CN102298074B - 一种孔缝双桥式加速度传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种孔缝双桥式加速度传感器芯片及其制备方法，芯片包括硅基底和键合于硅基底背面的玻璃衬底，硅基底的中心空腔内配置有质量块，四个开孔敏感梁的一端与质量块的四个边角连接，另一端与硅基底连接，每个开孔敏感梁设有一个应力集中孔，每个应力集中孔两侧布置两根压敏电阻条并组成一个压敏电阻，四个压敏电阻通过金属引线相连并构成半开环的惠斯通全桥电路，四个压敏电阻同时和五个金属焊盘连接，其制备方法是通过硅各项异性湿法刻蚀以及ICP等离子刻蚀得到硅基底中的质量块和开孔敏感梁，采用钛-铂-金多层引线技术制作金属引线，芯片能够提高传感器的静态和动态灵敏度，具有体积小，重量小，高频响和高灵敏度的优点。

Description

一种孔缝双桥式加速度传感器芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种加速度传感器芯片，具体涉及一种孔缝双桥式加速度传感器芯片及其制备方法。

背景技术

压阻式加速度传感器作为最早开发的微加速度传感器，经历长期的发展和完善，已经形成了许多经典结构，有单悬臂梁、双悬臂梁、四梁、双桥梁和五梁结构等。这些结构的传感器芯片均采用微机械加工技术形成梁一岛结构，利用压阻效应来检测加速度。单悬臂梁和双悬臂梁结构中，质量块作上下自由摆动，该类结构传感器芯片灵敏度很高，但固有频率低，频率响应范围窄，而且横向灵敏度较大。单桥梁、双桥梁和十字梁结构为固支梁结构，质量块的运动受到固支梁的约束，所以该类结构灵敏度较低，但固有频率较高，频率响应范围宽，而且横向灵敏度较小。

但是，随着微机电系统技术的迅速发展，早期开发出的经典的芯片结构已逐渐无法满足和适应不同领域对高灵敏度和高响应频率的要求，汽车工业的冲击加速度传感器，高速机床的主轴加速度传感器，均对传感器的静态和动态灵敏度提出了较高的要求。考虑到传统结构的优缺点，对经典结构进行适当的改进以满足故障诊断、汽车检测行业等众多领域的需要就具有重要的意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种孔缝双桥式加速度传感器芯片及其制备方法，能够提高传感器的静态和动态灵敏度，芯片具有体积小，重量小，高频响和高灵敏度的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种孔缝双桥式加速度传感器芯片，包括硅基底1和键合于硅基底1背面的玻璃衬底2，硅基底1的中心空腔内配置有质量块4，四个开孔敏感梁3的一端与质量块4的四个边角连接，另一端与硅基底1连接，每个开孔敏感梁3的中央设有一个应力集中孔8，每个应力集中孔8两侧布置两根压敏电阻条，两根压敏电阻条组成一个压敏电阻5，四个压敏电阻5通过第一金属引线6相连并构成半开环的惠斯通全桥电路，四个压敏电阻5同时通过第二金属引线9和五个金属焊盘7连接，应力集中孔8的深度和开孔敏感梁3的厚度相同。

所述的四个压敏电阻5在开孔敏感梁3上均沿着[110]或[110]晶向布置。

一种孔缝双桥式加速度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

a)使用体积浓度为49％的HF酸溶液，清洗硅片，硅片为n型，(100)晶面；

b)在900℃-1200℃下进行高温氧化，在硅片上形成二氧化硅层，然后用P-压敏电阻版，正面光刻压敏电阻图形，对硅片顶部的器件层注入剂量为3×10¹⁴cm^-2硼离子，获得P-型轻掺杂的压敏电阻5；

c)利用P+欧姆接触版，正面光刻形成硼离子重掺杂区，进行硼离子重掺杂，注入剂量为1.5×10¹⁶cm^-2，获得低阻的P+欧姆接触区；

d)利用引线孔版，正面光刻引线孔图形，刻蚀出引线孔，保证压敏电阻5的欧姆连接；

e)利用金属引线版，正面光刻处金属引线的形状，依次溅射15

、

和

的Ti、Pt、Au金属层，形成传感器芯片的金属引线6；

f)利用质量块减薄版，对硅片进行光刻，采用前面所述的ICP刻蚀，减薄质量块区域的硅，刻蚀深度为10μm，形成质量块4和玻璃衬底2之间的运动间隙；

g)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在硅片正反两面沉积一层Si₃N₄，正面Si₃N₄作为保护层，防止后续工艺破坏前面工艺所得的压敏电阻5；反面Si₃N₄作为硅湿法腐蚀遮蔽层，然后利用背腔版，再次对硅片的背面进行光刻，利用TMAH溶液进行各向异性湿法刻蚀，形成传感器的质量块4和开孔敏感梁3；

h)正面光刻去除之前工艺步骤中留下的Si₃N₄和SiO₂层，利用正面穿透版，在硅片正面进行ICP刻蚀，刻蚀宽度为5μm-10μm，形成外围的硅基底1和质量块4之间的间隙；

