CN102401693A - 振动传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种振动传感器，其包括：设置在单晶硅衬底之上的单晶硅振动梁，该振动梁的断面形状在垂直于单晶硅衬底表面的方向上比在平行于单晶硅衬底表面的方向上长；由硅制成的壳体，围绕振动梁具有间隙，并且与单晶硅衬底一起形成真空室；板状第一电极板，与单晶硅衬底的表面平行布置，第一电极板的一端连接到振动梁；板状第二和第三电极板，与单晶硅衬底的表面平行布置，并且彼此相对，振动梁置于其间；以及形成在振动梁与第二和第三电极板的相对侧表面上的粗糙。

Description

振动传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种振动传感器及其制造方法。

背景技术

图28至图37示出了通常所使用的相关技术的振动传感器的重要部分。图28示出了振动传感器组件的重要部分的配置，图29至图37示出了制造过程。

以下将描述制造过程。

首先，如图29所示，在n型单晶硅衬底1上形成氧化硅膜10a，然后对其进行图案化。

通过下切入氧化膜10a移除的部分而在衬底1中形成凹槽，并且通过选择性外延生长在凹槽中生长具有10¹⁸cm^-3的硼浓度的P⁺单晶硅，以形成P⁺单晶硅层11。

接下来，在P⁺单晶硅层11的表面上生长具有3×10¹⁹cm^-3或更高的硼浓度的P⁺⁺单晶硅12a。P⁺单晶硅层11和P⁺⁺单晶硅层12a稍后将分别成为振动梁下的间隔和振动梁。

接下来，如图30中所示，在包括P⁺⁺单晶硅层12a的表面的整个衬底表面上形成氧化硅膜10b，然后对其进行图案化。在氧化膜10b移除的部分凹槽D中将形成衬底1的壳体接地(shell grounding)部分。

接下来，如图31中所示，在整个衬底表面上形成氮化硅膜13(也形成在凹槽D中)，然后对其进行图案化。P⁺⁺单晶硅层12a(振动梁)之上或上方的氧化硅膜10b和氮化硅膜13将成为振动梁之上的间隔。电容由氧化硅膜10b与氮化硅膜13组合的厚度和振动梁的面积来确定。因此，可以通过适当调整上述厚度和面积来获得用于驱动振动梁和检测的电容的最佳值。

接下来，如图32中所示，在整个表面上形成P⁺⁺多晶硅14，然后对其进行图案化以形成用于蚀刻牺牲层的蚀刻液引入孔E。P⁺⁺多晶硅14稍后将成为壳体和电极引出互连。可以通过使用P⁺单晶硅层11或P⁺⁺单晶硅层12a，或者通过在选择性外延生长之前向硅衬底1执行杂质扩散，来形成互连。优选的是，通过使互连与硅衬底1之间的寄生电容最小化的方法来形成互连。

接下来，如图33中所示，通过蚀刻液引入孔E引入氢氟酸，从而移除氮化硅膜13和氧化硅膜10b。在壳体接地部分中，氮化硅膜13作为横向的蚀刻停止层，这是因为对氮化硅的蚀刻速率缓慢。

接下来，如图34中所示，使用碱溶液(例如，肼、KOH、或TMAH)来移除P⁺单晶硅层11。此时，由于高杂质浓度，既不会蚀刻P⁺⁺单晶硅层12a也不会蚀刻P⁺⁺多晶硅层14。

蚀刻期间，可以通过向n型硅衬底1施加1V至2V的电压来保护其不被碱溶液蚀刻。振动梁纵向上的蚀刻利用单晶硅在<111>方向上的蚀刻速率低的事实而停止。

接下来，如图35中所示，通过溅射、蒸发、CVD、外延生长等形成密封部件15(例如，通过喷溅形成SiO₂部件、玻璃部件等部件)来封闭蚀刻液引入孔E，从而形成非常小的真空室5。

该步骤之前，可以通过例如通过热氧化等在振动梁的表面和定义真空室5的内表面上形成氧化硅膜的方法，使得壳体与振动梁之间的电绝缘更稳定。该情况下，密封部件15可以由导电材料制成。

接下来，如图36中所示，通过对P⁺⁺多晶硅层14进行图案化来形成从振动梁和壳体延伸的互连、以及焊盘电极。

最后，如图37中所示，通过从背面使硅衬底1变薄来形成隔膜2。

图38A是示出通过对P⁺⁺多晶硅层14进行图案化而形成为从振动梁和外壳延伸的互连20、以及焊盘A1电极21的平面视图。

图38B是相关技术的振动传感器的电路图。在图38B中，参考标号Vb表示偏置电压(恒定电压)；Vi表示驱动电压(AC)；R1和R2表示导线电阻；以及R3表示衬底电阻。参考标号C1表示振动梁/壳体电容；C2表示寄生电容；以及C3和C4表示互连/衬底电容。噪声电流随着电阻R3和电容C2-C4的变小而减小。由于这些电路参数的值均由互连形成方法、图案等所确定，因此，可以确定互连形成方法、图案等来使这些电路参数的值最小化。

