CN102928623A

CN102928623A - 一种避免寄生电容结构的微加速度传感器及其制作方法

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Publication number: CN102928623A
Application number: CN2012104183229A
Authority: CN
Inventors: 车录锋; 李伟; 苏荣涛; 王跃林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN102928623B

Abstract

本发明涉及一种避免寄生电容结构的微加速度传感器，包括上电极盖板、下电极盖板和质量块，所述上电极盖板和下电极盖板分别位于质量块的上端和下端，所述质量块的上表面具有上电容间隙，下表面具有下电容间隙；所述上电极盖板的下表面和下电极盖板的上表面均设有用于实现上电极焊盘、中间电极焊盘和下电极焊盘之间绝缘的隔离槽。本发明易于制作，工作性能稳定，用途广泛。

Description

一种避免寄生电容结构的微加速度传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及，特别是涉及一种避免寄生电容结构的微加速度传感器及其制作方法。

背景技术

微加速度传感器是非常重要的微惯性器件，发展十分迅速，已被广泛应用于不同领域。其中，电容式微加速度传感器因具有温度稳定性好、灵敏度高、动态响应好、低噪声等优点，广泛应用于各种领域，如各种制导和测控系统、机器人、医疗仪器、微重力测量及高精度勘探等。高性能微加速度传感器通常设计成带有反馈补偿的差分电容式结构，但对微小差分电容变化量的检测是一个难题，而且处理电路的设计要求能减少寄生电容的干扰。

为了满足带宽、高灵敏度、低噪声、线性度等的性能要求，高性能的差分电容式微加速度传感器多采用三层或四层硅片键合在一起的三明治结构，这一类微加速度传感器可见于美国专利公告书U.S.Pat.No.5652384、U.S.Pat.No.6805008B2、中国专利公告书CN100492016C、CN100552453C等。但是，绝大多数三明治结构微加速度传感器的上电极、中间电极以及下电极之间（即硅片与硅片的键合面上）通过二氧化硅等绝缘材料实现电绝缘，由此带来一系列问题，比如，带有绝缘材料的硅片与硅片之间的键合（尤其是三层硅片甚至四层硅片的键合）要求较高，键合强度较差，另外，更为重要的是键合区的寄生电容较大，传感器的寄生电容使其工作不稳定，影响测量精度，对接口电路的电流驱动能力要求较高，必须设法消除寄生电容对传感器性能的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种避免寄生电容结构的微加速度传感器及其制作方法，易于制作，工作性能稳定，用途广泛。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种避免寄生电容结构的微加速度传感器，包括上电极盖板、下电极盖板和质量块，所述上电极盖板和下电极盖板分别位于质量块的上端和下端，所述质量块的上表面具有上电容间隙，下表面具有下电容间隙；所述上电极盖板的下表面和下电极盖板的上表面均设有用于实现上电极焊盘、中间电极焊盘和下电极焊盘之间绝缘的隔离槽。

所述上电极盖板上表面设有上电极引线槽和中间电极引线槽，上电极焊盘以及中间电极焊盘通过上电极盖板下表面的隔离槽实现电绝缘。

所述下电极盖板下表面设有下电极引线槽，下电极焊盘和中间电极焊盘通过下电极盖板上表面的隔离槽实现电绝缘。

所述质量块的表面还设有阻尼槽。

所述质量块的上表面设有上过载保护块，下表面设有下过载保护块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种避免寄生电容结构的微加速度传感器的制作方法，包括以下步骤：

（1）取一双抛低阻硅片，在所述双抛低阻硅片的上表面和下表面分别通过氧化、光刻、湿法腐蚀工艺形成过载保护限位块；

（2）双抛低阻硅片的上表面和下表面均通过光刻、湿法腐蚀，去除氧化层工艺，形成上电容间隙和下电容间隙；

（3）双抛低阻硅片的上表面和下表面均通过光刻、深反应离子刻蚀工艺，形成未释放的质量块可动电极结构和质量块表面的阻尼槽；

（4）双抛低阻硅片的上表面和下表面均通过氧化、光刻、湿法腐蚀、去除氧化层工艺，形成质量块可动电极结构；

（5）取一上电极盖板SOI低阻硅片，通过氧化、光刻、腐蚀工艺，在上电极盖板SOI低阻硅片的一侧形成上电极盖板的隔离槽，在另一侧形成上电极引线槽窗口和中间电极引线槽窗口，形成上电极盖板；

（6）取一下电极盖板SOI低阻硅片，其经氧化、光刻、腐蚀工艺，在下电极盖板SOI低阻硅片的一侧形成下电极盖板的隔离槽，在另一侧形成下电极引线槽窗口，形成下电极盖板；

