CN102721829A - 电容式微加速度传感器及其单片制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容式微加速度传感器及其单片制作方法，所述加速度传感器为三明治结构，其制作方法不需要键合工艺，直接由单片双器件层SOI硅片制作形成。该加速度传感器具有双面对称直梁-质量块结构，且所述可动质量块的八个角处的直弹性梁，无需采用凸角补偿的结构就可保证最终的质量块为矩形结构，使得预期的器件结构在完成各向异性腐蚀后，能完整保留，器件具有高度法向的对称性。所述制作方法简化了制作三明治结构电容式加速度传感器的工艺，避免了繁琐的键合工艺，降低了制作工艺的难度，提高了工艺效率和可靠性。同时，该方法极大的降低了制造成本，提高了加速度传感器器件性能及器件成品率。

Description

电容式微加速度传感器及其单片制作方法

技术领域

本发明涉及一种加速度传感器，特别是涉及一种电容式微加速度传感器及其单片制作方法，属于微电子机械系统领域。

背景技术

信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用，随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。

高精度微加速度传感器是一种重要的惯性传感器，是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。在现代汽车产业，我们大量运用了低成本的微机械加速度传感器，而高精度的加速度传感器则应于倾斜测量，石油探测和地震预报中的振动测试等。对加速度传感器输出的电信号进行积分处理后，我们还可以得到速度和位移，从而将加速度传感器应用于导航领域.

依检测方式的不同，MEMS加速度传感器可以分为压阻式，电容式，隧道式和谐振器式等等，其中最常见的是压阻式传感器和电容式传感器。

电容式加速度传感器的检测原理是分别制作固定电极和位于质量块上的可动电极。当质量块在加速度下发生位移时，可动电极和固定电极间的距离发生了改变，从而使它们间的电容发生了改变。通过C-V转换电路，我们就可以检测到质量块的位移变化。电容式加速度传感器具有检测精度高，受温度变化影响小的优点，是当前研究、应用最广泛的加速度传感器之一。

依结构的不同，电容式加速度传感器可以分为梳齿式和三明治式两大类。总的来说，三明治结构的检测精度更高。

制作三明治结构电容式加速度传感器的方法主要是体硅微机械加工方法。体硅微机械加工方法是一种典型的微机械加工方法。为了形成完整的微结构，往往在加工的基础上还应用到键合或粘结技术。能够使得可动电极的敏感质量加大，检测电容量加大，加速度计的分辨率和灵敏度等性能得以提高。

由于制作梁-质量块结构以及形成三明治结构的制作方法非常关键，直接影响到电容式加速度传感器的各项性能。现有加速度传感器的制作通常是采用异质自停止方法、浓硼掺杂自停止方法和双层键合硅梁方法来形成梁-质量块结构，并且一般都采用键合技术来形成电容上下固定极板。

H.Seidel等人采用浓硼掺杂自停止的方法制作双面平行对称梁-质量块结构，KOH腐蚀形成梁-质量块结构的过程中，浓硼掺杂层起自停止决定梁厚度的作用，同时也作为轻掺杂区域KOH腐蚀的掩模。这种方法的缺点是掺杂浓度不均匀导致梁厚度不均匀以及硼掺杂工艺中产生的残余应力会影响加速度传感器的性能，如灵敏度和线性度等等。加速度传感器加工工艺过程中有脆弱硅片的键合操作，使得工艺难度增加，从而影响到加速度传感器的成品率。

W.S.Henrion等人采用双层键合硅梁方法，形成双面平行对称梁-质量块结构。此工艺采用KOH腐蚀结合干法深刻蚀释放的方法。首先从背面用KOH将硅片腐蚀到剩余梁的厚度，然后用干法深刻蚀从正面释放出梁-质量块结构。要得到双面结构，可以将两个这样的梁-质量块背靠背键合起来。这种方法的工艺非常复杂，成本相对较高。

高成臣等人采用双器件层SOI硅片制作中间片梁-质量块结构，然后通过硅玻璃键合工艺形成电容上下固定极板。此方法一方面由于是玻璃极板作为上下固定极板，所以极板的电极引出比较复杂。另一方面复杂的键合工艺也直接影响到加速度传感器的成品率。

