CN101968495B - 在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器及制作方法。其特征在于所述加速度计由单硅片通过体微机械单面加工而成，避免了多个芯片键合工艺和不同材料带来的应力。为实现单面加工悬臂梁敏感结构，在结构深刻蚀后利用各向异性腐蚀方法，在悬臂梁底部横向刻蚀将悬臂梁结构释放。该结构除提供敏感方向上的空气压膜阻尼和机械过载保护外，还解决了以往结构在垂直敏感方向没有空气压膜阻尼的问题，避免了垂直方向因结构共振引起的寄生信号干扰。本发明特别适合高g值测量，具有结构简单，芯片尺寸小等特点。同时，单面工艺可使用廉价单抛硅片，适于低成本、大批量制造，结合更好的性能具有广阔的应用前景。

Description

在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器及方法

技术领域

本发明涉及一种在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器及方法，属于硅微机械传感器领域。

背景技术

随着MEMS技术的不断发展，硅微机械加工工艺的日趋成熟，硅微机械加速度传感器由于其价格低、精度高和适合于批量生产，而被广泛地应用于不同领域，如汽车气囊、机器人产业及自动化控制等各种运动的监控工程中。目前，高冲击环境下进行高g量程检测的加速度传感器在军事和航空航天等领域得到广泛应用。近年来，随着侵彻式武器的发展和对高爆炸冲击现象研究的不断深入，对高量程加速度传感器的需求和要求也逐渐增高。高g值加速度传感器的工作环境一般比较恶劣，这对传感器的量程、频响和可靠性等提出很高的要求。

目前，该类加速度传感器的主要监测核心部件为硅悬臂梁力学敏感结构和检测电阻等电敏感器件，主要采用(100)单晶硅片通过对双抛硅片正反两面微机械加工，然后通过硅-硅键合或者硅-玻璃键合制作而成，因此该类传感器结构在垂直敏感方向上的间隙很大(见图1)。该类加速度传感器主要有以下两种不同结构方式：(1)悬臂梁+质量块结构方式，例如，[1]Y Ning，Y Loke，G Mckinnon MCKNNON G，Fabrication and characterization of high-g-force，silicon piezoresistive accelerometers，Sensors and Actuators.1995，A48：55-61.(2)悬臂梁结构方式，例如，[2]J.Dong，X.Li，Y.Wang，D.Lu and S.Ahat，Silicon micromachined high-shock accelerometers with acurved-surface-application structure for over-rang stop protection andfree-mode-resonance depression，J.Micromech.Microeng.2002，12(6)：742-746.上述两种采用单晶硅双面微机械加工的加速度传感器由于在制作过程中需要花费大量时间利用KOH溶液来大面积和大深度的减薄硅片到预期的结构梁厚度，不仅延长生产周期，而且(100)硅片背面腐蚀所形成斜的侧壁占用很大的面积，因此使得加工后的芯片尺寸很大(见图1)，并且加工后的器件需要通过硅-硅键合或硅-玻璃键合来提供其强度和衬底，这些不仅增加工艺的复杂性，提高了生产成本，而且这种键合结构的加速度传感器使其工作带宽和抗高量程冲击能力大大降低，难以满足超高g量程(＞8万g)检测要求。更重要的是，这种双面微机械加工的传感器由于悬臂梁和衬底之间的间隙很大，因此在垂直于敏感方向没有足够的空气压膜阻尼来抑制结构共振所引起的寄生信号干扰。为了克服现有压阻式加速度计制作技术及结构存在的上述两大缺点，本发明人拟提出一种在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度计及其制作方法，整个加速度传感器与以往基于(100)硅片压阻式加速度传感器相比，本发明的加速度传感器基于(111)硅片制作，且具有单片单面一体式结构，无需多个芯片键合封装来形成传感器硅衬底(见图2)，因此这种结构决定了不能用以往双面微机械加工形成悬臂梁敏感结构方法，而必须从硅片正面进行单面微机械加工的方法。本发明正是通过硅深度反应离子刻蚀形成悬臂梁结构图形和悬臂梁底部横向刻蚀释放悬臂梁结构完成整个传感器加工。因此与传统压阻式加速度传感器相比，本发明提供的传感器在结构上具有体积更小、强度更大、测量精度更高、抗冲击能力更强等优点，并且单面工艺可使用廉价单抛硅片，适合于低成本，大批量生产。同时，由于这种单面微机械加工方法可以很好的控制检测悬臂梁底部与硅衬底之间的距离，因此可以解决以往结构在垂直于敏感方向没有空气压膜阻尼的问题，提高传感器的动态特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在(111)单晶硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器及其制作方法，以克服传统基于(100)硅片压阻检测的加速度传感器难以满足超高g量程(＞8万g)检测的不足，同时进一步降低传感器加工成本和简化工艺的复杂性。

