CN102298075B - 一种具有复合多梁结构的加速度传感器芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种具有复合多梁结构的加速度传感器芯片及其制作方法，四根支撑梁与两根敏感梁共同支撑芯片的悬空质量块并使其悬空，敏感梁上置了压敏电阻并连接成半开环惠斯通电桥，电桥的输出端与芯片的焊盘相连，其制作方法是先减薄悬空质量块区域硅片，正面光刻并溅射形成芯片的金属引线与焊盘，再在硅片背面光刻并湿法刻蚀形成由敏感梁、支撑梁和悬空质量块组成的可动结构，在硅片基底的背面粘结硼玻璃，正面光刻并刻蚀形成芯片可动部件与硅质基底间的间隙，最后得到芯片，该芯片在保证传感器的测量灵敏度的同时，提高了加速度传感器响应频率，增强了传感器在动态加速度测量中的性能，该芯片的制作方法简单，可靠性高，便于实现微型化与低成本化。

Description

一种具有复合多梁结构的加速度传感器芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种加速度传感器芯片，具体涉及一种具有复合多梁结构的加速度传感器芯片及其制作方法。

背景技术

当前由于MEMS技术的发展，基于不同敏感原理的加速度传感器被设计与制作出来，并得到了广泛的应用。不同的敏感原理的加速度传感器有着不同的优缺点。比如说压电式加速度传感器的工艺与性能已经成熟化，在市场上得到了广泛的应用，但因为敏感原理限制，压电式传感器不能感知静态的加速度值，且输出为电荷信号需要专有后续辅助电路；电容式加速度传感器的灵敏度高、温度漂移小、功耗低、稳定性好，但其单位输入加速度引起的电容变化量极小，输入阻抗很大，容易受寄生电容的影响，对环境电磁干扰较为敏感；压阻式加速度传感器属于温度型器件，容易受到视同环境的温度影响，但是其测量范围宽、可测量动态静态加速度、频率范围广、动态响应快，能直接输出电压信号。

敏感结构与性能的多样化使MEMS微型加速度传感器的应用领域从最初的制造业、汽车业等扩展到了生物、电子产品以及体育器材等新领域。对于不同应用领域的加速度传感器，响应频率与测量灵敏度是两个同等重要的性能参数。为了能够使用单一的加速度传感器来准确识别不同环境下的加速度大小及其频率组成，所使用的加速度传感器必须同时具有足够高的响应频率与灵敏度，然而加速度传感器的响应频率与测量灵敏度是一组相互制约的参数，提高响应频率的同时会降低单位输入加速度所引起的传感器的输出，反之亦然。这一制约关系给实际应用中振动加速度的动态测量带来了一定的困难，寻求一种能够适当缓解这种制约关系的加速度传感器具有较为重要的意义，此外传感器中传统的铝引线在使用过程中会向硅基底中扩散，产生腐蚀坑可能会破坏器件中的结结构，降低传感器的使用可靠性，需要改进芯片金属引线工艺来解决这一问题。

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具有复合多梁结构的加速度传感器芯片及其制作方法，该芯片在保证传感器的测量灵敏度的同时，提高了加速度传感器响应频率，增强了传感器在动态加速度测量中的性能，该芯片的制作方法简单，可靠性高，便于实现微型化与低成本化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有复合多梁结构加速度传感器芯片，包括硅质基底1，硅质基底1的背面与硼玻璃5键合，硅质基底1的中心空腔内配置有悬空质量块4，四根相同的支撑梁3两两一组与悬空质量块4一组相对边相连，两根相同的敏感梁2分别与悬空质量块4的另一组相对边相连，支撑梁3与敏感梁2共同支撑悬空质量块4，使其保持悬空状态，硼玻璃5与悬空质量块4下底面预留有工作间隙，

两根敏感梁2上均布置了两根压敏电阻6，四根压敏电阻6通过芯片上的金属引线7相互连接组成半开环惠斯通电桥，电桥的输出端与芯片中的焊盘8相连，四根压敏电阻6按照敏感梁2上的正/负应力分布规律布置，且位于硅晶体相同的晶向上，每一根压敏电阻6均由2-4折的单一压阻条组成。

