿态敏感芯片及其制造方法、水平姿态传感器 - Google Patents

水平姿态敏感芯片及其制造方法、水平姿态传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种气体摆式水平姿态敏感芯片及其制造方法和水平姿态传感器。该气体摆式水平姿态敏感芯片包括半导体衬底；形成于所述半导体衬底的表面上的两组悬梁热敏丝，每组热敏丝包括两条相互平行的热敏丝，两组热敏丝之间相互垂直；在所述热敏丝的两端形成的电极。本发明提供的水平姿态敏感芯片和传感器，热敏丝的平行度和垂直度精度高，从而能够实现更精确的测量。

Description

水平姿态敏感芯片及其制造方法、水平姿态传感器
技术领域
本发明涉及载体的水平姿态测量技术领域，尤其涉及一种水平姿态敏感芯片及其制造方法和微机械气体摆式水平姿态传感器。
背景技术
常用的水平姿态传感器有固体摆式、液体摆式。这两种摆式水平姿态传感器都不同程度地存在结构复杂、抗冲击性能较差和响应时间长等缺点。本申请人向中国专利局提交的专利申请号93216480.3发明中提出了一种采用“气体摆”代替“固体摆”或“液体摆”的一维气体摆式水平姿态传感器。这种水平姿态敏感元件一般采用单腔双丝结构，在密闭腔体内有两个热敏丝，通以恒定电流。热敏丝既作为热源加热腔体内的气体，同时，热敏丝又作为检测元件，两热敏丝构成信号检测电桥的两臂。当一维气体摆式水平姿态敏感元件处于水平状态时，两热敏丝所产生的热气流均竖直向上，二者处在同一等温线上，两热敏丝的阻值相等，电桥平衡，检测电路输出电压为零。当敏感腔体相对水平面倾斜一角度时，两热敏丝分别处在不同的等温线上，热敏元件阻值发生不同变化，两热敏丝的阻值不等，电桥失去平衡，输出与倾斜角成比例的电压。
但是一维结构水平姿态敏感元件，只能敏感一个方向上的水平姿态。如果需要测量二维水平姿态，则需要利用两个传感器垂直安装，体积比一维的大很多；同时由于垂直安装的难度大，往往两轴的交叉耦合较大。此外，热敏丝同时起检测温度和加热作用，为了保证热敏丝有足够高的灵敏度和腔体温度，通常流过热敏丝的电流较大，热敏丝的温度高，热敏丝的检测性能下降，使传感器的稳定性变差。
为了提高性能，降低成本，缩小体积，中国电子科技集团公司第十三研究所发表了“微机械热对流加速度传感器可靠性研究”(微电子技术，2003，第7/8期，317～320页)，文中列出丝的阻值在300Ω～1000Ω之间。
河北半导体所报道的“微机械热对流加速度计”所采用的工艺(半导体学报，2001年，第22卷，第4期，465～468页)是在(100)Si上热生长一层SiO2，再淀积一层多晶硅，然后光刻，并对多晶硅进行硼扩散形成电阻条，最后淀积一层氮化硅(SiNx)，构成多晶硅热敏电阻和热电阻。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种测量准确度高的气体摆式水平姿态敏感芯片。
本发明提供的气体摆式水平姿态敏感芯片，包括：半导体衬底；形成于所述半导体衬底的表面上的两组悬梁热敏丝，每组热敏丝包括两条相互平行的热敏丝，两组热敏丝之间相互垂直；在所述热敏丝的两端形成的电极。
进一步，本发明的水平姿态敏感芯片还包括：形成于所述半导体衬底的表面上的悬梁加热丝，所述加热丝设置在同组热敏丝的对称位置；在所述加热丝的两端形成的电极。
根据本发明的一个实施例，两组热敏丝构成长方形，两组热敏丝共用一条加热丝，加热丝位于长方形的对角线上。
根据本发明的一个实施例，每组热敏丝具有一条加热丝，加热丝位于同组的两条热敏丝的中间位置。
