CN102762992B - 加速计及其制造方法 - Google Patents

Abstract

MEMS加速计使用两个电极层之间的电容性传感。电极层之一具有配置为两对电极的至少四个独立电极，一对相对电极与另一对相对电极正交地排列，使得可以检测隔膜的倾斜和隔膜的法向移动。按照这种方式，可以由单独的悬置质量体形成三轴加速计，并且通过使用都在相同平面内的一组电容器电极。这意味着制造是简单的，并且与诸如MEMS麦克风之类的其他MEMS制造工艺兼容。

Description

加速计及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种加速计，具体地涉及一种使用MEMS技术制造的加速计。

背景技术

由于微机电系统(MEMS)中所包含的非传统工艺步骤，MEMS要求在工厂进行的大量研究。因此，重新使用MEMS流程来制造其他产品是有益的。所述流程(的一部分)的重新使用将立即转化为成本的减少。

共享技术的示例是将加速计与MEMS麦克风集成。这已经由申请人提出(但是还没有公开)。本发明基于这种方法，以使得能够使用与MEMS麦克风制造兼容的工艺流程来制造全3D体材料微机械加工的加速计(由于较大的质量，具有比表面微机械加工的加速计具有更好的性能)。因此，不要求对MEMS麦克风的工具进行显著的改进性研究。

在一个示例中，MEMS麦克风流程的特征在于：

绝缘体上硅(SOI)硅衬底，具有薄顶部硅层，所述薄顶部硅层限定了最终器件中的低应力隔膜层；

穿过硅的刻蚀，以创建在SOI层外面的独立式隔膜；

牺牲层刻蚀，优选地应用于二氧化硅层，优选地通过HF气相刻蚀进行，但是替代地可以通过湿化学刻蚀进行。

图1示意性地示出了已知的电容性麦克风的操作原理。声压波1使得隔膜10由于隔膜上的压力差而振动。这改变了隔膜10和背板11之间的气隙间距。为了良好的全方向性性能，隔膜的背部一侧面对声学闭合的背部腔室12。要求背部腔室中的小孔14以补偿大气压力的缓慢变化。

为了检测隔膜的移动，将其放置为平板电容器结构。为了进行这种操作，隔膜具有导电表面并且背板也导电，对其进行放置以创建气隙。由于通过声压差对气隙的调制，与声压成正比的电学可检测信号是可用的。

通常在硅MEMS工艺中制造隔膜和背板，同时可以通过器件封装来限定背部腔室。

US2002/014126公开了一种力检测器，其使用多个电极来检测衬底的弯曲，使得也可以得出检测到的力的方向。

US2003/235992公开了一种使用半导体制造工艺制造的电容性加速计传感器。

WO2009/063473公开了一种在单独平面衬底上制造的三维MEMS加速计，其部署了三个共面的传感器元件。

发明内容

根据本发明，提出了一种根据权利要求1所述的MEMS加速计。

至少四个电极的使用使得能够检测到沿两个正交方向的倾斜。按照这种方式，可以形成三轴加速计，所述三轴加速计是紧凑的并且使用经过试验和测试的体材料微机械加工工艺，例如已经用于制造MEMS麦克风的体材料微机械加工工艺。

可以将衬底的一部分附着到隔膜，所述部分定义了通过穿过衬底的开口与衬底的其余部分隔离的悬置质量体。这提供了增加的质量，所检测到的力作用于所述质量体。与只向隔膜施加力的情况相比，这提供了改进的灵敏度。通过将质量的重心定位于隔膜层下面，也提供了响应于平面内的力的增加的倾斜，使得平面内的力产生扭矩，进而产生倾斜效果。

优选地，所述衬底包括硅。

例如，第二电极层可以包括四个扇形体，所述四个扇形体由它们的外围部分支撑。

本发明也提供了一种根据权利要求5所述的形成MEMS加速计的方法。

优选地，所述衬底结构包括绝缘体上硅衬底。所述顶部硅层形成了隔膜，检测所述隔膜的移动。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的示例，其中：