鉴于此，如何提出一种加速度传感器的制作方法以克服现有技术中工艺复杂、成本高、成品率低、检测精度低的缺点，成为亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电容式微加速度传感器及其单片制作方法，用于解决现有技术中工艺复杂、成本高、成品率低、检测精度低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电容式微加速度传感器单片制作方法，至少包括：

1）提供一双器件层SOI基片，该基片由下向上依次包括第一单晶硅器件层、第一埋层氧化硅、中间体硅层、第二埋层氧化硅、以及第二单晶体硅器件层；

2）对所述基片进行双面光刻，在所述第一单晶硅器件层和第二单晶硅器件层上分别形成对称的上直支撑梁、下直支撑梁、上支撑梁锚区、下支撑梁锚区、上固定电极板、下固定电极板、以及释放通孔结构图形；

3）利用光刻胶作为掩膜，对所述步骤2）中的结构图形进行ICP干法刻蚀，刻蚀深度分别到达所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅，以形成所述的上直支撑梁、下直支撑梁、上支撑梁锚区、下支撑梁锚区、上固定电极板、下固定电极板、以及释放通孔结构，然后除去光刻胶；

4）在暴露出的所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅表面进行光刻，以形成弹性梁、以及可动质量块的结构图形；

5）利用光刻胶作为掩膜，对所述步骤4）中的结构图形进行RIE刻蚀，将所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅刻蚀至所述中间体硅层；

6）继续以光刻胶作为掩膜，利用ICP干法刻蚀对所述中间体硅层进行预定深度的刻蚀，以形成双面对称的所述弹性梁和可动质量块雏形，并去除光刻胶；

7）在所述基片双面热氧化生长一层SiO₂保护层，然后对所述基片进行双面光刻，开出硅的各向异性腐蚀窗口图形；

8）利用光刻胶作为掩膜，将所述各向异性腐蚀窗口图形的SiO₂保护层去除以形成硅的各向异性腐蚀窗口，并去除光刻胶；

9）以所述SiO₂保护层作为腐蚀掩蔽层，利用各向异性腐蚀方法对所述中间体硅层进行腐蚀，直至所述弹性梁形成，同时腐蚀形成所述的上、下直支撑梁；

10）利用湿法或者干法各向同性腐蚀工艺移除各个区域中暴露出的所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅，以释放出所述的上固定电极板、下固定电极板、弹性梁、以及可动质量块结构，并形成加速度传感器的可动电容间隙；

11）在所述基片的第一单晶硅器件层、中间体硅层和第二单晶硅器件层上分别制备金属层，以实现加速度传感器的电极引出。

可选地，所述第一单晶硅器件层、所述中间体硅层、以及所述第二单晶体硅器件层均采用<100>晶向硅片，光刻时必须严格对准<110>晶向。所述第一单晶硅器件层和第二单晶体硅器件层的厚度相同，且所述直支撑梁的厚度取决于所述第一单晶硅器件层或第二单晶体硅器件层的厚度。所述第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅的厚度相同，  且所述可动电容间隙取决于所述第一埋层氧化硅或第二埋层氧化硅的厚度。

可选地，所述可动质量块以及各该弹性梁均位于中间体硅层上；所述上、下固定电极板分别位于所述的第二单晶硅器件层和第一单晶硅器件层；各该上支撑梁锚区和各该上直支撑梁位于所述的第二单晶硅器件层；各该下支撑梁锚区和各该下直支撑梁位于所述第一单晶硅器件层。