如根据图38B所理解的那样，如果振动梁/壳体电容C1恒定，则输出电流的幅度与(C1+C2)·Vi·ω成比例，其中ω是电压Vi的频率。

另一方面，如果电容C1在频率ω处共振，则增加幅度几乎与ΔC1·Vb·ω成比例的电流，其中ΔC1是由共振引起的电容C1的变化。共振频率根据该电流的增加来检测。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]JP-A-2005-037309

上述器件具有以下问题。

在图28的相关技术的振动传感器中，由于振动梁垂直于衬底1而振动，并且振动梁、激励电极和振动检测电极叠置，因此制造工艺包括许多工艺步骤。由于必须形成除了振动梁之外的用于激励振动器或检测需要形成在真空室中的振动的电极，并且这些电极需要相互绝缘，因此利用静电力的结构必然会变得复杂。

在堆叠结构中，振动梁和反电极(counter electrode)在垂直方向上彼此相对，它们需要单独的处理步骤。因此，要使用微加工技术制造具有堆叠结构的振动传感器，掩模的数量增加，并且工艺步骤的数量相应增加，从而导致交付时间延长以及制造成本增加。增加的工艺步骤的数量可以引起工艺精度相关变化的积累，从而导致特性的降低。这是引起产量降低的因素。

此外，在利用静电力之处，振动梁、驱动电极、和检测电极之间的距离通常需要为亚微米级(最大约1μm)。但是，为了增大振动传感器关于应变(strain)的频率变化因子(应变灵敏度因子(gaugefactor))，必须增大振动梁的长度l并减小其厚度t。这导致这样的问题，即，振动梁紧贴电极，从而使该器件不工作。该问题不仅仅由于水的表面张力而发生在牺牲层蚀刻期间，还发生在制造之后(工作期间)。

振动梁的共振频率f与应变ε_S之间保持以下等式：

[公式1]

$f=\mathrm{\&alpha;}\frac{t}{l^2}\sqrt{1+\mathrm{\&beta;}{\left(\frac{l}{t}\right)}^2{\mathrm{\&epsiv;}}_S+\mathrm{\&gamma;}\frac{l^4}{h^3{t}^3}{V}_b^2}$

其中，α、β、和γ为比例常数；V_b为用于引起静电引力的偏置电压；t为振动梁的厚度；l为振动梁的长度；ε_S为振动梁的拉伸应变；以及h为振动梁与相对表面(confronting surface)之间的距离。

如从上述等式看出的那样，频率的平方与应变之间存在线性关系。因此，当偏置电压V_b＝0(V)时，频率f的平方关于应变ε_S的变化率除以f²(平方应变灵敏度因子Gf²)如下获得：

[公式2]

${\mathrm{Gf}}^2=\left(\frac{{\mathrm{\&delta;f}}^2}{f^2}\right)\&divide;\&PartialD;{\mathrm{\&epsiv;}}_S=\left(\frac{\frac{{\&PartialD;f}^2}{{\&PartialD;\mathrm{\&epsiv;}}_S}}{f^2}\right)=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\&beta;}{\left(\frac{l}{t}\right)}^2}+{\mathrm{\&epsiv;}}_S}$

其中，Gf²为频率f的平方的变化δf²除以f²与振动梁的应变ε_S的变化δε_S的比；t为振动梁的厚度；l为振动梁的长度；以及ε_S为振动梁的拉伸应变。

图39是对应于该等式的曲线图。该曲线图包括两条曲线，分别对应于振动梁的长度l与振动梁的厚度t的比l/t为200和140的情况。当振动梁的张应变约等于0με时，平方应变灵敏度因子Gf²与应变ε_S之间的关系成为β(l/t)²，其对应于图39中的y截距。当振动梁的张应变约等于0με时，黑色圆曲线(l/t＝200)具有约两倍于白色圆曲线(l/t＝140)的值的值。

这意味着，在低张应变范围内，当振动梁的长度l较大而振动梁的厚度t较小时，平方应变灵敏度因子Gf²较大。

另一方面，当振动梁的张应变相对高(高于350με)时，平方应变灵敏度因子Gf²与应变ε_S之间的关系逐渐近似1/ε_S，其指弦振动限度。因此，平方应变灵敏度因子Gf²几乎与振动梁的形状无关，而是由应变ε_S的幅度确定。平方应变灵敏度因子Gf²随着张应变变小而减小。