图1示意性地示出了已知电容性麦克风的操作原理；

图2A至2G说明了制造MEMS麦克风和加速计的方法，示出了本发明的基本方法；

图3用于解释如何使用本发明的方法实现三维加速度感测；

图4示出了在本发明的加速计设计中使用的第一可能电极结构；

图5示出了在本发明的加速计设计中使用的第二可能电极结构；

图6示出了用于生产本发明的加速计中的分段电极方法的第一示例；

图7示出了用于生产本发明的加速计中的分段电极的方法的第二示例；以及

图8示出了用于生产本发明的加速计中的分段电极的方法的第三示例。

具体实施方式

附图没有按比例绘制，并且已经夸张地示出了一些维度(例如厚度维度)以使得附图更加清楚地示出不同的部件。

本发明提出了一种使用两个电极层之间的电容性感测的MEMS加速计。电极层之一具有配置为两对电极的至少四个独立电极，一对相对带电极与另一对相对电极正交地排列，使得可以检测具有恒定平均间距的隔膜的倾斜和引起平均间距变化的隔膜移动。按照这种方式，三轴加速计可以由单独的悬置质量体(隔膜的质量体和任意附着的质量体)构成，并且通过使用都在相同平面内的一组对电极(即电容器的相对电极之一)。这意味着制造是简单的，并且与诸如MEMS麦克风之类的其他MEMS制造工艺兼容。

可以将衬底的一部分附着到隔膜上，所述部分定义了通过穿过衬底的开口与衬底的其余部分隔离的悬置质量体。

如上所述，申请人已经提出了将MEMS加速计与MEMS麦克风的集成。已经提出了将所述加速计用于“体噪声”抑制。

现在参考图2A-2G，将描述一种制造MEMS麦克风的方法，其中将加速计质量-弹簧系统整个制造在麦克风背板层中。

首先如图2A所示，所述工艺开始于提供绝缘体上硅(SOI)晶片衬底30。这里，SOI晶片衬底30包括夹在硅(Si)的上部层34和下部层36之间的二氧化硅层(SiO₂)32。

接下来，对上部硅层34进行构图以便提供如图2B所示的第一部分34a和第二部分34b。硅层34的第一部分34a将成为麦克风隔膜，而硅层34的第二部分34b将成为加速计的固定电极。SOI晶片30确保了该层的应力是低的张应力以便产生灵敏的麦克风，因为麦克风灵敏度由隔膜中的(张)应力确定。

如图2C所示，将附加的二氧化硅(SiO₂，例如TEOS或LPCVD)层38沉积到已构图的上部层34，然后用多晶硅层40覆盖。如随后所示的，硅层34的第一部分34a上面的多晶硅层40的区域将形成麦克风的背板，而硅层的第二部分34b上面的多晶硅层40的区域将形成加速计的悬置质量体。

然后如图2D所示(例如使用反应离子刻蚀工艺)在多晶硅层40中刻蚀孔42。这些孔42配置用于后续的牺牲层刻蚀工艺。另外，也将孔42配置用于使得麦克风的背板声学透明。

接下来，使用深反应离子刻蚀(DRIE)或者替代地是KOH或TMAH中的各向异性刻蚀，刻蚀掉下部硅(Si)层36的一部分，以便在麦克风的位置处形成腔体44，如图2E所示。

然后通过孔42采取牺牲层刻蚀工艺来如图2F所示地去除SiO₂层38的部分。这将Si层34的第一部分34a从其上的多晶硅层40的区域释放，从而由Si层34的第一部分34a形成了隔膜部分46，并且由其上的多晶硅层40的区域形成了背板48。此外，从Si层34释放Si层34的第二区域34b上的多晶硅层40的区域，以便形成加速计的悬置质量体50。

因此，图2G所示的最终结构包括MEMS电容性麦克风(左侧)和MEMS电容性加速计(右侧)。隔膜46和背板48之间的导电表面之间的电容Csound提供了入射声学信号和器件的机械振动之间的量度。类似地，悬置质量体50的导电表面和Si层34的第二部分34b之间导电表面的电容Cacc提供了麦克风的机械振动(由标记为“a”的箭头表示)的量度。