根据本发明的一个实施例，半导体衬底为硅衬底，所述热敏丝和加热丝主要由Pt组成。热敏丝和加热丝的宽度为40～60μm，长度为1200～1600μm，丝间距为500～1000μm。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种微机械气体摆式水平姿态传感器。
本发明提供的微机械气体摆式水平姿态传感器，包括外壳、底座、角速度陀螺、信号处理电路、包括上述水平姿态敏感芯片的敏感元件。该敏感芯片和角速度陀螺固定在底座上。该敏感芯片输出倾角信号到所述信号处理电路，该角速度陀螺输出角速度信号到所述信号处理电路，所述信号处理电路对所述倾角信号和所述角速度信号进行处理，输出水平姿态电压信号。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种半导体芯片制造方法。
本发明提供的半导体芯片的制造方法，包括步骤：在半导体衬底的表面上形成掩层；在所述掩层上形成热敏丝和加热丝；在所述热敏丝和加热丝的端部形成电极；通过干法和湿法相结合刻蚀所述热敏丝和加热丝所在区域的所述半导体衬底形成悬梁。
进一步，上述掩层上形成热敏丝和加热丝的步骤包括：通过光刻在所述掩层上形成第一图案；通过溅射或者蒸发在所述第一图案上形成由金属或者合金组成的热敏丝和加热丝。
在所述热敏丝和加热丝的端部形成电极的步骤包括：通过光刻在所述半导体表面形成第二图案；通过蒸发在所述第二图案上形成电极，所述电极位于所述热敏丝和加热丝的端部。
上述形成悬梁的步骤包括：通过光刻在所述半导体表面的所述热敏丝和加热丝周围形成第三图案；通过干法刻蚀形成热敏丝柱和加热丝柱；通过湿法刻蚀形成悬梁热敏丝和悬梁加热丝。
更进一步，还包括步骤：对所述半导体芯片进行300～800℃的热处理。
本发明提供的气体摆式水平姿态敏感芯片，通过微机械加工工艺制作，热敏丝的平行度和垂直度精度高，从而可以实现更高的测量准确度。
附图说明
图1为微机械气体摆式水平姿态传感器的工作原理示意图；
图2为根据本发明的气体摆式水平姿态敏感芯片的一个实施例的结构示意图；
图3为根据本发明的水平姿态敏感芯片的另一个实施例的结构示意图；
图4为根据本发明的水平姿态敏感芯片的又一个实施例的结构示意图；
图5a为矩形结构水平姿态敏感元件的示意图；
图5b为半圆形结构水平姿态敏感元件的示意图；
图6为根据本发明的气体摆式水平姿态敏感芯片的制造方法的一个实施例的流程图；
图7为根据本发明的水平姿态敏感芯片的制造方法的另一实施例的流程图；
图8为第一次光刻所用的掩模版的示意图；
图9a为第二次光刻所用的掩模版的示意图；
图9b为第三次光刻所用的掩模版的示意图；
图10为微机械气体摆式水平姿态传感器的芯片悬梁制作过程中芯片的部分位置的截面图；
图11为微机械气体摆式水平姿态敏感元件的封装测试的流程图；
图12为微机械气体摆式水平姿态传感器信号获取电路的结构示意图；
图13为微机械气体摆式水平姿态传感器的结构示意图；
图14为微机械气体摆式水平姿态传感器信号处理电路原理图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。
图1为微机械气体摆式水平姿态传感器的工作原理示意图。其原理是利用密闭腔体中自然对流气体的摆特性，在密闭的腔体内，设置两根相互平行的热敏丝作为电桥的两个桥臂。其中10表示热源，11表示热敏丝所在的平面的法线，12表示气流的方向。如图1a所示，当传感器水平放置时，热气流垂直热敏丝所在的平面向上，此时，两根热敏丝吸收的热量相同，温度也相同，电桥达到平衡。如图1b所示，当传感器倾斜角θ时，热气流由于摆的特性仍然保持垂直向上，但偏离热敏丝所在平面的法线方向一个倾角θ，从而热敏丝吸收的热量不一样，温度也不同，导致电桥失去平衡，输出与倾角成正比的电压信号：