以上讨论示出了，在制造对应变高度敏感的高灵敏度振动传感器时，期望振动梁长而薄，并且施加到振动梁的张应变相对低。

此外，在振动梁由静电力驱动的情况下，除非驱动电极与振动梁之间的距离小到约1μm，否则静电力不会有效地作用在振动梁上。

另一方面，这种长而薄、承受小张应变、并在相对电极(confrontingelectrodes)之间具有短距离的振动梁将会紧贴相对表面。以下等式在说明该现象的方面是有效的。

[公式3]

$\mathrm{Np}=\left(\frac{128{\mathrm{Eh}}^2{t}^3}{5{\mathrm{\&gamma;}}_S{l}^4}\right)[1+\frac{{4\mathrm{\&sigma;}}_R{l}^2}{21{\mathrm{Et}}^2}+\frac{256}{2205}{\left(\frac{h}{l}\right)}^2]$

其中，E为硅的杨氏模量(Young’s modulus)；σ_R为振动梁上的张应力；γ_S为附着能；t为振动梁的厚度；l为振动梁的长度；以及h为到相对表面的距离。

该等式用于判定双端支撑梁的吸持趋势(sticking tendency)。当Np(剥离数)等于1时，振动梁吸持住。

如从该等式容易理解的那样，当张应变小时，仅考虑第一项足够，该情况下，Np随着长度l的变大而减小。Np还随着厚度t和电极间距离h的变小而减小。

如从以上描述所理解的那样，不夸大地说，静电驱动型振动传感器的灵敏度能否增大取决于吸持问题能否解决。

发明内容

本发明的示例实施例提供了振动传感器及其制造方法，其可以解决所述吸持问题。

更具体地，本发明的示例实施例提供以下振动传感器：

(1)提供一种具有高精度低成本的单晶硅梁的振动传感器。

(2)提供一种可以对振动梁的吸持提供简单而有效的对策的振动传感器。

(3)提供一种可以在宽动态范围内执行压力测量的振动传感器，这是因为该振动传感器能够以具有最少振动模式数量的双端固定梁自振，从而在测量范围内没有模式交叉，并且可以在宽频带内使用。

(4)提供一种可以通过将电极数设置为特定数或者通过采用特定激励方法选择振动模式的振动传感器。

(5)提供一种振动传感器，其可以通过使振动梁能够在二维中自由形成从而使其具有在增大振动稳定性方面有效的形状，来使振动梁的Q值由于隔膜共振而减小(其为振动传感器的缺点)的可能性较小。

(6)提供一种振动传感器，其中，由于振动梁具有在垂直方向上长而在水平方向上短的断面形状，因此振动梁具有增大的应变灵敏度，隔膜的尺寸减小，并且耐压性很高，从而即使作为压力隔离物的壳体很薄，由于壳体宽度很窄，真空室的耐压性也很高。

根据本发明的第一方面的振动传感器，包括：

单晶硅衬底；

单晶硅振动梁，其设置在单晶硅衬底之上，该振动梁具有这样的断面形状，其在垂直于单晶硅衬底表面的方向上比在平行于单晶硅衬底表面的方向上长；

由硅制成的壳体，其围绕振动梁并与振动梁具有间隙，并且与单晶硅衬底一起形成真空室；

激励模块，配置来激励振动梁；

振动检测模块，配置来检测振动梁的振动，并且通过测量振动梁的共振频率来测量出现在振动梁中的应力；

板状第一电极板，其与单晶硅衬底的表面平行布置，第一电极板的一端连接到振动梁；

板状第二和第三电极板，其与单晶硅衬底的表面平行布置，并且彼此相对，振动梁置于其间；以及

粗糙，其形成在振动梁与第二和第三电极板的相对侧表面上，

其中，振动梁、以及第一、第二和第三电极板形成在与单晶硅衬底表面平行延伸的一个平板状平面内。

根据本发明的第二方面的振动传感器，在第一方面的振动传感器中，每个表面上的粗糙以条纹构造或以网格形式形成为分别在平行于单晶硅衬底表面和垂直于单晶硅衬底表面的一个或两个方向上连续。

根据本发明的第三方面的振动传感器，在第一或第二方面的振动传感器中，第二电极板被用作用于激励振动梁的激励电极，而第三电极板被用作用于检测振动梁的振动的振动检测电极。

根据本发明的第四方面的振动传感器，在第一或第二方面的振动传感器中，第一电极板被用作用于激励振动梁的激励电极，而第二或第三电极板被用作用于向振动梁施加直流偏置电压的偏压电极和用于检测振动梁的振动的振动检测电极。