i)通过阳极键合技术在硅基底1的背面粘接玻璃衬底2；

j)划片；

k)低温退火，释放、缓解加工残余内应力。

对传统的双桥结构和本发明的孔缝双桥式结构进行静态分析和模态分析(加载100g的Z向加速度)，得到如下的分析结果：

经数据比较分析，发现孔缝双桥式结构的最大等效应力较双桥梁结构提高了46.5％，有明显的提高，而一阶固有频率仅下降了17.53％，其一阶固有频率仍较高，可以满足不同领域对高频响的要求，所以，分析结果显示敏感梁上开孔的结构较好的解决了双桥梁结构灵敏度较低的不足。与传统双桥梁结构相比，本发明提出的孔缝双桥式结构将孔缝结构和双桥梁结构的优点有效的结合在一起，使得本发明所述的加速度传感器芯片具有较高灵敏度和较高的固有频率，能有效的满足汽车工业和机床主轴振动测量等对高灵敏度和高相应频率的要求。

附图说明

图1为本发明的轴侧示意图。

图2为本发明的正面示意图。

图3为本发明的原理示意图。

图4为本发明的半开环的惠斯通全桥电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行更为详细的说明。

参照图1和图2，一种孔缝双桥式加速度传感器芯片，包括硅基底1和键合于硅基底1背面的玻璃衬底2，硅基底1的中心空腔内配置有质量块4，四个开孔敏感梁3的一端与质量块4的四个边角连接，另一端与硅基底1连接，每个开孔敏感梁3的中央设有一个应力集中孔8，每个应力集中孔8两侧布置两根压敏电阻条，两根压敏电阻条组成一个压敏电阻5，四个压敏电阻5中的第一压敏电阻5-1、第三压敏电阻5-3布置于开孔敏感梁3与质量块4连接的部位，第二压敏电阻5-2、第四压敏电阻5-4布置于开孔敏感梁3和硅基底1连接的部位，第一压敏电阻5-1、第二压敏电阻5-2、第三压敏电阻5-3、第四压敏电阻5-4通过第一金属引线6相连并构成半开环的惠斯通全桥电路，四个压敏电阻5同时通过第二金属引线9和五个金属焊盘7连接，参照图4，其中第一压敏电阻5-1和第四压敏电阻5-4之间连接线与第一金属焊盘7-1连接，第四压敏电阻5-4的另一端与第二金属焊盘7-2连接，第二压敏电阻5-2和第三压敏电阻5-3之间连接线与第四金属焊盘7-4连接，第三压敏电阻5-3的另一端与第三金属焊盘7-3连接，第一压敏电阻5-1和第二压敏电阻5-2之间的连接线与第五金属焊盘7-5连接，应力集中孔8的深度和开孔敏感梁3的厚度相同。

所述的四个压敏电阻5在开孔敏感梁3上均沿着[110]或[110]晶向布置。

本发明芯片的工作原理为：

参照图3，根据牛顿第二定律F＝ma，当悬空的质量块4受到沿Z向的加速度a作用时，质量块4在力的作用向下移动，引起开孔敏感梁3的弯曲变形。根据硅的压阻效应，开孔敏感梁3的弯曲变形产生的应力，导致压敏电阻5的阻值变化，四个压敏电阻5所构成的半开环惠斯通全桥电路失去平衡，输出一个与外部加速度相应的电压值，从而实现传感器芯片对加速度的测量。

本发明中开孔敏感梁3上的压敏电阻5阻值的变化量通过压阻效应的相关公式计算而来。压阻效应是指当半导体材料受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。当压阻条处于一定应力作用下时，其阻值变化与其所受应力之间的比例关系式如下：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}={\mathrm{\π}}_1{\mathrm{\σ}}_i+{\mathrm{\π}}_{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\τ}}_i$

式中：R——压敏电阻5初始阻值；

π_l——为压敏电阻5横向压阻系数；

π_τ——压敏电阻5纵向压阻系数；

σ_i——压敏电阻5受到的正应力；

τ_i——压敏电阻5受到的剪应力；

因此，开孔敏感梁3在外界加速度a的作用下产生的应力将会使压敏电阻5阻值变化，通过惠斯通电桥，参照图4，将此变化转变为电压信号输出，继而实现对加速度的感应与测量。压阻效应具有各向异性的特点，沿着不同的方向施加应力或沿不同方向通过电流，材料的电阻率变化均不相同，为了在同样的加速度作用下得到更大的输出电信号，本发明中的开孔敏感梁3选择(100)晶面硅片，利用(100)晶面硅在[110]和110]晶向上压阻系数具有最大值，在[100]和[010]晶向上几乎为零的特点，压敏电阻5沿着[110]或[110]晶向分布，提高了传感器芯片对加速度的测量精度。