V0＝Kθ                              (1)
上式中K为比例系数(mv/°)。倾角敏感方向相反时，输出的电压符号也相反。
图2为根据本发明的气体摆式水平姿态敏感芯片的一个实施例的结构示意图。如图2所示，水平姿态敏感芯片包括作为衬底的硅片20、在硅片20上形成的两组相互垂直的热敏丝21、加热丝22、在热敏丝和加热丝的两端形成的电极23、在每组热敏丝下方形成的腔体24和25。箭头26和27分别表示每组热敏丝的敏感轴(指平行于热敏丝的方向)，绕轴可以做一定正反角度倾斜。通过图2所示的结构能测量互相垂直的两个方向的倾角。热敏丝和加热丝可以主要由铂(Pt)组成，也可以采用铂-铑、镍-铬-铝等热敏电阻材料或者合金。
根据本发明的一个实施例，热敏丝和加热丝的宽度为40～60μm，长度为1200～1600μm，丝间距为500～1000μm。
图3为示出根据本发明的水平姿态敏感芯片的另一个实施例的结构示意图。在该实施例中，两组热敏丝共用同一条加热丝。如图3所示，L、W分别表示芯片长度方向和宽度方向，即X轴和Y轴方向。图中水平姿态敏感芯片包括衬底30、在衬底上形成的电极31、加热丝32、芯片宽度方向上的热敏丝33和34、芯片长度方向上的热敏丝35和36。同组的热敏丝平行放置，不同组的热敏丝相互垂直。两组热敏丝共用同一加热丝32，加热丝处于热敏丝的对称位置。例如四条热敏丝组成长方形(例如，正方形)，加热丝处于长方形的对角线位置。热敏丝和加热丝都通过制作工艺形成悬梁结构，衬底在热敏丝和加热丝的下方形成腔体。衬底上的电极31可以主要由金、银、铜和铝等金属组成，也可以由合金组成。衬底除了采用硅，也可以采用锗、硒等。
图4为根据本发明的水平姿态敏感芯片的又一实施例的结构示意图。如图4所示，L、W分别表示芯片长度方向和宽度方向，图中水平姿态敏感芯片包括衬底40、在衬底上形成的电极41、芯片宽度方向上的热敏丝43、44和加热丝42、芯片长度方向上的热敏丝46、47和加热丝45。同组的热敏丝、加热丝相互平行，不同组的热敏丝、加热丝相互垂直。加热丝42位于热敏丝43和44的中间位置，加热丝45位于热敏丝46、47的中间位置。热敏丝和加热丝都通过制作工艺形成悬梁结构，在热敏丝和加热丝所在区域的衬底上形成腔体。
使用加热丝可以加大输出信号，缩短稳定时间。如果不使用加热丝，各组热敏丝信号输出较小。在同样倾斜角度下，有加热丝和没有加热丝输出信号相比较，前者输出信号比后者的输出信号灵敏度提高6～8倍。在相同空间的传感器芯片，有否加热丝，输出电压的稳定时间不一样，加热丝能使输出电压的稳定时间缩短。
热敏丝电阻R1和加热丝电阻R2可以表示如下：
R 1 = ρ L 1 S 1 - - - ( 2 )
R 2 = ρ L 2 S 2 - - - ( 3 )
其中ρ为Pt的电阻率；L1、L2分别为热敏丝和加热丝长度；S1、S2分别为热敏丝和加热丝的横截面积。在热敏丝和加热丝横截面为长方形的情况下，S＝W×H，即横截面积等于长度和宽度的乘积。由式(2)和式(3)计算所需的电阻值，既要考虑微机械加工的可能性和丝的机械特性，同时也要考虑能获得需要的输出信号。因此，热敏丝和加热丝的较佳尺寸要通过实验确定。
Pt热敏丝和加热丝比较细长，可以在高于工作电压下对其进行长时间的老化，以增加其工作的稳定性。在通电工作之前，对芯片在300～800℃进行热处理2h(2小时)，以改善热敏丝和加热丝的晶粒排列，增加其芯片的工作稳定性。下表1列出两组丝通电工作40h的实验结果：