根据本发明的第五共面的振动传感器，在第一或第二方面的振动传感器中，分别在振动梁的轴的两侧布置多个第二电极板和多个第三电极板，并且多个第二电极板中的一部分用作激励电极，而其他第二电极板用作检测电极，多个第三电极板中的一部分被用作检测电极，而其他第三电极板被用作激励电极，从而选择振动梁的振动模式。

根据本发明的第六方面的振动传感器，在第一至第五方面的任意之一的振动传感器中，振动梁是双端固定梁。

根据本发明的第七方面的振动传感器的制造方法，包括：

(1)在SOI衬底上形成具有高硼或磷浓度的硅层；

(2)执行图案化和蚀刻，以在硅层中形成沟槽，从而形成振动梁和电极，以及在同一工艺期间，还在振动梁与电极的相对表面上形成粗糙；

(3)在硅层和沟槽上形成绝缘膜，从而封闭沟槽的上部；

(4)在绝缘膜上形成第一多晶硅层；

(5)通过蚀刻形成穿过第一多晶硅层的开口；

(6)在第一多晶硅层上和在开口中形成氧化膜，并且对氧化膜进行图案化，从而仅保留位于开口中和开口周围的部分；

(7)在第一多晶硅层上形成第二多晶硅层，以填充开口；

(8)用氧化膜作为停止层，在第二多晶硅层的位于氧化膜和振动梁之上的部分中形成多个孔或缝隙；

(9)通过蚀刻移除氧化膜以及绝缘膜在振动梁周围的部分；

(10)在第二多晶硅层上和在所述孔或缝隙中形成第三多晶硅层，以将振动梁密封在真空中；

(11)使用绝缘膜作为停止层，通过蚀刻第一、第二、和第三多晶硅层来形成到达各个电极的孔；

(12)形成接触孔，用于穿过绝缘膜与电极接触；以及

(13)通过在表面上以及在接触孔中形成铝层并且对其进行图案化来形成电极焊盘。

本发明的第一和第二方面提供以下优点。

图28的相关技术的振动传感器的制造工艺需要许多工艺步骤，这是因为堆叠了振动梁、激励电极、和振动检测电极。相比之下，在根据本发明的第一和第二方面的振动传感器中，由于振动梁、激励电极、和振动检测电极位于相同的平板状空间内，因此可以通过单个步骤(使用单个掩模)来形成振动梁、激励电极、和振动检测电极。

在图28的相关技术的振动传感器中，难以使振动梁的表面以及面对该表面的表面变得粗糙，以作为针对吸持的对策。相比之下，在水平振动型振动传感器(其中振动梁、激励电极、和振动检测电极可以位于相同的平板状空间内)中，可以在形成振动梁和面对振动梁的电极的同一工艺中使相对表面变粗糙。从而，可以容易并可靠地避免振动梁的吸持。

例如，利用扇形凹口来使相对表面变粗糙，所述扇形凹口通过在形成振动梁和电极的过程中进行蚀刻来形成，或者通过在形成振动梁和电极的过程中使用具有凸出和凹进的掩模图案来形成。

由于振动梁长而窄，可以使壳体宽度比图28的相关技术的振动传感器中的短。在壳体厚度保持相同的情况下，可以使耐压性比图28的相关技术的振动传感器中的高。

在应该获得相同耐压性的情况下，可以使作为压力隔离物的壳体比图28的相关技术的振动传感器中的薄。在诸如图28的相关技术的振动传感器之类的垂直振动型(堆叠型)振动传感器中，驱动电极需要形成在壳体侧。当施加高压力时，壳体可能会变形，从而改变驱动电极与振动梁之间的距离，从而使得频率变化特性非线性。

振动梁的纵横比也影响水平振动和垂直振动的共振频率。如果用于压力测量的振动梁振动模式的共振频率与另一振动模式的共振频率相互干扰，则两个共振频率锁定，从而引起频率测量的滞后，这导致误差。为了避免该问题，用于振动梁测量的水平振动模式必须具有最低的频率(一阶模式)，而垂直振动模式必须为高阶模式(三阶或更高)。

为了实现这种状态，振动梁在垂直方向上的长度应该至少三倍于水平方向上的长度。在垂直方向上具有长而窄形状的振动梁对提高测量精度是很重要的。

此外，由于振动梁可以以二维自由形成，因此可以容易地形成具有复杂形状的振动梁和具有增大振动稳定性效果的振动梁。

本发明的第三方面提供以下优点。由于激励电极和检测电极彼此间隔开，因此抑制了激励信号进入检测电路的串扰现象，从而增大了SN比。

本发明的第四方面提供以下优点。可以获得这样的振动传感器，其仅具有很少数量的电极，并且构造很简单。

本发明的第五方面提供以下优点。可以激励振动梁来选择期望的振动模式。

本发明的第六方面提供以下优点。可以获得这样的振动传感器，其可以在宽动态范围内执行压力测量，这是因为其能够利用具有最少振动模式数量的双端固定梁自振，从而在测量范围内没有模式交叉，并且可以在宽频带内使用。