可选地，所述步骤9）中利用KOH溶液各向异性腐蚀所述中间体硅层来释放所述弹性梁。

可选地，所述步骤10）中湿法腐蚀时采用HF溶液或BOE溶液，或干法腐蚀时采用HF蒸气。

可选地，所述步骤11）中金属层的制备采用溅射法或蒸镀法。所述金属层的材质为Al、Au、或Ni。

一种电容式微加速度传感器，至少包括：

矩形支撑框体，其上表面对称分布有四个矩形立方体结构的上支撑梁锚区，其下表面对称分布有四个矩形立方体结构的下支撑梁锚区；

可动质量块，由多个对称分布在其四个顶角与四个底角上的弹性梁设置在所述支撑框体中，所述弹性梁沿所述可动质量块的水平方向的棱边延伸并连接至所述支撑框体；

上固定电极板，由多个对称分布于其四周的上直支撑梁悬设于该可动质量块上方，且与该可动质量块上表面之间具有可动电容间隙，所述上直支撑梁一端固定于所述上支撑梁锚区，另一端延伸连接至所述上固定电极板；

下固定电极板，由多个对称分布于其四周的下直支撑梁悬设于该可动质量块下方，且与该可动质量块下表面之间具有可动电容间隙，所述下直支撑梁一端固定于所述下支撑梁锚区，另一端延伸连接至所述下固定电极板。

可选地，所述加速度传感器是在单片双器件层SOI单晶硅片上制作完成的，且所述双器件层SOI单晶硅片由下向上依次包括第一单晶硅器件层、第一埋层氧化硅、中间体硅层、第二埋层氧化硅、以及第二单晶硅器件层。所述支撑框体、所述可动质量块以及各该弹性梁均位于所述中间体硅层上；所述上固定电极板和下固定电极板分别位于所述的第二单晶硅器件层和第一单晶硅器件层；各该上支撑梁锚区和各该上直支撑梁位于所述的第二单晶硅器件层；各该下支撑梁锚区和各该下直支撑梁位于所述第一单晶硅器件层。

可选地，各该上支撑梁锚区和下支撑梁锚区与所述支撑框体之间分别具有第二埋层氧化硅和第一埋层氧化硅。

可选地，所述可动质量块的各顶角及与其对应的底角上分别分布一个所述弹性梁，且各该顶角上分布的弹性梁与其相应底角上分布的弹性梁在水平面上的投影相互交叉垂直。

可选地，所述可动质量块的各顶角及与其对应的底角上分别交叉垂直分布一对弹性梁。

可选地，所述上、下固定极板上分别具有若干阻尼调节通孔。

可选地，各该上支撑梁锚区与所述上固定电极板，以及各该下支撑梁锚区与下固定电极板之间分别对称分布有2个或5个直支撑梁。

可选地，所述的可动质量块、上固定电极板、以及下固定电极板之间相互平行。所述支撑框体、以及各该上、下支撑梁锚区上分别具有金属电极引出。

如上所述，本发明的一种电容式微加速度传感器及其单片制作方法，具有以下有益效果：

本发明的电容式微加速度传感器为三明治结构，其制作方法不需要键合工艺，直接由单片双器件层SOI硅片制作形成。该加速度传感器具有双面对称直梁-质量块结构，且所述可动质量块的八个角处的直弹性梁，无需采用凸角补偿的结构就可保证最终的质量块为矩形结构，使得预期的器件结构在完成各向异性腐蚀后，能完整保留，器件具有高度法向的对称性。本发明的制作方法简化了制作三明治结构电容式加速度传感器的工艺，与现有电容式加速度传感器的结构及制作方法相比，避免了繁琐的键合工艺，降低了制作工艺的难度，提高了工艺效率和可靠性。同时，该方法极大的降低了制造成本，提高了加速度传感器器件性能及器件成品率。

附图说明

图1a～1j显示为本发明中所述电容式微加速度传感器制作工艺流程中截面示意图。其中图1d～1j为沿图1b的AB方向的工艺截面图。

图2显示为本发明实施例二中的电容式微加速度传感器结构示意图。

图3显示为本发明实施例二中的电容式微加速度传感器结构的SEM照片。

图4显示为本发明实施例三中的电容式微加速度传感器结构示意图。

元件标号说明

1          双器件层SOI基片

10         第一单晶硅器件层

100        下直支撑梁

101        下支撑梁锚区

102        下固定电极板

103、143   释放通孔

104、144   阻尼调节通孔

11         第一埋层氧化硅

12         中间体硅层

120        弹性梁

121        可动质量块

122        矩形支撑框体

13         第二埋层氧化硅

14         第一单晶硅器件层

140        上直支撑梁

141        上直支撑梁锚区

142        上固定电极板

2          光刻胶

3          SiO₂保护层

4          各向异性腐蚀窗口

5          可动电容间隙

6          电极引出

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1a至图1j、以及图2至图4，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图所示，本发明提供一种电容式微加速度传感器单片制作方法，包括：