具体地讲，本发明主要是充分利用(111)单晶硅的特殊晶面及晶向关系来达到从单晶硅正面微机械加工，克服传统从两面微机械加工形成悬臂梁敏感结构的方法，实现悬臂梁结构的横向刻蚀释放，同时利用(111)单晶硅片压阻系数的特殊性结合悬臂梁受力时应力分布情况，实现对检测压阻的优化排布，从而组成惠斯顿全桥检测电路实现对加速度的监控，具体结构如图3所示。本发明提供的传感器主要包括结构设计和压阻设计两个方面，其中在结构设计方面，主要从(111)单晶硅片刻蚀机理分析入手，本发明通过对(111)单晶硅刻蚀机理仿真分析，可以了解到(111)单晶硅片共有8个(111)晶面。其中，除了硅片上表面和下表面两个(111)晶面外，其余六个(111)晶面中三个(111)晶面组成一个正等边三角形，其余三个(111)面组成一个倒等边三角形，这两个等边三角形按质心重叠形成正六角星结构。该正六角星绕质心沿顺时针或逆时针旋转30°即可得六个(110)晶面。根据微机械湿法刻蚀机理可知，(111)晶面刻蚀速率最慢而(110)晶面刻蚀速度最快，因此，(111)晶面通常被作为湿法刻蚀时的自停止面。在本发明提供的传感器结构中，整个加速度传感器主要由两根结构尺寸完全一样的检测悬臂梁组成，抗高过载冲击曲面分别位于检测悬臂梁的两侧，垂直于敏感方向的可动间隙位于悬臂梁下表面与硅衬底之间。根据上述(111)硅片刻蚀机理，传感器的两根悬臂梁均沿<111>晶向并行排布，这样悬臂梁的侧壁即为(110)晶面，然后利用结构侧壁钝化保护及悬臂梁底部各项异性腐蚀方法即可实现悬臂梁结构释放(见图4)。采用该微机械加工所得的悬臂梁底部和衬底之间的间隙可以通过硅深度刻蚀得到很好的控制，从而在垂直于敏感方向上形成有效地空气压膜阻尼，由参考文献[3]M.H Bao，Micro Mechanical Transducers：Pressure Sensors，Accelerometers and Gyroscopes(Amsterdam：Elsevier)，2000.可知，其阻尼比ζ表达式如下所示：

$\mathrm{\&zeta;}=\frac{\mathrm{\&mu;}{b}^3{l}^3}{2.038\mathrm{mw}{h}^3}\sqrt{\frac{\mathrm{\&rho;}}{E}}---\left(1\right)$

