CN102353811A

CN102353811A - 一种微电子加速度传感器及其制备工艺

Info

Publication number: CN102353811A
Application number: CN 201110193706
Authority: CN
Inventors: 秦明; 蔡春华
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: CN102353811B

Abstract

一种微电子加速度传感器，在玻璃衬底的上方设置一与玻璃衬底存有间距并开有通孔的单晶硅质量块，设置四条悬浮折叠梁，其一端分别联接悬浮质量块左、右的四个角，另一端分别连接左、右四个对称布置的锚区，设置左、右四个对称布置的悬浮感温梁，每个感温梁均为一条粗细不同的折弯梁，首、尾端分别连接各自的锚区，在悬浮质量块左右两侧的中点各联接一根朝向相反、水平设置的悬浮锁头，在锁头的上下两侧各设有一个与之相配的悬浮锁存钩，各锁存钩与各自的锚区连接，在悬浮质量块通孔下方对位的玻璃衬底上表面设有金薄膜层，所有的锚区均生根于玻璃衬底上表面。制备工艺采用采用Au—Au低温键合实现单晶硅与玻璃衬底的键合并实现电的转移互连。

Description

一种微电子加速度传感器及其制备工艺

技术领域

本发明涉及基于微机械加工实现测量加速度的传感器微结构，尤其是一种微电子加速度传感器及其制备工艺，属于微电子机械系统技术领域。

背景技术

加速度是反应系统外界环境和自身状况非常重要的参数，对环境监测、系统自身状态识别有重要影响，因此快速准确测量出加速度具有重要的实际意义。众所周知，利用机械加工的加速度计虽然也能测量加速度，但这些机械装置因具有移动部件而易磨损，同时具有体积大，价格昂贵，需要经常维护等缺点。典型的液浮式加速度传感器结构较大，相对功耗也比较高。基于MEMS（微电子机械系统）加工技术的微型惯性传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来惯性传感器研究的热点。但是，由于这一类的加速度传感器没有锁存功能，所以对系统的功耗要求会很高，特别是对于用在野外环境的长时间检测的情况下，功耗问题往往会成为一个至关重要的问题。传统的MEMS加速度传感器的信号锁存一般采用电路实现，这样的话传感器的加工工艺复杂，而且成本较高。传统的用硅微机械加工工艺制作的加速度锁存器只能实现单阈值锁存，不能实现多阈值锁存和阈值读取，重要的是它采用SOI硅片制作传感器芯片，这样不但成本较高，而且由于硅结构层较薄，芯片的性能和稳定性很难提高。

发明内容

本发明提出了一种微电子加速度传感器及其制备工艺，其技术方案如下：

一种微电子加速度传感器，其特征在于：以玻璃衬底为芯片基板，在玻璃衬底上表面的上方中心，设置一与玻璃衬底上表面存有间距的单晶硅质量块，单晶硅质量块上、下表面之间设有间隔、阵列布置的通孔，设置左右两侧对称的各2条单晶硅折叠梁，各侧的2条单晶硅折叠梁对称分列于单晶硅质量块水平中心线上下两侧，各条单晶硅折叠梁的一端分别悬浮对应联接单晶硅质量块左、右的四个对称角，各条单晶硅折叠梁的另一端分别悬浮对应连接左、右各两个上下对称于单晶硅质量块水平中心线的单晶硅锚区；在单晶硅折叠梁的外侧，设置左右对称的各两组上下对称于单晶硅质量块水平中心线的单晶硅锚区，每组设有3个单晶硅锚区，3个单晶硅锚区中，位于外侧的锚区与中间的锚区之间悬浮连接一条单晶硅感温梁，该感温梁分为粗细两段，在粗细两段连接处折弯，粗段在外侧，其端点连接外侧的锚区，细段之端点连接中间的锚区，内侧的锚区悬浮连接一条水平单晶硅锁存钩，其钩头背面与单晶硅感温梁的折弯点活动铰支联接；在单晶硅质量块左右两侧的中点各悬浮联接一根朝向相反、水平设置的单晶硅锁头杆，其锁头部位与锁存钩钩头匹配；与单晶硅质量块上各通孔对位的玻璃衬底上表面区域设有金属薄膜层，单晶硅质量块的下表面构成电容上极板，玻璃衬底上表面上各区域的金属薄膜层之间导线连接后构成电容下极板，电容上、下极板均设有引出线；所有的单晶硅锚区均生根于玻璃衬底上表面。