应该理解的是当与只制造MEMS麦克风相比较时，上述制造工艺不要求附加的掩模。

已经提出了形成1D加速计的(未公开)工艺用于体噪声抑制(减小固体传送音)。然而，利用一些微小的附加物，所述技术可以用于实现具有比只进行体噪声补偿更多选项的全功能3D加速计。

本发明的附加方法是用于将背部电极或者隔膜电学地分离为四个扇形体(称作分段电极)。然后，可以通过差分地或者按照共模模式读出多个电容来推导z-轴信号和单独的x-轴和y-轴信号。用于按照当前技术实现这种方法的几个实施例如下。

因此，本发明具有延伸超过扬声器/麦克风应用的应用。即使当没有在与麦克风相同的管芯上制造时，也可以重新使用针对麦克风制造而进行的探索。

图3示出了一轴(一维)加速计的操作模式。图3也示出了通过使用衬底的背部刻蚀隔离衬底的一部分，加速计质量体(“检验质量体”)可以不但包括隔膜的一部分，而且包括下面的下部硅层的附着部分。与图2所示的工艺相比较，这提供了对于加速计增加的质量。另外，其降低了向其施加外部加速力的质量的重心，使得通过平面内的感应出旋转力。参考图3解释这些旋转力的效果。

正方形60表示体材料硅中的检验质量体的侧视图。将其从隔膜层62悬置，例如所述隔膜层用于实现圆形弹簧。通过使得背板64与隔膜层62平行来实现电容性读出。其结果是沿z轴施加的加速度导致了如由虚线位置65中的左手图片所示的质量体位移。气隙d或者将减小或者增加(依赖于加速度的方向)，并且因此读出电容将改变，导致所需的电信号。由Δd＝a·M/k给出所述位移，其中“M”是检验质量体，“k”是悬置体的弹簧常数，以及“a”是施加的加速度。

然而由于顶部一侧的悬置，如图3的右手部分所示，沿x轴或y轴的加速度将导致检验质量体的倾斜。平均间距d保持相同，使得电容性读出不能检测出这种倾斜。

本发明的附加方法是用于将背板或者隔膜或者这两者划分为多个(例如4个)扇形体。

在图4的各个透视草图中更加清楚地说明了电极分割。在这种情况下，将背板或隔膜的任一个构建为四个段，而不对隔膜或背板(分别地)进行分割。假设对背板进行分割，那么存在四个电容：

C₁是背板的一个片段相对于隔膜的电容

C₂是背板的另一个片段相对于隔膜的电容

C₃是背板的再一个片段相对于隔膜的电容

C₄是背板的又一个片段相对于隔膜的电容

对于沿x轴的加速度，所述质量体将按照使得C₂和C₄改变而C₁和C₃不变的方式倾斜。沿y轴的加速度将改变C₁和C₃，而C₂和C₄保持不变。在准标记中(为了简单地表示哪个加速度分量对于电容的哪个变化有影响)：

ΔC₁＝a_y+a_z；

ΔC₂＝a_x+a_z；

ΔC₃＝-a_y+a_z；

ΔC₄＝-a_x+a_z。

因此：

C₁+C₂+C₃+C₄确定了z轴信号；

C₂-C₄确定了x轴信号；

C₁-C₃确定了y轴信号。

图4示出了四个扇形体的单独结构。图5所示的替代是为了在相同管芯上形成两个分离的加速度计，其中每两个管芯具有半圆形状的电极，其中将加速度计彼此旋转90°以实现x轴和y轴灵敏度。这比四扇形体方案机械上更加可靠，但是要求更大的管芯面积。

存在许多不同的方法来在层中实现所要求的电学分段，而不会改变机械可靠性。

在原始的麦克风叠层中，背板是多晶硅掺杂层(图2中的层40)，因此背板本身是导电元件。同样由于所施加的掺杂水平，硅隔膜(SOI结构的顶部硅层)是导电元件。

因此，要求对背板或者隔膜(或者这两者)进行构图以实现分离的电极。

图6中示出了第一示例。

图6A示出了SOI衬底作为起始点(与图2A相同)，具有体材料硅衬底7、掩埋氧化物层72和掺杂多晶硅顶部层74。

图6B示出了设置在SiO₂牺牲层78上的新背板叠层7。背板层包括绝缘体-导体-绝缘体结构。导电层80用于限定四个局部电极，而绝缘体定义了电绝缘悬置层，其用于使得背板机械上是一个整体。