一种孔缝双桥式加速度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

a)使用体积浓度为49％的HF酸溶液，清洗硅片，硅片为n型，(100)晶面，4英寸，400μm厚；

b)在900℃-1200℃下进行高温氧化，在硅片上形成二氧化硅层，然后用P-压敏电阻版，正面光刻压敏电阻图形，对硅片顶部的器件层注入剂量为3×10¹⁴cm^-2硼离子，获得P-型轻掺杂的压敏电阻5；

c)利用P+欧姆接触版，正面光刻形成硼离子重掺杂区，进行硼离子重掺杂，注入剂量为1.5×10¹⁶cm^-2，获得低阻的P+欧姆接触区；

d)利用引线孔版，正面光刻引线孔图形，刻蚀出引线孔，保证压敏电阻5的欧姆连接；

e)利用金属引线版，正面光刻处金属引线的形状，依次溅射

和

的Ti、Pt、Au金属层，形成传感器芯片的金属引线6；

f)利用质量块减薄版，对硅片进行光刻，采用前面所述的ICP刻蚀，减薄质量块区域的硅，刻蚀深度为10μm，形成质量块4和玻璃衬底2之间的运动间隙；

g)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在硅片正反两面沉积一层Si₃N₄。正面Si₃N₄作为保护层，防止后续工艺破坏前面工艺所得的压敏电阻5；反面Si₃N₄作为硅湿法腐蚀遮蔽层，然后利用背腔版，再次对硅片的背面进行光刻，利用TMAH溶液进行各向异性湿法刻蚀，形成传感器的质量块4和开孔敏感梁3；

h)正面光刻去除之前工艺步骤中留下的Si₃N₄和SiO₂层，利用正面穿透版，在硅片正面进行ICP刻蚀，刻蚀宽度为5μm-10μm，形成外围的硅基底2和质量块4之间的间隙，以释放质量块4；

i)通过阳极键合技术在硅基底1的背面粘接玻璃衬底2；

j)划片；

k)低温退火，释放、缓解加工残余内应力。

Claims (2)

1.一种孔缝双桥式加速度传感器芯片，包括硅基底(1)和键合于硅基底(1)背面的玻璃衬底(2)，硅基底(1)的中心空腔内配置有质量块(4)，其特征在于：四个开孔敏感梁(3)的一端与质量块(4)的四个边角连接，另一端与硅基底(1)连接，每个开孔敏感梁(3)的中央设有一个应力集中孔(8)，每个应力集中孔(8)两侧布置两根压敏电阻条，两根压敏电阻条组成一个压敏电阻(5)，四个压敏电阻(5)通过第一金属引线(6)相连并构成半开环的惠斯通全桥电路，四个压敏电阻(5)同时通过第二金属引线(9)和五个金属焊盘(7)连接，应力集中孔(8)的深度和开孔敏感梁(3)的厚度相同；

所述的开孔敏感梁(3)采用n型(100)晶面硅片；

所述的四个压敏电阻(5)在开孔敏感梁(3)上均沿着[110]或[

]晶向布置。

2.一种如权利要求1所述的孔缝双桥式加速度传感器芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)使用体积浓度为49％的HF酸溶液，清洗硅片，硅片为n型，(100)晶面；

b)在900℃-1200℃下进行高温氧化，在硅片上形成SiO₂层，然后用P-压敏电阻版，正面光刻压敏电阻图形，对硅片顶部的器件层注入硼离子，注入剂量为3×10¹⁴cm^-2硼离子，获得P-型轻掺杂的压敏电阻(5)；

c)利用P+欧姆接触版，正面光刻形成硼离子重掺杂区，进行硼离子重掺杂，注入剂量为1.5×10¹⁶cm^-2，获得低阻的P+欧姆接触区；

d)利用引线孔版，正面光刻引线孔图形，刻蚀出引线孔，保证压敏电阻(5)的欧姆连接；

e)利用金属引线版，正面光刻出金属引线的形状，依次溅射150

和

的Ti、Pt、Au金属层，形成传感器芯片的金属引线(6)；

f)利用质量块减薄版，对硅片进行光刻，采用ICP刻蚀，减薄质量块区域的硅，刻蚀深度为10μm，形成质量块(4)和玻璃衬底(2)之间的运动间隙；

g)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在硅片正反两面沉积一层Si₃N₄，正面Si₃N₄作为保护层，防止后续工艺破坏前面工艺所得的压敏电阻(5)；反面Si₃N₄作为硅湿法腐蚀遮蔽层，然后利用背腔版，再次对硅片的背面进行光刻，利用TMAH溶液进行各向异性湿法刻蚀，形成传感器的质量块(4)和开孔敏感梁(3)；

h)正面光刻去除之前工艺步骤中留下的Si₃N₄和SiO₂层，利用正面穿透版，在硅片正面进行ICP刻蚀，刻蚀宽度为5μm-10μm，形成外围的硅基底(1)和质量块(4)之间的间隙；

i)通过阳极键合技术在硅基底(1)的背面粘接玻璃衬底(2)；

j)划片；

k)低温退火，释放、缓解加工残余内应力。

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