本发明的第七方面提供以下优点。可以获得这样的制造方法，其可以制造这样的振动传感器，其中振动梁、激励电极、和振动检测电极位于相同的平板状空间内。

附图说明

图1A和图1B示出了根据本发明的实施例的振动传感器的重要部分。

图2至图15示出了图1的制造过程。

图16示出了图1的具体电路图。

图17示出了图1的另一具体电路图。

图18示出了图1的又一具体电路图。

图19示出了图1的又一具体电路图。

图20示出了图1的又一具体电路图。

图21A至图21E示出了形成图1的粗糙37的过程。

图22示出了图1的粗糙37的完成状态。

图23示出了图22的断面视图。

图24A至图26C示出了图1的粗糙37的示例。

图27A是示出本发明的实施例的振动梁与壳体之间的关系的示意图。

图27B是示出图28中所示的相关技术的振动传感器的振动梁与壳体之间的关系的示意图。

图28示出了相关技术的振动传感器的重要部分。

图29至图37示出了图28的制造过程。

图38A是示出相关技术的振动传感器的互连的平面视图。

图38B是相关技术的振动传感器的电路图。

图39是对应于公式2的曲线图。

具体实施方式

以下将参考附图来详细描述本发明的实施例。

图1至图15示出了根据本发明的实施例的振动传感器的重要部分。图1A和图1B分别是示出振动传感器组件的重要部分的构造的平面视图和断面视图。图2至图15示出了制造过程。以下将仅描述不同于图28中的部件。

如图1A和图1B所示，在真空室33中布置振动梁32，并且在衬底31上施加张应力。振动梁32是具有以下断面形状的单晶硅，该断面形状在垂直于衬底31的表面311的方向上比在平行于表面311的方向上长。

第一电极板34形成为板状，并且布置为与衬底31的表面311平行。第一电极板34的一端连接到振动梁32。

第二电极板35和第三电极板36形成为板状，并且布置为与衬底31的表面311平行，并且与置于其间的振动梁32彼此相对。第二电极板35和第三电极板36与振动梁32和第一电极板34位于相同的平板状空间内，该空间平行于衬底31的表面311延伸。

在振动梁32、第二电极板35和第三电极板36的相对侧表面上形成粗糙37，并且避免它们彼此吸持。

在每个表面上，粗糙37都以条纹构造或以网格形式形成为分别在平行于和垂直于衬底31的表面311的一个或两个方向上连续。以下将详细描述粗糙37。参考标号38表示壳体。

接下来，将描述图1A和图1B的振动传感器的制造过程。

首先，如图2中所示，制备SOI衬底101。例如，使用具有2μm厚隐埋氧化膜(BOX层)和1μm厚硅层(器件层)的SOI衬底101。

然后，如图3中所示，在外延生长系统中，在SOI衬底101的器件层上外延生长具有高硼(B)浓度的硅层102。由于具有高硼浓度，因此，硅层102的电阻率很低，从而为导体。这样，将从硅层102形成振动梁、电极。

在具有高硼浓度的硅层102中保持有比在衬底101中高的张应力，因此，在振动梁中出现张力。

当张应力施加到振动梁时，如从公式1理解的那样，频率的平方随应变线性变化，从而获得线性度非常高的特性。另一方面，在压缩应变范围内，振动梁呈现高非线性的特性。因此，振动传感器应该工作在张应力范围内。

具有高硼浓度的硅层102的生长条件如下。

通过使用二氯甲硅烷(SiH₂Cl₂)作为硅材料气体以及使用乙硼烷(B₂H₆)作为硼材料气体(杂质)，在H₂气体中在生长温度1,030℃下，执行规定时间的外延生长，来生长具有高硼浓度的9μm厚的硅层102。从而，器件层和硅层102的总厚度为10μm。

然后，如图4中所示，在具有高硼浓度的硅层102的表面上施加抗蚀涂层，然后使用步进器对该抗蚀涂层进行图案化，所述步进器具有约0.3μm的分辨率，并且能够进行亚微米线和空间的曝光。画出振动梁103的轮廓，并且使用步进器对电极104进行图案化。

使用干蚀刻系统蚀刻硅层102和器件层10μm，以形成沟槽。这样做时，重复执行硅蚀刻处理以及CF聚合物沉积处理，其被称为“博施法(Bosch process)”，从而在所形成的沟槽的每个侧表面上形成褶皱形粗糙105。