S1：如图1a所示，提供一双器件层SOI基片1，该基片1由下向上依次包括第一单晶硅器件层10、第一埋层氧化硅11、中间体硅层12、第二埋层氧化硅13、以及第二单晶体硅器件层14。

需要说明的是，该双器件层SOI基片1是一个对称结构，所述第一单晶硅器件层10与第二单晶硅器件层14的厚度相等，所述第一埋层氧化硅11和第二埋层氧化硅13的厚度相等。进一步地，所述第一单晶硅器件层10、中间体硅层12、以及第二单晶体硅器件层14均采用<100>晶向硅片。

S2：如图1b所示，在所述双器件层SOI基片1双面旋涂光刻胶2（图中阴影部分为光刻胶），利用掩膜版对其进行双面光刻，光刻时必须严格对准所述第一单晶硅器件层10和第二单晶硅器件层14的<110>晶向，以确保后续所形成的梁的截面形状一致以及矩形的可动质量块121。在后续步骤中对所述中间体硅层12、以及再次对所述第一单晶硅器件层10和第二单晶硅器件层14就进行光刻时同样要对准<110>晶向，对准该晶向的作用与该步骤中的一样，因此后续步骤中不在赘述。

如图1b所示为在所述双器件层SOI基片1旋涂光刻胶2后的平面图，通过光刻在所述第一单晶硅器件层10上分别形成对称的下直支撑梁100、下支撑梁锚区101（未示出）、下固定电极板102、以及释放通孔103（未示出）的结构图形，在所述第二单晶硅器件层14上分别形成对称的上直支撑梁140、上支撑梁锚区141、上固定电极板142、以及释放通孔143的结构图形。如图1b所示为在第二单晶硅器件层14上光刻形成图形结构的俯视图，在所述第一单晶硅器件层10上光刻的图形结构与第二单晶硅器件层14相同，本实施例中不在示出。

需要说明的是，在本实施例中，所光刻形成的各该结构图形区域位置的不同可以制备出不同结构的加速度传感器，如图1c所示为在所述SOI基片1双面上光刻形成另一种结构图形的平面图，根据该平面图可以制备出如图4所示的加速度传感器结构，图4所述的加速度传感器结构的制备工艺与本实施例中的工艺步骤相同，在此不再赘述。

S3：如图1d所示为沿图1b的AB方向的工艺截面图，在后续步骤中图1e～li均为沿图1b的AB方向的工艺截面图，后面不再赘述。利用光刻胶2作为掩膜，对所述步骤S2中的所述双器件层SOI基片1双面没被光刻胶2覆盖的结构图形进行ICP（Inductively CoupledPlasma，感应耦合等离子体）干法刻蚀，刻蚀深度分别到达第一埋层氧化硅11和第二埋层氧化硅13，在所述第一埋层氧化硅11表面上形成下直支撑梁100、线直支撑梁锚区101（未示出）、下固定电极板102、以及释放通孔103结构，在所述第二埋层氧化硅13表面上形成上直支撑梁140、上支撑梁锚区141、上固定电极板142以及释放通孔143结构，然后除去光刻胶2。

S4：如图1e所示，在暴露出的所述第一埋层氧化硅11和第二埋层氧化硅13表面旋涂光刻胶2并利用掩膜版对其进行光刻，以形成弹性梁120、以及可动质量块121的结构图形。

S5：如图1f所示，利用光刻胶2作为掩膜，对所述步骤S4中没被光刻胶所覆盖的结构图形进行RIE（Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀）刻蚀，直至将暴露的所述第一埋层氧化硅11和第二埋层氧化硅13刻蚀穿并到达所述中间体硅层12。