所述的支撑梁3的长度与宽度均大于敏感梁2，而支撑梁3与敏感梁2的厚度相同。

所述的支撑梁3、敏感梁2以及悬空质量块4与硅质基底1的存在着5-10μm的间隙。

所述的金属引线7采用Ti-Pt-Au多层金属引线。

一种具有复合多梁结构加速度传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：

a)选择n型，(100)晶面的硅片作为制作包括硅质基底1，敏感梁2，支撑梁3，悬空质量块4在内的硅质结构的坯料，硅片清洗后脱水烘干，双面涂覆光刻胶，在背面加悬空质量块4减薄掩膜版进行第一次光刻，采用ICP刻蚀，减薄悬空质量块4区域的硅材料，刻蚀深度为2-10μm，

b)清除光刻胶，在900-1200℃环境下进行高温氧化，在硅片上形成二氧化硅层，再次涂覆光刻胶，加压敏电阻6掩膜版，正面光刻并扩散注入硼离子，形成p型的压敏电阻6，

c)在传感器正面加传感器引线孔掩膜版，第三次光刻出引线孔形状，溅射Pt，保证步骤b)中所得压敏电阻6的欧姆连接，

d)加金属引线7、焊盘8掩膜版，正面刻蚀出金属引线7与焊盘8的形状，依次溅射Ti、Pt、Au金属层，形成传感器芯片的金属引线7与焊盘8，

e)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氮化硅，正面氮化硅10作为保护层，防止后续工艺破坏所得的压敏电阻6、金属引线7和焊盘8，反面氮化硅作为硅湿法腐蚀遮蔽层，在硅片背面加背腔腐蚀版，光刻得到悬空质量块4及其凸角补偿结构的形状，利用TMAH溶液进行硅各项异性湿法刻蚀，初步形成由敏感梁2，支撑梁3和悬空质量块4组成的可动结构，

f)背面光刻去除之前工艺步骤中在硅片背面留下的氮化硅和二氧化硅层，通过阳极键合技术在硅片基底1的背面粘结硼玻璃5，

g)正面涂覆光刻胶，加正面贯穿掩膜版，在硅片正面利用ICP刻蚀，形成传感器芯片可动部件与硅质基底1间的间隙，间隙贯穿整个芯片以释放芯片中的可动结构，

h)正面光刻，去除芯片中焊盘8上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片将所设计的具有复合多梁结构加速度传感器芯片从硅片上剥离得到加速度传感器芯片。

本发明采用复合多梁结构作为加速度传感器的敏感结构，在保证传感器测量灵敏度的基础上，提升了传感器的响应频率；敏感梁2上压敏电阻6的布置位置根据有限元分析结果确定，也提升了惠斯通电桥的输出电压；芯片金属引线7与焊盘8采用钛-铂-金多层引线技术，即与硅材料具有较小接触电阻的钛金属至于最底层，作为接触层与压敏电阻相接；中间的阻挡层采用铂金属，因为其稳定性好，耐腐蚀；引线键合层材料选择金，因为金的键合特性好且抗腐蚀。采用钛-铂-金多层引线技术解决了传感器在长期使用过程中的引线可靠性问题，保证传感器能够在工业现场中长期使用。该芯片具有结构合理，制备工艺简单，可靠性高，便于实现微型化与低成本化的特点。

附图说明

图1为本发明芯片的结构示意图。

图2为本发明芯片的正面视图。

图3为敏感梁2上压敏电阻6的布置方式示意图。

图4为压敏电阻6构成的半开环惠斯通电桥示意图。

图5为本发明芯片的工作原理示意图。

图6为本发明芯片的A-A截面剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行更为详细说明。

参照图1，一种具有复合多梁结构的加速度传感器芯片，包括硅质基底1，背面与硼玻璃5键合，硅质基底1中心空腔内配置有悬空质量块4，四根相同的支撑梁3两两一组与悬空质量块4一组相对边相连，两根相同的敏感梁2则分别与悬空质量块4另一组相对边相连，支撑梁3与敏感梁2共同支撑悬空质量块4，使其保持悬空状态，硼玻璃5粘结于硅质基底1的背面，与悬空质量块4下底面预留工作间隙以保证悬空质量块4在传感器正常工作时能够始终悬空，而在某些过载环境中其下底面能够与硼玻璃5接触，防止过载破坏传感器芯片，

参照图2，所述的具有复合多梁结构加速度传感器芯片采用了压阻效应作为敏感原理，压敏电阻6布置于敏感梁2上，且位于硅晶体相同的晶向，压敏电阻6包括第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3和第四压敏电阻6-4，均由2-4折的单一压阻条组成以增加其有效长度，参照图3，第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2分布于敏感梁2一支上，第三压敏电阻6-3、第四压敏电阻6-4分布于敏感梁2的另一支上，参照图4，第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3和第四压敏电阻6-4通过芯片上的金属引线7相互连接组成半开环惠斯通电桥，为了保证传感器输出正常，组桥时应保证第一压敏电阻6-1和第四压敏电阻6-4位于一组相对的桥臂，第二压敏电阻6-2和第三压敏电阻6-3位于另一组相对的桥臂。