通过调整蚀刻时间和沉积时间来形成在水平方向上延伸的、具有约0.1μm或更高的高度以及约0.1μm至1μm的节距的条纹。执行蚀刻，直到到达BOX层并且振动梁103与电极104彼此分离为止。

然后，如图5中所示，在移除CF聚合物并且剥掉抗蚀涂层之后，形成进入在图4的步骤中形成的凹槽的绝缘膜106。更具体地，由使用四乙氧基硅烷(TEOS)通过LP-CVD、等离子体CVD等形成的氧化膜104来封闭沟槽的开口部分。

通过引入氮(N₂)气和氧气在700℃温度和50Pa压强下，通过TEOS在真空中的热分解，来在硅衬底上形成LP-CVD氧化膜(硅氧化涂层)106，所述氮气和氧气在TEOS罐中通过引起气泡与TEOS混合。

通过引入TEOS和氧气而在真空中产生等离子体，在放置在加热到400℃的载物台上的硅衬底上形成等离子体CVD膜(氧化硅涂层)106。由于等离子体CVD系统在阶梯覆盖方面水平低，因此，氧化膜106不易于形成在沟槽的最深的部分，从而在各个沟槽中形成空隙107。

然后，如图6中所示，在靠近沟槽顶部的氧化膜106上形成几微米厚的多晶硅膜108。多晶硅膜108用来形成真空室33，用于使真空梁103限制在真空中，并且将其与传送压力的硅油隔离。

然后，如图7中所示，通过干蚀刻来形成穿过这样形成的多晶硅膜108的开口109。

然后，如图8中所示，通过LP-CVD形成约100nm厚的氧化硅膜111，然后通过缓冲氢氟酸来对其进行图案化，从而仅保留开口109周围的氧化硅膜111。氧化硅涂层111稍后将用来形成引入口，该引入口用于在通过开口109移除振动梁103周围的牺牲层时使用的蚀刻液体或蚀刻气体。

然后，如图9中所示，形成多晶硅层112以填充开口109。

然后，如图10中所示，在图8的步骤中形成的氧化硅膜111之上(即，在振动梁103上方)，穿过多晶硅层112形成孔或缝隙113。氧化硅膜111用作停止层。

然后，如图11中所示，通过使用HF气体或稀释的HF液体进行蚀刻来移除牺牲层。

然后，由于扇形凹口进入H₂环境或者温度高于900℃的真空中时会消失，因此，如图12中所示，使用通过LP-CVD形成的多晶硅膜115在低于900℃的低温下执行真空密封。例如，多晶硅膜115在590℃温度和85Pa压强下使用SiH₄气体在真空中形成。

多晶硅膜115在张应力保持或几乎没有压缩应变保持的条件下形成。SiH₄或SiH₄与氢的混合物用作硅材料气体。

然后，如图13中所示，使用下面的氧化膜106作为停止层，通过反应离子蚀刻(RIE)穿过用来形成真空室的多晶硅膜108、112和115来形成到达电极104的孔116。

然后，如图14中所示，穿过氧化膜106形成用来与电极104接触的接触孔117。

然后，如图15中所示，通过蒸镀或溅射来形成铝(Al)膜，然后对其进行图案化以形成电极焊盘118。电极焊盘118通过金引线接合连接到外部驱动器电路。

使用上述构造，基本上，通过在振动梁32与相对电极中的一个之间施加偏置电压Vb和驱动电压Vi来产生静电引力F，从而驱动振动梁32。

关于检测方法，通过对其进行直流偏置而将电荷Q＝CV存储在由振动梁32和另一电极形成的电容器中。当振动梁32振动从而其电容C变化时，所存储的电荷Q发生变化，并且产生相应的AC电压。所产生的AC电压被差动放大器等放大，所产生的电压变化被计数器读取。从而，测量到振动梁32的振动频率。

图16示出了根据本发明的振动传感器的具体电路图。在图16中，参考标号Vb表示偏置电压(恒定电压)；Vi表示驱动电压(AV电压)；R1-R3表示电阻器；以及OP1和OP2表示运算放大器。偏置电压Vb施加给第一电极34，驱动电压Vi施加给第二电极35。从第三电极36取出表示振动梁32的振动频率的信号。即，第二电极35和第三电极36分别被用作激励电极和检测电极。

由于激励电极和检测电极彼此之间间隔开，因此减小了它们之间的寄生电容，从而抑制了部分激励信号进入检测电路侧的串扰现象。这样，为振动传感器提供了大的SN比。

图17示出了根据实施例的另一振动传感器的具体电路图。在图17中，参考标号Vb表示偏置电压(恒定电压)；Vi表示驱动电压(AV电压)；R1-R3表示电阻器；以及OP1和OP2表示运算放大器。偏置电压Vb施加给第三电极36，驱动电压Vi施加给第一电极34。从第三电极36取出表示振动梁32的振动频率的信号。