上述微电子加速度传感器的制备工艺，采用Au—Au低温键合实现单晶硅与玻璃衬底的键合并实现电的转移互连；首先选取硅片，并在其上涂胶，光刻开出悬浮质量块，感温梁和折叠梁区域的窗口，然后采用ICP或RIE刻蚀硅形成1—10μm浅槽，去掉光刻胶后再重新氧化硅片，然后溅射金属并光刻，形成键合区域，同时在玻璃衬底上淀积金属并光刻形成键合区域、电容下极板和引线压焊区域，最后将硅片和玻璃采用Au-Au键合，并且采用化学机械抛光使硅片减薄至需要的厚度，再采用光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构。

本发明的优点及显著效果：常规基于硅微机械加工的加速度传感器，由于不具备锁存功能，使得传感器的功耗较大。本发明基于弹簧的胡克定理并以体硅微机械加工工艺制作的微结构传感器测量加速度，具有阈值锁存功能，当加速度达到设定的阈值时，系统才会被激发从而进入工作或者休眠模式，减少了系统加速度检测和判断所需要的功耗，因此降低了系统电路的复杂程度，同时也降低了功耗。同时，采用多阈值结构的设计，使得传感器可以具有多阈值锁存功能。为了提高系统的稳定性，采用体硅微机械加工工艺，整个加工过程不会影响硅片正面已有的CMOS电路，所以可以采用post-CMOS 加工工艺进行加工，从而进一步的实现芯片的单片智能化，工艺步骤简单可靠，可以降低芯片的尺寸和成本。悬浮质量块被锁存的位置可以通过检测电容的大小来判别，传感器具有复位解锁功能，使传感器可重复利用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的仰视图；

图3是图1中检测电容5下极板的构成及布置。

具体实施方式

参看图1、2、3，以玻璃衬底7为芯片基板，在玻璃衬底7上表面的上方中心设置一与玻璃衬底7上表面存有间距的单晶硅质量块单晶硅质量块2，单晶硅质量块上、下表面之间设有间隔、矩形阵列布置的方形通孔26。设置左右两侧对称的各2条单晶硅折叠梁6，各侧的2条单晶硅折叠梁6对称分列于质量块水平中心线上下两侧，各条单晶硅折叠梁的一端分别悬浮对应联接质量块左、右的四个对称角，各条单晶硅折叠梁的另一端分别悬浮对应连接左、右各两个上下对称于质量块水平中心线的单晶硅锚区16、17（在同一垂直线上）及18、19（在同一垂直线上）；在单晶硅折叠梁的左右外侧，设置左右对称的各两组上下对称于质量块水平中心线的单晶硅锚区，每组设有3个单晶硅锚区，左侧两组为10、11、12及13、14、15（在同一垂直线上），右侧两组为20、21、22及23、24、25（在同一垂直线上），位于外侧的锚区10、15及20、25分别与各自同侧的中间锚区11、14及21、24之间连接一条单晶硅感温梁3，该感温梁分为粗细两段，在粗细两段连接处折弯，粗段之端点分别对应连接外侧的锚区10、15及20、25，细段之端点分别对应连接中间的锚区11、14及21、24，内侧的锚区12、13及22、23各自连接一条水平单晶硅锁存钩8，其钩头1背面与单晶硅感温梁的折弯点活动铰支联接（活动关节）；在单晶硅质量块左右两侧的中点各联接一根朝向相反、水平设置的单晶硅锁头杆4，其多级锁头部位与锁存钩钩头1匹配；单晶硅质量块上各通孔26对位的玻璃衬底7上表面区域设有金属薄膜层（图3所示），单晶硅质量块的下表面构成检测电容5上极板，引出电极为锚区16、17、18、19中的任一个，玻璃衬底上表面上各独立区域的金属薄膜层之间导线连接后构成检测电容5下极板，引出电极9（图3）。所有的单晶硅锚区均生根于玻璃衬底7上表面，单晶硅质量块2、单晶硅折叠梁6、单晶硅感温梁3、单晶硅锁存钩1以及单晶硅锁头杆4均悬浮于同一高度平面。