Figure A20081011623100111
表1
从表1可看出，经40h的连续通电工作，丝上的电压变化＜±0.3％，说明加热丝和热敏丝在工作温度相同的条件下，阻值变化很小，传感器的稳定性好。
分别把单加热丝和双加热丝的芯片放在同样的外壳内，在相同条件下，单加热丝芯片比双加热丝芯片输出信号灵敏度约小20～30％。
可以将水平姿态敏感芯片安装在不同的腔体内。图5为腔体的实施例，其中图5a为矩形结构的腔体，内部空间尺寸为2cm×1.8cm×0.4cm，体积为1.44cm3。图5b是半圆形结构的腔体，腔体直径0.7cm，高0.5cm，体积为0.77cm3。
下表2示出了在采用一级放大的同种检测电路、加热丝在不同的偏置电压情况下，不同腔体结构输出信号(倾斜±80°)的测试结果：
 偏置电压(V)   矩形结构电压(mV)   半圆形结构电压(mV)
 2.35   ±110   ±100
 1.83   ±90   ±80
 1.45   ±60   ±55
 1.15   ±35   ±35
 0.76   ±20   ±20
 0.56   ±15   ±15
表2
从表2的数据可看出，不同形状和不同体积的腔体结构，对输出信号影响不大。
图6为根据本发明的气体摆式水平姿态敏感芯片的制造方法的一个实施例的流程图。
如图6所示，在步骤601，在半导体衬底上形成掩层。例如，在衬底为(100)硅片时，在硅片表面生长SiO2，从而在硅片表面形成掩膜，保护硅表面，为后面的加工工艺提供加工条件。
在步骤603，在掩层上形成热敏丝和加热丝。利用光刻在掩层上形成的图案，通过溅射或蒸发工艺在掩层上沉积金属(例如铂等)或合金(铂铑、镍铬铝等)形成热敏丝和加热丝。
在步骤605，在热敏丝和加热丝的端部形成电极。利用光刻在芯片表面形成电极图案，通过溅射形成电极。溅射的材料可以是金、银、铜和铝等金属或者合金。也可以通过蒸发的方式形成电极。
在步骤607，采用干法刻蚀形成热敏丝柱和加热丝柱。
在步骤609，通过湿法蚀刻在热敏丝和加热丝下方的衬底的区域形成悬梁结构。经过该步加工后，在热敏丝和加热丝的下方区域形成腔体，热敏丝和加热丝形成悬梁结构。
图7为根据本发明的水平姿态敏感芯片的制造方法的另一实施例的流程图。
如图7所示，在步骤701，在选取的硅片表面通过氧化形成二氧化硅层，可以在形成二氧化硅层前对硅片进行清洗。氧化后的硅片表面的在(A-A)和(B-B)处的截面图如图10(a)所示。
在步骤703、705，使用第一掩模版对硅片表面进行第一次光刻，所使用的掩模版如图8所示，在步骤705完成镀Ti和Pt。形成(A-A)和(B-B)处的截面图，如图10(b)所示。镀Ti起打底的作用，可以增强Pt和SiO2的结合。
在步骤707、709，使用第二掩模版对硅片表面进行第二次光刻，所使用的掩模版如图9a所示，通过溅射在硅片表面的图案上形成由Ti、Au构成的与热敏丝和加热丝相对应的电极。溅射的材料也可以是如铜、铝、银等其他的金属或者其他合金材料。镀Ti和Au后，硅片表面的在(A-A)和(B-B)处的截面图如图10(c)所示。
在步骤711，使用第三掩模版对硅片表面进行第三次光刻，在硅片表面形成对应的图案。所使用的掩模版如图9b所示。
在步骤713，进行干法深刻蚀。刻蚀深度可以为100～140μm。经过干法深刻蚀后对应的硅片表面的情况如图10(d)所示。进行深刻蚀为后面的悬梁加工打下基础。
在步骤715，经过湿法刻蚀形成悬梁结构。所得到的对应的悬梁情况如图10(e)(A-A)截面所示。