S6：如图1g所示，继续以光刻胶2作为掩膜，利用ICP干法刻蚀对所述中间体硅层12进行刻蚀直至达到预定深度，以形成双面对称的弹性梁120和可动质量块121的雏形，并去除光刻胶2。

需要说明的是，该步骤中在所述中间体硅层12刻蚀出的预定深度也为最终形成的弹性梁120的厚度，该深度根据所制作的加速度传感器的性能不同可以做出调整。

S7：如图1h所示，在所述双器件层SOI基片1双面露出的所述中间体硅层12、所述第一单晶硅器件层10、以及第二单晶硅器件层14表面热氧化生长一层SiO₂保护层3，然后对所述双器件层SOI基片1进行双面光刻后，利用HF溶液或BOE溶液腐蚀掉部分所述中间体硅层12表面的SiO₂保护层3以开出硅的各向异性腐蚀窗口4。

S8：如图li所示，以所述SiO₂保护层3作为腐蚀掩蔽层，利用KOH溶液各向异性腐蚀所述中间体硅层12，直至弹性梁120形成，同时腐蚀形成上直支撑梁140和下直支撑梁100。

S9：如图lj所示，利用HF溶液或者BOE溶液各向同性腐蚀工艺来腐蚀掉暴露出的所述第一埋层氧化硅11、部分第二埋层氧化硅13、以及热氧化生成的全部所述SiO₂保护层3，以释放出上固定电极板142、下固定电极板102、弹性梁120、以及可动质量块结构121，并形成加速度传感器的可动电容间隙5。但并不限于此，在其它实施例中也可采用HF蒸汽进行干法各向同性腐蚀工艺来释放所述加速度传感器的结构。

需要说明的是，所述可动质量块121以及各该弹性梁120均位于中间体硅层12上；所述上固定电极板142和下固定电极板101分别位于所述的第二单晶硅器件层14和第一单晶硅器件层11；所述上直支撑梁140和下直支撑梁100分别位于所述的第二单晶硅器件层14或第一单晶硅器件层10。

进一步地，述可动电容间隙5取决于所述第一埋层氧化硅11或第二埋层氧化硅13的厚度；所述上直支撑梁140、下直支撑梁100的厚度相同并取决于所述的第二单晶硅器件层14或第一单晶硅器件层10的厚度。

S10：通过溅射或蒸镀工艺在所述双器件层SOI基片1上的第一单晶硅器件层10、中间体硅层12和第二单晶硅器件层14上分别制备金属层，并光刻以形成加速度传感器的电极引出6。本实施例中所述金属层的材质暂选为Al，但不限于此，在其它实施例中也可以选取Au、或Ni。

综上所述，本发明的电容式微加速度传感器为三明治结构，其制作方法不需要键合工艺，直接由单片双器件层SOI硅片制作形成。该制作方法简化了制作三明治结构电容式加速度传感器的工艺，与现有电容式加速度传感器的结构及制作方法相比，避免了繁琐的键合工艺，降低了制作工艺的难度，提高了工艺效率和可靠性。同时，该方法大的降低了制造成本，提高了加速度传感器器件性能及器件成品率。

实施例二

如图2所示，本发明的另一目的是提供一种电容式微加速度传感器，至少包括：矩形支撑框体122、可动质量块121、上固定电极板142、下固定电极板102、可动电容间隙5、弹性梁120、上直支撑梁140、下直支撑梁100、上支撑梁锚区141、以及下支撑梁锚区101（未示出）。

所述加速度传感器是在单片所述双器件层SOI基片1上制作完成的，且所述双器件层SOI基片1由下向上依次包括第一单晶硅器件层10、第一埋层氧化硅11、中间体硅层12、第二埋层氧化硅13、以及第二单晶硅器件层14；所述支撑框体122、所述可动质量块121以及各该弹性梁120均位于中间体硅层上12；所述上固定电极板142、下固定电极板102分别位于所述的第二单晶硅器件层14和第一单晶硅器件层10；各该上支撑梁锚区141及上直支撑梁140位于第二单晶硅器件层14；各该下支撑梁锚区101及下直支撑梁100位于所述第一单晶硅器件层10。