在一个示例中，背板叠层可以包括硅化物，具有局部注入剂以限定导电层。电子板和未掺杂背板区域之间的泄露电流必须通过正确的电学反向偏置来最小化。当然可以使用其他的绝缘体-导体-绝缘体结构。

将图6B所示的导体80定义为具有所需的电极形状，例如四扇形体型。

在图6C中，对背板结构进行构图以定义所要求的牺牲刻蚀通孔，并且提供对于层80的接触凹口。在图6C中示出了一个这种接触凹口，但是对于每一个电极将存在一个凹口。

图6D示出了背侧DRIE刻蚀工艺。这隔离了体材料衬底的一部分70a。

图6E所示的牺牲刻蚀通过已构图的背板结构去除了SiO₂层78，并且也去除了通过背板刻蚀暴露出的SOI掩埋绝缘体。因此，所得到的结构具有隔膜电极82和一组背板电极，示出了背板电极之一84。体材料硅衬底的部分70a保持附着到隔膜74(通过掩埋氧化物层72)，而只通过隔膜层74的部分来提供对于所述部分70a的支撑。

通过使用具有分离的导体限定和分离的机械形状限定的背板叠层，所述电极可以具有与总体几何形状不同的形状。因此，如图4所示的四个片段的电极结构是一种选择。此外，可以消除寄生电容。

图6E示出了可能的最终产品。然而，因为背板由嵌入到绝缘材料中的几个电极构成，不需要孔洞或狭缝来分离背板电极。作为其结果，可以在整个叠层上沉积绝缘层作为最终处理步骤，填充背板中的刻蚀孔，并且因此可能在低压下创建腔体。

这种选项如图6F所示，其中将绝缘盖层示出为85。通过在低压(真空)环境下由专用封装86来阻塞器件的背部一侧，将加速度计与湿气相隔离，并且具有减小的空气阻尼。为了确保隔膜74上方和下方的腔体处于相同的低压，在隔膜中将需要压力均衡孔，其未示出。

图7中示出了第二示例。

图7A示出了与图6A相同的起始点。

图7B示出了所施加的掺杂多晶硅背板层90，并且在图7C中示出了构图。在这种情况下，所述构图不但提供了牺牲刻蚀孔，而且提供了不同背板电极的机械分离。具体地，所述背板具有狭缝92，使得限定了四个背板电极扇形体，每一个都悬置为只形成轮缘(rim)。

在图7D中示出了背部刻蚀，接着是图7E中的牺牲刻蚀。因此所得到的结构具有四个背板电极，每一个均具有在轮缘处限定的接触。示出了两个这种电极94、96，以及两个背板接触98、99。

在图8中示出了第三示例。

图8A示出了与图6A相同的起始点，但是利用物理狭缝100对顶部硅层进行构图以定义将隔膜分离成不同的区域。通过悬置的检验质量体将整个结构保持在一起。麦克风工艺已经包括了顶部硅层的构图。

图8B示出了所应用的掺杂多晶硅背板层90，并且在图8C中示出了构图以提供牺牲刻蚀孔91。在图8D中示出了背部刻蚀，接着是图8E中的牺牲刻蚀。所得到的结构因此具有单独的背板电极，所述背板电极具有其相关联的背板接触102，但是限定了四个隔膜电极。示出了两个这种电极104、106以及相关联的隔膜接触108、109。

因此，可以对隔膜层或背板进行构图以限定分段的电极。可以将所述电极分为四个，但是同样可能是提供更多的电极，并且这可以使得实现更高精度的xy方向感测。存在至少四个分离的电容，可以对其进行监测，但是可以如上所述在多个加速计单元上进行划分。