为了能实现加速度锁存测量，四个锚区16,17,18,19和四个单晶硅折叠梁6分别以芯片中心位置对称分布来支撑传感器中心的单晶硅质量块2。当芯片基板7受到横向加速度冲击时，单晶硅质量块2便会得到一个与芯片基板7加速度方向相反的惯性力，从而使单晶硅折叠梁6被拉长或者压缩，当加速度值大于芯片设定的阈值时，单晶硅质量块2的锁头4便会通过设定的锁存位置从而被锁存钩8锁存。被锁存的位置可以通过检测电容5的大小来判别（单晶硅质量块2的左右位移可以通过通孔26观察原本与通孔26对位的玻璃衬底上表面金属薄膜区域产生了错位，检测电容5的大小也随之改变，通过测量检测电容5的值，可以换算出加速度）。之后即使系统加速度减小或者方向相反时，芯片的单晶硅质量块2仍然会被锁存在预先设定的位置，直到通过对单晶硅感温梁3通电工作，单晶硅感温梁3作为热执行器，通电后粗细两段梁产生的热变形不同，带动锁存钩8铰支运动与锁头4分离，对芯片进行复位，芯片的锁存部分才会被解锁。由于传感器具有复位解锁功能，使传感器可以被重复利用。

本传感器的制备工艺为：首先选取硅片，并在其上涂胶，光刻开出悬浮质量块2，感温梁3和折叠梁6区域的窗口，然后用ICP或RIE刻蚀硅形成一浅槽（1—10μm）。去掉光刻胶后再重新氧化硅片，然后溅射金属并光刻和形成键合区域。同时在玻璃衬底上淀积金属并光刻形成键合区域、电容下极板和引线压焊区域。当上述工艺完成后，将硅片和玻璃采用Au-Au键合，并且采用化学机械抛光（CMP）使硅片减薄至合适的厚度。最后采用光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构。

实施范例：单晶硅折叠梁的长度为200-250μm，宽度为5-10μm，单晶硅质量块宽度为200μm，长度为500μm，单晶硅感温梁的的细梁为宽度5-10μm，长度为200μm，粗梁宽度为50μm，长度为150μm，硅片的厚度为30-50μm，。当横向加速度大于100g时，加速度值被锁存，锁存的的位置可以由检测电容5的大小来判定。当给单晶硅感温梁施加5v直流电压时，单晶硅感温梁处于热变形工作状态，锁存器解锁，从而实现传感器的重复利用。

Claims

1.一种微电子加速度传感器，其特征在于：以玻璃衬底为芯片基板，在玻璃衬底上表面的上方中心，设置一与玻璃衬底上表面存有间距的单晶硅质量块，单晶硅质量块上、下表面之间设有间隔、阵列布置的通孔，设置左右两侧对称的各2条单晶硅折叠梁，各侧的2条单晶硅折叠梁对称分列于单晶硅质量块水平中心线上下两侧，各条单晶硅折叠梁的一端分别悬浮对应联接单晶硅质量块左、右的四个对称角，各条单晶硅折叠梁的另一端分别悬浮对应连接左、右各两个上下对称于单晶硅质量块水平中心线的单晶硅锚区；在单晶硅折叠梁的外侧，设置左右对称的各两组上下对称于单晶硅质量块水平中心线的单晶硅锚区，每组设有3个单晶硅锚区，3个单晶硅锚区中，位于外侧的锚区与中间的锚区之间悬浮连接一条单晶硅感温梁，该感温梁分为粗细两段，在粗细两段连接处折弯，粗段在外侧，其端点连接外侧的锚区，细段之端点连接中间的锚区，内侧的锚区悬浮连接一条水平单晶硅锁存钩，其钩头背面与单晶硅感温梁的折弯点活动铰支联接；在单晶硅质量块左右两侧的中点各悬浮联接一根朝向相反、水平设置的单晶硅锁头杆，其锁头部位与锁存钩钩头匹配；与单晶硅质量块上各通孔对位的玻璃衬底上表面区域设有金属薄膜层，单晶硅质量块的下表面构成电容上极板，玻璃衬底上表面上各区域的金属薄膜层之间导线连接后构成电容下极板，电容上、下极板均设有引出线；所有的单晶硅锚区均生根于玻璃衬底上表面。

2.根据权利要求1所述的微电子加速度传感器制备工艺，其特征在于：采用Au—Au低温键合实现单晶硅与玻璃衬底的键合并实现电的转移互连；首先选取硅片，并在其上涂胶，光刻开出悬浮质量块，感温梁和折叠梁区域的窗口，然后采用ICP或RIE刻蚀硅形成1—10μm浅槽，去掉光刻胶后再重新氧化硅片，然后溅射金属并光刻，形成键合区域，同时在玻璃衬底上淀积金属并光刻形成键合区域、电容下极板和引线压焊区域，最后将硅片和玻璃采用Au-Au键合，并且采用化学机械抛光使硅片减薄至需要的厚度，再采用光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构。