具体地，所述矩形支撑框体122的上、下表面分别对称分布有四个矩形立方体结构的上支撑梁锚区141、下支撑梁锚区101（未示出），且各该上支撑梁锚区141、下支撑梁锚区101分布于所述矩形框体122的上、下表面的框边上。本实施例中所述上支撑梁锚区141、下支撑梁锚区101的个数分别为4个；各该上支撑梁锚区141、下支撑梁锚区101分别与所述支撑框体122之间具有第二埋层氧化硅13或第一埋层氧化硅11。

所述可动质量块121由多个对称分布在其四个顶角与四个底角上的弹性梁120设置在所述支撑框体122中，所述弹性梁120沿所述可动质量块121的水平方向的棱边延伸并连接至所述支撑框体122。具体地，所述可动质量块121的各顶角及与其对应的底角上分别分布一个所述弹性梁120，且各该顶角上分布的弹性梁120与其相应底角上分布的弹性梁120在水平面上的投影相互交叉垂直。本实施例中弹性梁120的个数为8个。

所述上固定电极板142由多个对称分布于其四周的上直支撑梁141悬设于该可动质量块121上方，且与该可动质量块121上表面之间具有可动电容间隙5，所述上直支撑梁141一端固定于所述上支撑梁锚区141，另一端延伸连接至所述上固定电极板142。

所述下固定电极板102由多个对称分布于其四周的下直支撑梁101悬设于该可动质量块121下方，且与该可动质量块121下表面之间具有可动电容间隙5，所述下直支撑梁100一端固定于所述下支撑梁锚区101，另一端延伸连接至所述下固定电极板102。

本实施例中，各该上支撑梁锚区141和各该下支撑梁锚区101分别对应的上直支撑梁140和下直支撑梁100的个数均为5个，但不限于此，在其它实施例中亦可以为2个、3个、4个、或6个等。

需要说明的是，所述上142固定电极板和下固定电极板102上还分别分布有若干阻尼调节通孔144和104（未示出）；所述的可动质量块121、上固定电极板142、以及下固定电极板102之间相互平行；所述支撑框体122、上支撑梁锚区141、以及下支撑梁锚区101具有金属电极引出6。图3显示为本实施例中电容式微加速度传感器SEM照片。

如上所述，本发明的一种电容式微加速度传感器，所述加速度传感器是基于单片双器件层SOI硅片制造的三明治结构的传感器，该传感器中的可动质量块的八个角处的直弹性梁，无需采用凸角补偿的结构就可保证最终的质量块为矩形结构，使得预期的器件结构在完成各向异性腐蚀后，能完整保留，器件具有高度法向的对称性。

实施例三

如图4所示，本发明提供一种电容式微加速度传感器，该结构与实施例二中的结构的区别为：

1）实施例二中，各该上支撑梁锚区141、下支撑梁锚区101（未示出）分别分布于所述矩形框体122的上、下表面的框边上，且各该上支撑梁锚区141分布的上直支撑梁140的个数为2、3、4、5、或6等，但不限于该个数，该个数可以根据所制作的加速度传感器性能的不同而灵活改变，且各该上支撑梁锚区141相对应的各该上直支撑梁140相互平行；各该下支撑梁锚区101和下直支撑梁100分布情况与所述上支撑梁锚区和上直支撑梁情况相同，在此不在赘述。

而在本实施例中，各该上支撑梁锚区141和下支撑梁锚区101平均分布于所述矩形框体122的上下8个框角上，各该上支撑梁锚区141上分别分布有2上直支撑梁，且2个所述直支撑梁140相互交叉垂直；各该下支撑梁锚区101和下直支撑梁100分布情况与所述上支撑梁锚区141和上直支撑梁140情况相同，不在赘述。

2）实施例二中，所述可动质量块121的各顶角及与其对应的底角上分别分布一个所述弹性梁120，且各该顶角上分布的弹性梁120与其相应底角上分布的弹性梁120在水平面上的投影相互交叉垂直，由此可知实施例二中的所述弹性梁120的个数共8个。