所述的支撑梁3的长度与宽度均大于敏感梁2，而支撑梁3与敏感梁2的厚度相同。

所述的支撑梁3、敏感梁2以及悬空质量块4与硅质基底1的存在着5-10μm的间隙以释放支撑梁3、敏感梁2以及悬空质量块4组成的可动结构。

所述的金属引线7采用Ti-Pt-Au多层金属引线。

本发明芯片的工作原理为：

参照图5，本发明涉及的加速度传感器芯片采用硅材料的压阻效应作为敏感原理。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：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}={\mathrm{\π}}_1{\mathrm{\σ}}_i+{\mathrm{\π}}_2{\mathrm{\τ}}_i---\left(1\right)$

式中：R为压敏电阻6的初始阻值；ΔR为压敏电阻6在应力作用下的阻值变化量；π₁为压敏电阻6横向压阻系数；π₂为压敏电阻6的纵向压阻系数；σ_i为压敏电阻6受到的正应力；τ_i为压敏电阻6受到的剪应力。

对于由压敏电阻6组成的惠斯通电桥，采用恒压源供电时，其输出电压如下表示：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{1}{4}(\frac{\mathrm{\Δ}{R}_1}{R_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{R}_2}{R_2}-\frac{\mathrm{\Δ}{R}_3}{R_3}+\frac{\mathrm{\Δ}{R}_4}{R_4})V_{\mathrm{in}}---\left(2\right)$

式中：V_out为电桥输出电压；V_in为电桥供电电压；R₁为第一压敏电阻6-1的阻值；R₂为第二压敏电阻6-2的阻值；R₃为第三压敏电阻6-3的阻值；R₄为第四压敏电阻6-4的阻值；ΔR₁为第一压敏电阻6-1的阻值变化量；ΔR₂为第二压敏电阻6-2的阻值变化量；ΔR₃为第三压敏电阻6-3的阻值变化量；ΔR₄为第四压敏电阻6-4的阻值变化量。

当传感器芯片受到某一加速度作用时，根据牛顿定律会有一个于所施加加速度成正比的惯性力作用于悬空质量块4上，致使其产生一定的位移；支撑梁3与敏感梁2均与悬空质量块4相连，两组梁将在悬空质量块4的带动下发生弯曲变形，进而在其结构内部产生相应的应力。芯片中的第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3和第四压敏电阻6-4布置于敏感梁2上表面，当受到敏感梁2上应力的作用时，根据压阻效应公式，各个电阻阻值将会相应发生变化，进而引起电桥输出一个电压值，由于敏感梁2上产生的应力与输入加速度成正比，而第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3和第四压敏电阻6-4的阻值变化量与敏感梁2上的应力成正比例，因此传感器芯片的输出电压与其所承受的加速度值成正比，传感器芯片实现了将物理量的加速度转换为便于采集与测量的电压信号。

相对于普通的只有四根支撑梁的加速度传感器，其由于结构限制，响应频率与测量灵敏度存在着相互制约的关系，两者此消彼长。本发明在原有四支撑梁结构基础上增加了两根长度与宽度均较小的敏感梁2，使传感器在保证一定测量灵敏度的前提下获得更高的响应频率。在具有复合多梁结构加速度传感器芯片中，加速度所引起的应力显著集中于敏感梁2上，应力值与只有普通四支撑梁结构中的应力值相近，而响应频率相对于普通四支撑梁结构增加了近一倍。相对于传统的铝引线，Ti-Pt-Au多层金属引线可靠性性更高，保证了传感器在工业现场中使用的可靠性。

下面结合具体实施例对本发明中的制作方法详细描述。

参照图6，一种具有复合多梁结构加速度传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：

a)选择n型，(100)晶面，4英寸，400μm厚的硅片作为制作包括硅质基底1，敏感梁2，支撑梁3，悬空质量块4在内的硅结构的坯料，硅片清洗后脱水烘干，双面涂覆光刻胶，在背面加质量块减薄掩膜版进行第一次光刻，采用ICP刻蚀，减薄悬空质量块4区域的硅材料，形成传感器芯片工作间隙，刻蚀深度为10μm，

b)清除光刻胶，在1100℃环境下进行高温氧化，在硅片上形成二氧化硅层9，再次涂覆光刻胶，加第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3和第四压敏电阻6-4的掩膜版，正面光刻并扩散注入硼离子，

c)在传感器正面加传感器引线孔掩膜版，第三次光刻出引线孔形状，溅射Pt，保证步骤b)中所得第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3和第四压敏电阻6-4的欧姆连接，

d)加金属引线7、焊盘8掩膜版，正面刻蚀出金属引线7与焊盘8的形状，依次溅射Ti、Pt、Au金属层，形成传感器芯片的金属引线7与焊盘8，

e)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氮化硅，正面氮化硅10作为保护层，防止后续工艺破坏所得的第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3和第四压敏电阻6-4、金属引线7和焊盘8，反面氮化硅作为硅湿法腐蚀遮蔽层，在硅片背面加背腔腐蚀版，光刻得到悬空质量块4及其凸角补偿结构的形状，利用TMAH溶液进行硅各项异性湿法刻蚀，刻蚀深度为370μm，初步形成由敏感梁2，支撑梁3和悬空质量块4组成的可动结构，