（7）所述上电极盖板的下表面与下电极盖板的上表面,分别与质量块可动电极结构的中间极板硅片支撑框架的上表面和下表面对准，直接硅硅键合，形成三层硅片键合在一起的一体式结构；

（8）在所述一体式结构腐蚀上电极引线槽窗口、中间电极引线槽窗口和下电极引线槽窗口，分别形成上电极引线槽、中间电极引线槽和下电极引线槽，并去除相应位置的氧化层；

（9）在上电极引线槽、中间电极引线槽和下电极引线槽中选定的区域溅射或者蒸镀金属层形成焊盘。

所述步骤（7）中的上电极盖板、下电极盖板与质量块可动电极结构的中间极板硅片支撑框架之间的键合方法为Si-Si直接键合方法，所述Si-Si直接键合是将所述上电极盖板和下电极盖板与中间电极硅片支撑结构键合在一起，构成一体结构的差分电容式微加速度传感器。

所述步骤（9）中上电极引线槽、中间电极引线槽和下电极引线槽中的电极焊盘通过各向同性或各向异性腐蚀硅通孔、溅射或者蒸镀金属层实现电连接的。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明的质量块利用变间隙、差动式的结构，具有结构简单、动态响应好、能实现无接触式测量、灵敏度好等优点，是目前广为关注、研究、开发度极高的一种微加速度传感器。

本发明提出将两片带有绝缘槽的SOI硅片作为上、下电极盖板，并与中间极板硅片采用成熟的Si-Si直接键合技术，使其键合在一起，构成一种避免寄生电容结构的差分电容式微加速度传感器。本发明完全消除了极板间的寄生电容，使传感器工作更加稳定，提高了测量精度，降低了接口电路的难度，有利于传感器的集成化。本发明采用微电子机械制作方法，应用该微电子机械技术，在单晶硅基片上制作质量块可动电极结构，在SOI硅基片上制作带有隔离槽及电极引线槽的上、下电极盖板，并采用Si-Si直接键合工艺制作该种结构的微加速度传感器。

附图说明

图1是差分电容式微加速度传感器剖面示意图；

图2是本发明制作工艺的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种避免寄生电容结构的微加速度传感器，如图1所示，包括上电极盖板17、下电极盖板19和质量块1，所述上电极盖板17和下电极盖板19分别位于质量块1的上端和下端，所述质量块1的上表面具有上电容间隙7，下表面具有下电容间隙8；所述上电极盖板17的下表面和下电极盖板19的上表面均设有用于实现上电极焊盘14、中间电极焊盘15和下电极焊盘16之间绝缘的隔离槽9和隔离槽10。所述上电极盖板17上表面设有上电极引线槽11和中间电极引线槽12，上电极焊盘14以及中间电极焊盘15通过上电极盖板17下表面的隔离槽9实现电绝缘。所述下电极盖板17下表面设有下电极引线槽13，下电极焊盘16和中间电极焊盘15通过下电极盖板19上表面的隔离槽10实现电绝缘。所述质量块1和支撑框架3之间还设有弹性梁2，质量块1表面设有阻尼槽4。所述质量块1的上表面设有上过载保护块5，下表面设有下过载保护块6。其中，上盖板17和下盖板19分别与中间极板硅片18的支撑框架3键合连接。

本发明的实施例涉及的一种微加速度传感器可采用MEMS常规工艺制作，能够形成一种避免寄生电容结构的微加速度传感器，进一步提高了器件的工作性能，从而满足了高性能检测的要求。在湿法制作工艺中采用的是质量浓度比为40%、温度为50℃的KOH腐蚀溶液，同时形成上下过载保护限位块、上下电容间隙，质量块可动电极结构的释放，隔离槽以及电极引线槽的形成。本发明实施例的一种微加速度传感器，中间极板硅片的支撑框架上、下表面分别与上、下盖板SOI硅片对准Si-Si直接键合构成一体结构的差分电容式微加速度传感器，制作的器件可靠性以及稳定性更好，是一种高性能的电容式微加速度传感器。具体工艺实施步骤如下：

（1）如图2a所示，提供一中间极板低阻N型（100）双抛硅片18，厚度420μm，氧化、光刻后，采用质量浓度比为40%、温度为50℃的KOH腐蚀溶液同时腐蚀硅片正反两面，形成上过载保护限位块5和下过载保护限位块，限位块高度即腐蚀深度1μm；

（2）如图2b所示，硅片18再次光刻后，采用质量浓度比为40%、温度为50℃的KOH腐蚀溶液同时腐蚀硅片正反两面，形成上电容间隙7和下电容间隙8，电容间隙即两次腐蚀深度2μm，去除氧化层；