而在本实施例中，所述可动质量块121的各顶角及与其对应的底角上分别交叉垂直分布一对弹性梁120，弹性梁120的个数共16个。

其它结构与实施例一相同，本实施例中不在赘述。

综上所述，本发明提供的一种电容式微加速度传感器及其单片制作方法，所述加速度传感器是基于单片双器件层SOI硅片制造的三明治结构的传感器，该传感器中的可动质量块的八个角处的直弹性梁，无需采用凸角补偿的结构就可保证最终的质量块为矩形结构，使得预期的器件结构在完成各向异性腐蚀后，能完整保留，器件具有高度法向的对称性。本发明的制作方法简化了制作三明治结构电容式加速度传感器的工艺，与现有电容式加速度传感器的结构及制作方法相比，避免了繁琐的键合工艺，降低了制作工艺的难度，提高了工艺效率和可靠性。同时，该方法极大的降低了制造成本，提高了加速度传感器器件性能及器件成品率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (19)

1.一种电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于，至少包括：

1）提供一双器件层SOI基片，该基片由下向上依次包括第一单晶硅器件层、第一埋层氧化硅、中间体硅层、第二埋层氧化硅、以及第二单晶体硅器件层；

2）对所述基片进行双面光刻，在所述的第一单晶硅器件层和第二单晶硅器件层上分别形成对称的上直支撑梁、下直支撑梁、上支撑梁锚区、下支撑梁锚区、上固定电极板、下固定电极板、以及释放通孔结构图形；

3）利用光刻胶作为掩膜，对所述步骤2）中的结构图形进行ICP干法刻蚀，刻蚀深度分别到达所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅，以形成所述的上直支撑梁、下直支撑梁、上支撑梁锚区、下支撑梁锚区、上固定电极板、下固定电极板、以及释放通孔结构，然后除去光刻胶；

4）在暴露出的所述第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅表面进行光刻，以形成弹性梁、以及可动质量块的结构图形；

5）利用光刻胶作为掩膜，对所述步骤4）中的结构图形进行RIE刻蚀，将所述第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅刻蚀至所述中间体硅层；

6）继续以光刻胶作为掩膜，利用ICP干法刻蚀对所述中间体硅层进行预定深度的刻蚀，以形成双面对称的所述弹性梁和可动质量块雏形，并去除光刻胶；

7）在所述基片双面热氧化生长一层SiO₂保护层，然后对所述基片进行双面光刻，开出硅的各向异性腐蚀窗口图形；

8）利用光刻胶作为掩膜，将所述各向异性腐蚀窗口图形的SiO₂保护层去除以形成硅的各向异性腐蚀窗口，并去除光刻胶；

9）以所述SiO₂保护层作为腐蚀掩蔽层，利用各向异性腐蚀方法对所述中间体硅层进行腐蚀，直至所述弹性梁形成，同时腐蚀形成所述的上、下直支撑梁；

10）利用湿法或者干法各向同性腐蚀工艺移除各个区域中暴露出的所述的第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅，以释放出所述的上固定电极板、下固定电极板、弹性梁、以及可动质量块结构，并形成加速度传感器的可动电容间隙；

11）在所述基片的第一单晶硅器件层、中间体硅层和第二单晶硅器件层上分别制备金属层，以实现加速度传感器的电极引出。

2.根据权利要求1所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于：所述第一单晶硅器件层、所述中间体硅层、以及所述第二单晶体硅器件层均采用<100>晶向硅片，光刻时必须严格对准<110>晶向。

3.根据权利要求1所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于：所述第一单晶硅器件层和第二单晶体硅器件层的厚度相同，且所述上、下直支撑梁的厚度取决于所述第一单晶硅器件层或第二单晶体硅器件层的厚度。

4.根据权利要求1所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于：所述第一埋层氧化硅和第二埋层氧化硅的厚度相同，且所述可动电容间隙取决于所述第一埋层氧化硅或第二埋层氧化硅的厚度。