f)背面光刻去除之前工艺步骤中在硅片背面留下的氮化硅和二氧化硅层，通过阳极键合技术在硅片基底的背面粘结硼玻璃5，

g)正面涂覆光刻胶，加正面贯穿掩膜版，在硅片正面利用ICP刻蚀，形成传感器芯片可动部件与硅质基底1间的间隙，间隙宽度为10μm并贯穿整个芯片以释放可动结构，

h)正面光刻，去除芯片中焊盘8上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片将所设计的具有复合多梁结构加速度传感器芯片从硅片上剥离得到加速度传感器芯片。

Claims (5)

1.一种具有复合多梁结构加速度传感器芯片，包括硅质基底(1)，硅质基底(1)的背面与硼玻璃(5)键合，硅质基底(1)的中心空腔内配置有悬空质量块(4)，其特征在于：四根相同的支撑梁(3)两两一组与悬空质量块(4)一组相对边相连，两根相同的敏感梁(2)则分别与悬空质量块(4)的另一组相对边相连，支撑梁(3)与敏感梁(2)共同支撑悬空质量块(4)，使其保持悬空状态，硼玻璃(5)与悬空质量块(4)下底面预留有工作间隙，

两根敏感梁(2)上均布置了两根压敏电阻(6)，四根压敏电阻(6)通过芯片上的金属引线(7)相互连接组成半开环惠斯通电桥，电桥的输出端与芯片中的焊盘(8)相连，四根压敏电阻(6)按照敏感梁(2)上的正/负应力分布规律布置，且位于硅晶体相同的晶向上，每一根压敏电阻(6)均由2-4折的单一压阻条组成。

2.根据权利要求1所述的一种具有复合多梁结构加速度传感器芯片，其特征在于：所述的支撑梁(3)的长度与宽度均大于敏感梁(2)，而支撑梁(3)与敏感梁(2)的厚度相同。

3.根据权利要求1所述的一种具有复合多梁结构加速度传感器芯片，其特征在于：所述的支撑梁(3)、敏感梁(2)以及悬空质量块(4)与硅质基底(1)存在着5-10μm的间隙。

4.根据权利要求1所述的一种具有复合多梁结构加速度传感器芯片，其特征在于：所述的金属引线(7)采用Ti-Pt-Au多层金属引线。

5.一种如权利要求1所述的具有复合多梁结构加速度传感器芯片的制作方法，其特性在于，包括以下步骤：

a)选择n型(100)晶面的硅片作为制作包括硅质基底(1)，敏感梁(2)，支撑梁(3)，悬空质量块(4)在内的硅质结构的坯料，硅片清洗后脱水烘干，双面涂覆光刻胶，在背面加悬空质量块(4)减薄掩膜版进行第一次光刻，采用ICP刻蚀，减薄悬空质量块(4)区域的硅材料，刻蚀深度为2-10μm，

b)清除光刻胶，在900-1200℃环境下进行高温氧化，在硅片上形成二氧化硅层，再次涂覆光刻胶，加压敏电阻(6)掩膜版，正面光刻并扩散注入硼离子，形成p型的压敏电阻(6)，

c)在传感器正面加传感器引线孔掩膜版，第三次光刻出引线孔形状，溅射Pt，保证步骤b)中所得压敏电阻(6)的欧姆连接，

d)加金属引线(7)、焊盘(8)掩膜版，正面刻蚀出金属引线(7)与焊盘(8)的形状，依次溅射Ti、Pt、Au金属层，形成传感器芯片的金属引线(7)与焊盘(8)，

e)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氮化硅，正面氮化硅(10)作为保护层，防止后续工艺破坏所得的压敏电阻(6)、金属引线(7)和焊盘(8)，反面氮化硅作为硅湿法腐蚀遮蔽层，在硅片背面加背腔腐蚀版，光刻得到悬空质量块(4)及其凸角补偿结构的形状，利用TMAH溶液进行硅各项异性湿法刻蚀，初步形成由敏感梁(2)，支撑梁(3)和悬空质量块(4)组成的可动结构，

f)背面光刻去除之前工艺步骤中在硅片背面留下的氮化硅和二氧化硅层，通过阳极键合技术在硅片基底(1)的背面粘结硼玻璃(5)，

g)正面涂覆光刻胶，加正面贯穿掩膜版，在硅片正面利用ICP刻蚀，形成传感器芯片可动部件与硅质基底(1)间的间隙，间隙贯穿整个芯片以释放芯片中的可动结构，

h)正面光刻，去除芯片中焊盘(8)上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片将所设计的具有复合多梁结构加速度传感器芯片从硅片上剥离得到加速度传感器芯片。

Images