选择合适的进刀速度、划片宽度及水流速度，将硅片切割成小芯片。可以在形成悬梁结构后根据条件对半导体芯片进行切片。也可以在步骤715之前对半导体芯片进行切片，从而提高成品率。
图11为对切片完成后的水平姿态敏感芯片进行封装测试的流程图。
如图11所示，在步骤1101，对切片完成后的芯片进行分检。
在步骤1103，选择粘结胶，将芯片粘结到壳体上。
在步骤1105，将电极和导线连接，进行焊接装配。
在步骤1107，将封装好的芯片连接到后端电路，进行配电路调试。
在步骤1109，利用仪器设备对封装好的敏感元件进行性能测试。
图12为根据本发明的水平姿态传感器信号获取电路的电路图。如图12所示，该获取信号的电路包括倾角传感器121、一级放大器122、二级放大器123、和补偿电路124。其中，倾角传感器121包括由热敏丝构成的电阻1210和由加热丝构成的电阻1211。热敏丝构成的电阻1210与外界的两个参考电阻R构成电桥，当传感器相对于水平面倾斜时，电桥上两根热敏丝因感应的温度不同而使电桥失去平衡，输出一个与水平姿态倾斜角相对应的电压信号。一级放大器122和二级放大器123分别包括运算放大器1221和1231，对倾角传感器121输出的电压信号进行放大，调到一定V0供补偿所用。最后输出的是表示倾角θ的电压Vout。
图13为根据本发明的微机械气体摆式水平姿态传感器的一个实施例的结构示意图。如图13所示，该传感器包括底座131、水平姿态敏感元件132、角速度陀螺133、信号处理电路134、外壳135和插座136。其中的水平姿态敏感元件132由本发明的水平姿态敏感芯片封装而成。水平姿态敏感元件132用于输出倾角电压到信号处理电路134。角速度陀螺133用于输出角速度电压到信号处理电路134。信号处理电路134对收到的倾角电压和角速度电压进行处理，经过信号处理可得到二维和全方位水平姿态输出电压，输出消除干扰后的倾角电压，以及角速度电压。这样，将微机械水平姿态传感器与微机械角速度陀螺组合在一起，利用陀螺消除动基座扰动，即可获得消除动基座扰动的水平姿态输出。
图14为根据本发明的微机械气体摆式水平姿态传感器信号处理电路原理图。如图14所示，该电路包括二维水平姿态敏感元件141、角速度陀螺142、电桥电路143、放大电路144、温度传感器145、单片机146和放大电路147。角速度陀螺142检测角速度ω并发送给电桥电路143、二维水平姿态敏感元件141检测倾角θ和干扰倾角θ′并发送给电桥电路143，电桥电路143将接收的信号转换为电信号发送给放大电路144，经过放大后发给单片机进行处理。温度传感器145将检测的温度信号发送给单片机进行处理。单片机对接收的信号进行处理后发送给放大电路147，由放大电路输出角速度电压信号Vω和倾角电压信号Vθ。其中单片机包括零位和灵敏度补偿模块1461、线性度和输出模块1462、姿态扰动消除模块1463和全方位水平姿态信号补偿模块1464。
对于水平姿态传感器可参考中国专利公开号为CN101071066A中的相关描述。本发明的微机械气体摆式水平姿态传感器的主要技术指标如下表3所示：
  测量范围   响应时间   分辨率   非线性度   抑制扰动效率
  ±45°   ≤80ms   ≤0.01°   ≤1％   ≥95％
表3
本发明提供的微机械气体摆式水平姿态传感器中，水平姿态传感器的芯片通过微机械硅体加工工艺制作，热敏丝的平行度和垂直度精度高。微机械气体摆式水平姿态传感器硅体加工工艺的光刻、深刻蚀、溅射、腐蚀等能精确控制热敏丝阻值，制备出性能一致性好的芯片。微机械气体摆式水平姿态传感器芯片尺寸可以小至为4×4mm2以下，在4英寸的硅片上可以制备出100多个芯片，容易实现批量生产。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (17)