5.根据权利要求1所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于：所述可动质量块以及各该弹性梁均位于中间体硅层上；所述上、下固定电极板分别位于所述的第二单晶硅器件层和第一单晶硅器件层；各该上支撑梁锚区和各该上直支撑梁位于所述的第二单晶硅器件层；各该下支撑梁锚区和各该下直支撑梁位于所述第一单晶硅器件层。

6.根据权利要求1所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于：所述步骤9）中利用KOH溶液各向异性腐蚀所述中间体硅层来释放所述弹性梁。

7.根据权利要求1所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于：所述步骤10）中湿法腐蚀时采用HF溶液或BOE溶液，或干法腐蚀时采用HF蒸气。

8.根据权利要求1所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于：所述步骤11）中金属层的制备采用溅射法或蒸镀法。

9.根据权利要求9所述的电容式微加速度传感器单片制作方法，其特征在于：所述金属层的材质为Al、Au、或Ni。

10.一种电容式微加速度传感器，其特征在于，至少包括：

矩形支撑框体，其上表面对称分布有四个矩形立方体结构的上支撑梁锚区，其下表面对称分布有四个矩形立方体结构的下支撑梁锚区；

可动质量块，由多个对称分布在其四个顶角与四个底角上的弹性梁设置在所述支撑框体中，所述弹性梁沿所述可动质量块的水平方向的棱边延伸并连接至所述支撑框体；

上固定电极板，由多个对称分布于其四周的上直支撑梁悬设于该可动质量块上方，且与该可动质量块上表面之间具有可动电容间隙，所述上直支撑梁一端固定于所述上支撑梁锚区，另一端延伸连接至所述上固定电极板；

下固定电极板，由多个对称分布于其四周的下直支撑梁悬设于该可动质量块下方，且与该可动质量块下表面之间具有可动电容间隙，所述下直支撑梁一端固定于所述下支撑梁锚区，另一端延伸连接至所述下固定电极板。

11.根据权利要求10所述的电容式微加速度传感器，其特征在于：所述加速度传感器是在单片双器件层SOI单晶硅片上制作完成的，且所述双器件层SOI单晶硅片由下向上依次包括第一单晶硅器件层、第一埋层氧化硅、中间体硅层、第二埋层氧化硅、以及第二单晶硅器件层。

12.根据权利要求11所述的电容式微加速度传感器，其特征在于：所述支撑框体、所述可动质量块以及各该弹性梁均位于所述中间体硅层上；所述上固定电极板和下固定电极板分别位于所述的第二单晶硅器件层和第一单晶硅器件层；各该上支撑梁锚区和各该上直支撑梁位于所述的第二单晶硅器件层；各该下支撑梁锚区和各该下直支撑梁位于所述第一单晶硅器件层。

13.根据权利要求12所述的电容式微加速度传感器，其特征在于：各该上支撑梁锚区和下支撑梁锚区与所述支撑框体之间分别具有第二埋层氧化硅和第一埋层氧化硅。

14.根据权利要求10所述的电容式微加速度传感器，其特征在于：所述可动质量块的各顶角及与其对应的底角上分别分布一个所述弹性梁，且各该顶角上分布的弹性梁与其相应底角上分布的弹性梁在水平面上的投影相互交叉垂直。

15.根据权利要求10所述的电容式微加速度传感器，其特征在于：所述可动质量块的各顶角及与其对应的底角上分别交叉垂直分布一对弹性梁。

16.根据权利要求10所述的电容式微加速度传感器，其特征在于：所述上、下固定极板上分别具有若干阻尼调节通孔。

17.根据权利要求10所述的电容式微加速度传感器，其特征在于：各该上支撑梁锚区与所述上固定电极板，以及各该下支撑梁锚区与下固定电极板之间分别对称分布有2个或5个直支撑梁。

18.根据权利要求10所述的电容式微加速度传感器，其特征在于：所述的可动质量块、上固定电极板、以及下固定电极板之间相互平行。

19.根据权利要求10所述的电容式微加速度传感器，其特征在于：所述支撑框体、以及各该上、下支撑梁锚区上分别具有金属电极引出。

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