式中μ为空气粘滞阻尼系数，b为悬臂梁的厚度，l为悬臂梁的长度，w为悬臂梁的宽度，h为悬臂梁下表面与衬底之间的间隙厚度，m为悬臂梁质量，ρ为单晶硅密度，E为单晶硅杨氏模量。由公式(1)可知，阻尼比与间隙h的三次方成反比，h越小，阻尼比越大，虽然阻尼比达不到0.6～0.7的临界阻尼，但已可有效地起到抑制共振模态的作用。在压阻设计方面，本发明采用欧拉坐标变换方法来分别分析n型和p型(111)单晶硅上任意晶向上压阻系数与不同晶向之间的关系，分析结果表明，n型和p型(111)单晶硅上的压阻系数均与晶向无关，它们均为恒定值，其中p型(111)单晶硅的纵向压阻系数和横向压阻系数分别为π₄₄/2和-π₄₄/6；n型(111)单晶硅的纵向压阻系数和横向压阻系数分别为-π₁₂/2和π₁₂/2。由于p型纵向压阻系数(69.05×10^-11/Pa)远大于n型纵向压阻系数(26.7×10^-11/Pa)，因此，本发明选用n型(111)硅片来加工p型压阻以获取更好的检测灵敏度。压阻布置主要由悬臂梁上的应力分布情况确定，由于悬臂梁根部应力最大，故而在每根检测悬臂梁的根部附近，靠近梁的两侧位置分别布置一个检测电阻，这样，当悬臂梁在外部加速度作用下沿同一个方向运动时，确保两根检测梁同一侧电阻在纵向应力作用下电阻受拉(或受压)，相应阻值增大(或减小)；同时，悬臂梁另一侧电阻则受压(或受拉)，相应阻值减小(或增大)，从而构成惠斯顿全桥检测电路实现对高g值加速度的检测。本发明提供的传感器采用单面单硅片结构，避免了多个芯片键合工艺和不同键合材料带来的应力。本发明提供的加速度传感器测试结果表明，传感器的灵敏度为0.35μV/g，当温度从-20℃到120℃时，温度漂移系数(TCO)约为89ppm/℃，比传统加工的压阻式传感器的TCO要低一个数量级，详见参考文献[2]。本发明的传感器具有高量程、尺寸小，成本低等特点，结合更好的性能，具有广阔的应用前景。

本发明的基本制作过程如下：

(1)选用n型(111)单抛硅片(双抛硅片也可以)，电阻率为1～8Ω·cm，轴偏切为0±1.0°。

(2)采用硼离子注入方法制作敏感电阻，注入偏角7°10°之间，其方块电阻值在72～90欧姆范围内。

(3)LPCVD沉积低应力氮化硅和二氧化硅作为后续工艺过程中检测悬臂梁上表面深度反应离子刻蚀和KOH刻蚀释放的钝化保护层。

(4)采用深反应离子刻蚀工艺(DRIE)加工制作检测悬臂梁结构图形，释放槽的刻蚀深度为悬臂梁的宽度，槽的宽度主要由悬臂梁的挠度曲线、阻尼特性及过载保护决定。

(5)LPCVD沉积低应力氮化硅(或氮化硅和二氧化硅)作为检测梁侧壁钝化保护层。

(6)利用反应离子刻蚀工艺(或深反应离子刻蚀工艺)剥离释放槽底部的钝化保护层，然后再利用反应离子刻蚀工艺刻蚀出检测梁侧壁释放间隙，这两步骤干法刻蚀均不需要任何掩模。

(7)利用KOH溶液或者TMAH溶液刻蚀释放检测悬臂梁。

(8)采用160℃，85％(质量百分浓度)磷酸腐蚀硅片表面残余的氮化硅层。

(9)制作欧姆接触区和引线孔。

(10)在硅片表面溅射铝薄膜，并形成引线和焊盘。

综上所述，本发明提供的一种在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度计及制作方法，解决了以往压阻式加速度传感器加工后需要与其它材料键合来形成结构衬底给传感器输出特性带来了一系列影响问题；通过硅片正面加工形成悬臂梁敏感结构，该结构除了提供敏感方向上的空气压膜阻尼和机械过载保护外，还解决了以往结构在垂直敏感方向没有空气压膜阻尼的问题，避免了垂直方向因结构共振引起的寄生信号干扰。本发明不仅可提供高灵敏度，稳定性佳，抗冲击能力强的高g值单片单面一体式加速度传感器芯片，而且简化了制作工艺，降低了生产成本，提高了测量的量程，改善了动态特性，可进行大批量、低成本制作。

附图说明

图1为传统硅-玻璃键合的加速度传感器结构示意图。

图2为本发明提供的单硅片加工的加速度传感器结构示意图。

图3为本发明提供的在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器三维结构示意图。

图4为本发明提供的加速度传感器悬臂梁刻蚀释放仿真图。

图5为本发明提供的在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器工艺流程图。(a)压阻制作；(b)刻蚀结构层；(c)结构层侧壁钝化保护；(d)刻蚀牺牲间隙；(e)悬臂梁横向刻蚀释放；(f)加工引线孔及引线。