该振动传感器的电极数量少并且构造简单，因此是便宜的。但是，该振动传感器易于发生激励信号进入检测电路侧的串扰现象。这样，SN比可能变得很小。

图18A和图18B是根据本发明的又一振动传感器的重要部分的具体电路图。在图18A和图18B中，参考标号Vb1和Vb2表示偏置电压(恒定电压)；Vi表示驱动电压(AV电压)；R1-R6表示电阻器，以及OP1和OP2表示运算放大器。

驱动电压Vi施加给第一电极34，从第二电极35和第三电极36取出表示振动梁32的振动频率的信号。图18B中所示的偏置电压Vb2是负电压，其具有与偏置电压Vb1相同的绝对值，偏置电压Vb1是规定的正电压。

通过在来自两个电极35和36的输出之间进行差分信号处理来相互抵消串扰电平，从而可以增大SN比。

图19和图20是根据本发明的再一个振动传感器的重要部分的具体电路图。在图19和图20中，参考标号Vb表示偏置电压(恒定电压)；Vi表示驱动电压(AV电压)；R1表示电阻器；以及OP1表示运算放大器。

偏置电压Vb施加给第一电极34。提供多个第二电极35和多个第三电极36。可以通过从多个第二电极35和多个第三电极36中选择(多个)激励电极和(多个)检测电极来选择振动梁32的振动模式。图19和图20的示例是五端子类型，其中两个第二电极351和352与两个第三电极361和362布置在振动梁32的两侧。

在图19的示例中，一对激励电极和一对检测电极分别布置在振动梁32的两侧。该情况下，产生一阶模式的振动。

在图20的示例中，两个激励电极对角布置，两个检测电极也对角布置。该情况下，由于反方向的力作用在振动梁32的两半，因此产生二阶模式的振动。

以此方式，可以通过选择电极数量和激励方法的组合来选择性地获得各种振动模式中的任意一种。

接下来，将详细描述如何形成粗糙37。如图4中所示，利用通过蚀刻形成振动梁32以及电极34、35和36的侧表面时形成的扇形凹口、或者通过使用具有用于蚀刻的微小凸出的掩模图案来形成粗糙37。

为了形成扇形凹口，例如使用博施法，其为重复执行蚀刻和侧壁保护的蚀刻方法。博施法能够进行大纵横比的蚀刻。

如图21A至图21E所示，重复执行以下两个步骤。参考标号41和42分别表示硅衬底和掩模图案。

(1)蚀刻步骤

如图21B和图21D中所示，使用六氟化硫(SF₆)执行各向同性蚀刻。存在这样的情况，在蚀刻孔的下表面上形成有保护膜。该步骤具有移除这种保护膜的功能。

(2)保护步骤

如图21C和图21E所示，通过使用弗隆型(flon-type)气体(例如，C₄F₈)在侧壁上沉积CF型涂层来保护侧壁，从而抑制横向蚀刻。

通过重复执行蚀刻步骤和保护步骤来形成被称为扇形凹口的细褶皱形粗糙。可以通过调整蚀刻步骤和保护步骤的持续时间来控制凸出和凹槽的布置方式。图22示出了图1的粗糙37的完成状态，图23示出了图22的断面视图。

图24A和图24B至图26A-图26C示出了利用扇形凹口和具有微小凸出的掩模图案形成的粗糙37的示例。

图24B示出了使用图24A中所示的掩模图案51在硅衬底52中形成扇形凹口的示例处理结果。

图25B示出了使用图25A中所示的掩模图案53对硅衬底54执行普通各向异性蚀刻的示例处理结果。

图25C示出了使用图25A中所示的掩模图案53通过博施法在硅衬底55中形成扇形凹口的示例处理结果。

图26B示出了使用图26A中所示的掩模图案56对硅衬底57执行普通各向异性蚀刻的示例处理结果。

图26C示出了使用图26A中所示的掩模图案53通过博施法在硅衬底58中形成扇形凹口的示例处理结果。

接下来，将对本发明中振动梁32与壳体38之间的关系进行描述。图27A是示出本发明中振动梁32与壳体38之间的关系的示意图。图27B是示出图28中所示相关技术的振动传感器的振动梁3与壳体4之间的关系的示意图。

通过使振动梁32的断面形状长而窄(即，在垂直于衬底31的表面的方向上比在平行于衬底31的表面的方向上长)，可以使壳体38的宽度L1小到例如图28的相关技术振动传感器的振动梁3的宽度L2的约1/4。从而，在壳体厚度相同的情况下，根据本发明的振动传感器的耐压性约为相关技术振动传感器的击穿电压的四倍高。