1.一种气体摆式水平姿态敏感芯片，其特征在于，包括：
半导体衬底；
形成于所述半导体衬底的表面上的两组悬梁热敏丝，每组热敏丝包括两条相互平行的热敏丝，两组热敏丝之间相互垂直；
在所述热敏丝的两端形成的电极。
2.根据权利要求1所述的水平姿态敏感芯片，其特征在于，还包括：
形成于所述半导体衬底的表面上的悬梁加热丝，所述加热丝设置在同组热敏丝的对称位置；
在所述加热丝的两端形成的电极。
3.根据权利要求2所述的水平姿态敏感芯片，其特征在于，两组热敏丝构成长方形，两组热敏丝共用一条加热丝，加热丝位于长方形的对角线上。
4.根据权利要求2所述的水平姿态敏感芯片，其特征在于，每组热敏丝具有一条加热丝，加热丝位于同组的两条热敏丝的中间位置。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的水平姿态敏感芯片，其特征在于，所述半导体衬底为硅衬底或锗衬底。
6.根据权利要求2至4中任意一项所述的水平姿态敏感芯片，其特征在于，所述热敏丝和/或加热丝主要由Pt组成。
7.根据权利要求2至4中任意一项所述的水平姿态敏感芯片，其特征在于，热敏丝和加热丝的宽度为40～60μm，长度为1200～1600μm，丝间距为500～1000μm。
8、根据权利要求1至4中任意一项所述的水平姿态敏感芯片，其特征在于，所述电极主要由金、银、铜、或铝组成。
9.一种微机械气体摆式水平姿态传感器，其特征在于，包括外壳、底座、角速度陀螺、信号处理电路、和包括如权利要求1至4中任意一项所述的水平姿态敏感芯片的敏感元件，所述敏感芯片输出倾角信号到所述信号处理电路，所述角速度陀螺输出角速度信号到所述信号处理电路，所述信号处理电路对所述倾角信号和所述角速度信号进行处理，输出水平姿态电压信号。
10.根据权利要求9所述的水平姿态传感器，其特征在于，所述信号处理电路还输出角速度电压。
11.一种半导体芯片的制造方法，其特征在于，包括步骤：
在半导体衬底的表面上形成掩层；
在所述掩层上形成热敏丝和加热丝；
在所述热敏丝和加热丝的端部形成电极；
通过刻蚀所述热敏丝和加热丝所在区域的所述半导体衬底形成悬梁。
12.根据权利要求11所述的半导体芯片的制造方法，其特征在于，所述半导体衬底为硅片，所述掩层为二氧化硅或者氮化硅。
13.根据权利要求11或12所述的半导体芯片的制造方法，其特征在于，在所述掩层上形成热敏丝和加热丝的步骤包括：
通过光刻在所述掩层上形成第一图案；
通过溅射或蒸发在所述第一图案上形成由金属或者合金组成的热敏丝和加热丝。
14.根据权利要求13所述的半导体芯片的制造方法，其特征在于，所述合金为铂铑或镍铬铝。
15.根据权利要求11或12所述的半导体芯片的制造方法，其特征在于，在所述热敏丝和加热丝的端部形成电极的步骤包括：
通过光刻在所述半导体表面形成第二图案；
通过蒸发在所述第二图案上形成电极，所述电极位于所述热敏丝和加热丝的端部。
16.根据权利要求11或12所述的半导体芯片的制造方法，其特征在于，所述形成悬梁的步骤包括：
通过光刻在所述半导体表面的所述热敏丝和加热丝周围形成第三图案；
通过干法刻蚀形成热敏丝柱和加热丝柱；
通过湿法刻蚀形成悬梁热敏丝和悬梁加热丝。
17、根据权利要求11或12所述的半导体芯片的制造方法，其特征在于，还包括步骤：
对所述半导体芯片进行300～800℃的热处理。
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