图6为本发明提供的在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器沿检测悬臂梁纵向截面SEM图片。

图7为本发明提供的在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器沿检测悬臂梁横向截面SEM图片。

图8为本发明提供的在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器时间响应与输出实验曲线图。

图9为本发明提供的在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器输出电压与加速度关系曲线图。

图中：

1——硼掺杂后形成的敏感电阻；

2——检测悬臂梁；

3——抗高过载冲击保护曲面；

4——悬臂梁与衬底之间间隙；

5——电阻条引线孔；

6——硅衬底。

7——玻璃衬底(例如：Pyrex 7740)；

8——金属连线。

具体实施方式

下面通过具体实施例的描述，进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。

实施例1

一种在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度计，其结构主要由单晶硅衬底、检测悬臂梁、敏感电阻、抗高过载冲击曲面和垂直敏感方向上的间隙构成。其特征在于整个加速度传感器采用(111)单硅片制作(见图3)，与以往采用(100)硅片两面微机械加工形成悬臂梁敏感结构不同，本发明传感器采用单硅片一体式结构，在硅片正面进行单面微机械加工。传感器采用双悬臂梁压阻检测方式，悬臂梁结构尺寸完全一致并沿同一方向并行排列，抗高过载冲击曲面分别位于悬臂梁的两侧，垂直敏感方向上的间隙位于悬臂梁下表面与硅衬底之间。悬臂梁的结构是通过硅片正面干法刻蚀，然后利用各向异性腐蚀的方法在悬臂梁结构底部横向刻蚀释放悬臂梁。所提供的传感器在结构上除了提供敏感方向上空气压膜阻尼和机械过载保护外，还解决了以往结构在垂直敏感方向没有空气阻尼的问题。抑制该方向由冲击引起的共振模态，从而抑制交叉轴寄生敏感度造成的高冲击加速度响应失真。根据检测梁上表面应力分布的情况，四个检测电阻分别位于两悬臂梁根部位置，组成完整的全桥惠斯顿检测电路。与传统压阻式加速度传感器相比(见图1)，本发明的传感器避免了多个芯片键合工艺和不同键合材料带来的应力。传感器具有尺寸小，测量精度高，稳定性好等特点，并且单面工艺可以使用廉价单面抛光硅片，适于低成本、大批量生产，具有广泛的应用前景。

实施例2

量程为10万g的在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度计及制作方法：所设计悬臂梁结构长度为400μm，厚度为50μm，宽度为18.5μm，加工后芯片整体尺寸为1.5×1.5×0.8mm³(传统压阻式加速度传感器加工后整体尺寸为6.0×6.0×1.30mm³，具体详见参考文献[2])。整个传感器在n型(111)单晶硅片上实施的(因为p型(111)单晶硅上加工n型压阻时，压阻系数比较小，不利于提高传感器灵敏度，所用选用n型(111)硅片制作)，传感器为单硅片的一体式结构，制成的传感器灵敏度为0.35μV/g(见图9)，当温度从-20℃到120℃时，温度漂移系数(TCO)约为89ppm/℃，比传统加工的压阻式加速度传感器的TCO要低一个数量级，详见参考文献[2]。整个制作过程通过硅片正面进行微机械加工。