为了给出合适维度的示例，已经相对于规范和成本估计了300μm隔膜直径的加速计。这一尺寸与在市场上已有的单独加速计相比拟。

沿Z轴，所述器件用作直径300μm的单独大电极。例如，利用365μm的晶片厚度，针对82aF的1g加速度(dx＝1nm)电容是313fF，其随着电容而变化。

沿XY轴，单独的电容是78fF，并且针对1g加速度的电容变化是53aF(dx＝3.5nm)。因此，对于xy加速度的灵敏度较低，但是已经论证了对于三轴加速度感测的适应性。

本发明提供了一种基于已经用于麦克风制造的工艺生产3D电容性加速计的方法。通过重新使用所述流程，即使所述加速计不是在与预期产品相同的管芯上制造，也可以受益于针对麦克风已经进行的工厂试验。这使得体材料微机械加工方法的使用具有竞争力。

应该理解的是，本发明并非局限于将加速计与麦克风产品相关联。

在以上示例中，将下部体材料硅的一部分附着到隔膜上，使得感应出旋转的力。然而，通过在隔膜的顶部提供层可以实现类似的效果。

如上所述，至少四个电极可以分布在多个传感器单元之间，其一起限定了本发明的“加速计”。

本领域普通技术人员在实践本发明时、根据对于附图、公开和所附权利要求的学习可以理解和实现对于所公开实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。权利要求中的任意参考符号不应该解释为限制其范围。

Claims (8)

1.一种MEMS加速计，包括：

衬底（70）；

位于所述衬底（70）上的掩埋氧化物层（72）；

位于所述掩埋氧化物层（72）上悬置于开口上的隔膜（74），所述开口延伸穿过所述衬底（70），其中所述隔膜（74）限定了第一电极层，以及

第二电极层（76），设置在所述隔膜（74）上并且与所述隔膜间隔开，其中沿所述隔膜的法向对所述隔膜施加的力引起所述隔膜（74）和所述第二电极层（76）之间间距的变化，

其特征在于：所述第二电极层（76）包括包含下部绝缘体、导体（80）和顶部绝缘体在内的叠层，并且对所述导体（80）进行构图以限定配置为两对相对电极的至少四个独立电极，其中一对相对电极与另一对相对电极正交地排列，使得能够检测所述隔膜绕一对相对电极之间的轴的倾斜以及所述隔膜（74）的法向移动，并且其特征在于所述隔膜（74）限定了单独的电极。

2.根据权利要求1所述的加速计，包括：附着到所述隔膜（74）的衬底（70）的一部分（70a），其中所述部分（70a）限定了通过穿过衬底的开口与衬底的其余部分隔离的悬置质量体。

3.根据任一前述权利要求所述的加速计，其中所述衬底（70）包括硅。

4.根据权利要求1所述的加速计，其中所述第二电极层（76）包括四个扇形体。

5.一种形成MEMS加速计的方法，包括：

制造衬底结构，所述衬底结构包括体材料半导体层（70）、所述体材料半导体层上的绝缘层（72）以及顶部掺杂半导体层（74）；

在所述衬底结构（70、72、74）上的牺牲层（78）上形成电极层（76）；

在所述电极层（76）中限定牺牲刻蚀孔；

形成穿过所述体材料半导体层（70）的开口；以及

执行牺牲刻蚀以限定所述电极层（76）和所述顶部掺杂半导体层（74）之间的间隙，

其特征在于所述电极层（76）形成为具有设置为两对相对电极的至少四个独立电极，其中一对相对电极与另一对相对电极正交地排列，

其中形成所述电极层（76）包括形成包含下部绝缘体、导体（80）和顶部绝缘体在内的叠层，以及对所述电极层（80）进行构图以限定所述至少四个独立电极。

6.根据权利要求5所述的方法，其中形成穿过所述体材料半导体层的开口包括隔离附着到顶部掺杂半导体层（74）的所述体材料半导体层（70）的一部分（70a），从而限定通过穿过所述衬底的开口与所述体材料半导体层（70）的其余部分隔离的悬置质量体。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中对所述电极层进行构图以包括四个扇形体。

8.根据权利要求5所述的方法，其中所述衬底结构包括绝缘体上硅衬底。