为了实现相同的耐压性，壳体38的厚度可以薄至相关技术振动传感器的壳体4的厚度的约1/4。从上方施加压强P。

在图28的相关技术的垂直振动型振动传感器中，驱动电极应该形成在壳体4一侧上。当向该振动传感器施加高压强时，壳体4可能变形，从而驱动电极与振动梁3之间的距离发生变化。这影响作用在振动梁3上的静电引力，从而使频率变化特性非线性。

由于不存在磁体，因此该振动传感器可以用于压力传感器(诸如应变仪)之外的目的。

仅通过切换掩模图案能够产生各种振动梁(制造过程保持相同)，该制造过程可以应用于高灵敏度加速度计和振动回转仪。

以上描述的特定优选实施例是为了对本发明进行解释和说明。因此，本发明不限于上述实施例，并且本发明包含许多改变和变型，只要它们不脱离本发明的必要特征。

Claims (7)

1.一种振动传感器，包括：

单晶硅衬底；

单晶硅振动梁，其设置在单晶硅衬底之上，该振动梁的断面形状在垂直于单晶硅衬底表面的方向上比在平行于单晶硅衬底表面的方向上长；

壳体，其由硅制成，其围绕振动梁并与振动梁具有间隙，并且与单晶硅衬底一起形成真空室；

激励模块，配置来激励振动梁；

振动检测模块，配置来检测振动梁的振动，并且通过测量振动梁的共振频率来测量出现在振动梁中的应力；

板状第一电极板，其与单晶硅衬底的表面平行布置，第一电极板的一端连接到振动梁；

板状第二电极板和第三电极板，其与单晶硅衬底的表面平行布置，并且与置于其间的振动梁彼此相对；以及

粗糙，其形成在振动梁与第二电极板和第三电极板的相对侧表面上，

其中，振动梁、以及第一电极板、第二电极板和第三电极板位于与单晶硅衬底表面平行延伸的一个平板状空间内。

2.根据权利要求1所述的振动传感器，其中每个表面上的粗糙以条纹构造或以网格形式形成为分别在平行于单晶硅衬底表面和垂直于单晶硅衬底表面的一个或两个方向上连续。

3.根据权利要求1或2所述的振动传感器，其中第二电极板被用作用于激励振动梁的激励电极，而第三电极板被用作用于检测振动梁的振动的振动检测电极。

4.根据权利要求1或2所述的振动传感器，其中第一电极板被用作用于激励振动梁的激励电极，而第二电极板或第三电极板被用作用于向振动梁施加直流偏置电压的偏置电极和用于检测振动梁的振动的振动检测电极。

5.根据权利要求1或2所述的振动传感器，

其中分别在振动梁的轴的两侧布置多个第二电极板和多个第三电极板；以及

其中多个第二电极板中的一部分用作激励电极，而其他第二电极板用作检测电极，多个第三电极板中的一部分用作检测电极，而其他第三电极板用作激励电极，从而选择振动梁的振动模式。

6.根据权利要求1或2所述的振动传感器，其中振动梁是双端固定梁。

7.一种振动传感器的制造方法，包括：

(1)在SOI衬底上形成具有高硼或磷浓度的硅层；

(2)执行图案化和蚀刻，以在硅层中形成沟槽，从而形成振动梁和电极，以及在同一工艺期间，还在振动梁与电极的相对侧表面上形成粗糙；

(3)在硅层和沟槽上形成绝缘膜，从而封闭沟槽的顶部；

(4)在绝缘膜上形成第一多晶硅层；

(5)通过蚀刻在第一多晶硅层中形成开口；

(6)在第一多晶硅层上和在开口中形成氧化膜，并且对氧化膜进行图案化，从而仅保留位于开口中和开口周围的部分；

(7)在第一多晶硅层上形成第二多晶硅层，以填充开口；

(8)用氧化膜作为停止层，在第二多晶硅层的位于氧化膜和振动梁之上的部分中形成多个孔或缝隙；

(9)通过蚀刻移除氧化膜以及绝缘膜在振动梁周围的部分；

(10)在第二多晶硅层上和在所述多个孔或缝隙中形成第三多晶硅层，以将振动梁密封在真空中；

(11)使用绝缘膜作为停止层，通过蚀刻第一多晶硅层、第二多晶硅层、和第三多晶硅层来形成到达各个电极的孔；

(12)形成接触孔，用于与绝缘膜中的电极接触；以及

(13)通过在表面上以及在接触孔中形成铝层并且对其进行图案化来形成电极焊盘。

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