具体工艺实施步骤如下：

1.起始硅片，n型(111)单抛光硅片(双抛光硅片亦可)，厚度450μm，轴偏切0±1.0°。

2.采用硼离子注入的方法，在硅片正面注入硼离子形成具有压阻效应的敏感电阻，电阻大小为3.0kΩ～4.5kΩ(如图5(a))。

3.在硅片正面采用LPCVD工艺沉积低应力氮化硅和二氧化硅一起作为硅深度反应离子刻蚀(DRIE)工艺刻蚀检测梁的图形及湿法刻蚀释放时的阻挡层。

4.采用硅深反应离子刻蚀工艺刻蚀检测梁结构图形，刻蚀深度为检测梁的宽度(这里取50μm)(如图5(b))。

5.利用LPCVD工艺在检测梁侧壁沉积氮化硅(或氮化硅和二氧化硅)作为侧壁钝化保护层(如图5(c))。

6.在无掩模情况下，利用反应离子刻蚀工艺(或硅深反应离子刻蚀工艺)剥离检测梁侧壁槽底部钝化层。

7.在无掩模情况下，利用硅深度反应离子刻蚀工艺刻蚀检测梁侧壁释放时所需牺牲间隙的宽度(如图5(d))。

8.采用质量百分浓度为40％，温度为50℃KOH腐蚀液从检测梁侧壁牺牲间隙刻蚀释放检测悬臂梁(如图5(e))。

9.利用160℃，质量百分浓度为85％磷酸腐蚀液腐蚀掉多余的氮化硅钝化层。

10.喷胶光刻引线孔，然后采用缓冲氧化物刻蚀剂(BOE)腐蚀引线孔。

11.在硅片正面溅射铝薄膜，光刻铝引线及焊盘。

12.腐蚀铝引线，并合金化(如图5(f))。

13.划片、贴片和检测。

依上述实施例1或2制作的加速度传感器沿检测悬臂梁的纵向或横向SEM图片如图6和图7所示，其时间响应与输出的关系曲线如图8所示。

Claims (4)

1.一种在单硅片上单面微加工的制作悬臂梁加速度传感器的方法，其特征在于在硅片正面进行单面微机械加工，悬臂梁的结构是通过硅片正面干法刻蚀，然后利用各向异性腐蚀方法在悬臂梁底部横向刻蚀释放悬臂梁，具体步骤是： 

(1)选用n型<111>单抛硅片或双抛硅片，电阻率为1～8Ω·cm，轴偏切为0±1.0°； 

(2)采用硼离子注入方法制作敏感电阻，注入倾斜角取7°～10°之间，其方块电阻值在72～90欧姆范围内； 

(3)LPCVD沉积低应力氮化硅和二氧化硅作为检测悬臂梁上表面深度反应离子刻蚀和湿法刻蚀释放的钝化保护层； 

(4)采用深反应离子刻蚀工艺加工制作检测悬臂梁结构图形，刻蚀深度为悬臂梁的宽度，悬臂梁横向可动间隙由检测悬臂梁的挠度曲线、阻尼特性及过载保护决定； 

(5)LPCVD沉积低应力氮化硅或氮化硅和二氧化硅作为检测梁湿法刻蚀释放时的侧壁钝化保护层； 

(6)利用反应离子刻蚀工艺或深反应离子刻蚀工艺剥离释放槽底部的钝化保护层，然后再利用硅反应离子刻蚀工艺刻蚀出检测梁横向释放间隙，这两步骤干法刻蚀均不需要任何掩模； 

(7)利用KOH溶液或者TMAH腐蚀溶液沿硅片<110>晶向刻蚀释放检测悬臂梁； 

(8)采用160℃，质量百分浓度为85％磷酸腐蚀硅片表面残余的氮化硅层，制作欧姆接触区和引线孔； 

(9)在硅片表面溅射铝薄膜，并形成引线和焊盘。 

2.按权利要求1所述的传感器的制作方法，其特征在于适用于8万g及以上的传感器的制作，制作的传感器灵敏度为0.35μV/g，当温度从-20℃到120℃时，温度漂移系数为89ppm/℃，比传统加工的压阻式加速度传感器的温度漂移系数要低一个数量级。 

3.按权利要求1所述的制作方法，其特征在于量程为10万g的在单硅片上单面微加工制作的悬臂梁加速度传感器所设计悬臂梁结构长度为 400μm，厚度为50μm，宽度为18.5μm，加工后芯片整体尺寸为1.5×1.5×0.8mm³；整个传感器在n型(111)单晶硅片上实施的传感器为单硅片的一体式结构。 

4.由权利要求1所述的方法制作的悬臂梁加速度传感器，其特征在于所述的悬臂梁加速度传感器由单晶硅衬底、检测悬臂梁、敏感电阻、抗高过载冲击曲面和垂直敏感方向上的间隙构成；其特征在于整个加速度传感器采用(111)单硅片制作时，(111)硅片除了上表面和下表面两个(110)晶面外，其余六个(111)晶面中三个(111)晶面组成一个等边三角形，其余三个(111)面组成一个倒等边三角形，这两个等边三角形按质心重叠形成正六角星结构，该正六角星绕质心沿顺时针或逆时针旋转30°即可得到六个(110)晶面。 

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