（3）如图2c所示，硅片18第三次光刻后、采用深反应离子刻蚀（DRIE）工艺，形成未释放的质量可动电极结构和质量块上、下表面的阻尼槽4，弹性梁2厚度及阻尼槽4深度即刻蚀深度25μm；

（4）如图2d所示，硅片18再次氧化，光刻后，采用质量浓度比为40%、温度为50℃的KOH腐蚀溶液同时腐蚀硅片正反两面，释放质量块1可动电极结构，去除氧化层，同时形成支撑框架3；

（5）如图2e所示，提供一上电极盖板低阻SOI硅片17，氧化、光刻后，采用质量浓度比为40%、温度为50℃的KOH腐蚀溶液，顶层硅一侧腐蚀形成上电极盖板隔离槽9，另一侧腐蚀形成上电极引线槽窗口21和中间电极引线槽窗口22，隔离槽深度为顶层硅厚度50μm；

（6）如图2f所示，提供一下电极盖板低阻SOI硅片19，氧化、光刻后，采用质量浓度比为40%、温度为50℃的KOH腐蚀溶液，顶层硅一侧腐蚀形成下电极盖板隔离槽10，另一侧腐蚀形成下电极引线槽窗口23，隔离槽深度为顶层硅厚度50μm；

（7）如图2g所示，所述上电极盖板17下表面与下电极盖板19上表面分别与所述中间极板硅片18的支撑框架上、下表面对准直接键合，键合温度1100℃，形成三层硅片键合在一起的一体式结构；

（8）如图2h所示，所述一体式结构采用质量浓度比为40%、温度为50℃的KOH腐蚀溶液腐蚀上、中间、下电极引线槽窗口，直至腐蚀到所述上、下盖板SOI硅片埋层氧化层为止，去除氧化层包括暴露的SOI埋层氧化层，形成上电极引线槽11、中间电极引线槽12和下电极引线槽13；

（9）如图1所示，所述上电极引线槽、中间电极引线槽和下电极引线槽选定区域溅射6000埃厚度的Au薄膜，形成焊盘。

不难发现，本发明提出将两片带有绝缘槽的SOI硅片作为上、下电极盖板，并与中间极板硅片采用成熟的Si-Si直接键合技术，使其键合在一起，构成一种避免寄生电容结构的差分电容式微加速度传感器。本发明完全消除了极板间的寄生电容，使传感器工作更加稳定，提高了测量精度，降低了接口电路的难度，有利于传感器的集成化。本发明采用微电子机械制作方法，应用该微电子机械技术，在单晶硅基片上制作质量块可动电极结构，在SOI硅基片上制作带有隔离槽及电极引线槽的上、下电极盖板，并采用Si-Si直接键合工艺制作该种结构的微加速度传感器。

Claims

1.一种避免寄生电容结构的微加速度传感器，包括上电极盖板（17）、下电极盖板（19）和质量块（1），其特征在于，所述上电极盖板（17）和下电极盖板（19）分别位于质量块（1）的上端和下端，所述质量块（1）的上表面具有上电容间隙（7），下表面具有下电容间隙（8）；所述上电极盖板（17）的下表面和下电极盖板（19）的上表面均设有用于实现上电极焊盘（14）、中间电极焊盘（15）和下电极焊盘（16）之间绝缘的隔离槽（9、10）。

2.根据权利要求1所述的避免寄生电容结构的微加速度传感器，其特征在于，所述上电极盖板（17）上表面设有上电极引线槽（11）和中间电极引线槽（12），上电极焊盘（14）以及中间电极焊盘（15）通过上电极盖板（17）下表面的隔离槽（9）实现电绝缘。

3.根据权利要求2所述的避免寄生电容结构的微加速度传感器，其特征在于，所述下电极盖板（19）下表面设有下电极引线槽（13），下电极焊盘（16）和中间电极焊盘（15）通过下电极盖板（19）上表面的隔离槽（10）实现电绝缘。

4.根据权利要求1所述的避免寄生电容结构的微加速度传感器，其特征在于，所述质量块（1）的表面还设有阻尼槽（4）。

5.根据权利要求1所述的避免寄生电容结构的微加速度传感器，其特征在于，所述质量块（1）的上表面设有上过载保护块（5），下表面设有下过载保护块（6）。

6.一种避免寄生电容结构的微加速度传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的避免寄生电容结构的微加速度传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤（7）中的上电极盖板、下电极盖板与质量块可动电极结构的中间极板硅片支撑框架之间的键合方法为Si-Si直接键合方法，所述Si-Si直接键合是将所述上电极盖板和下电极盖板与中间电极硅片支撑结构键合在一起，构成一体结构的差分电容式微加速度传感器。

8.根据权利要求6所述的避免寄生电容结构的微加速度传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤（9）中上电极引线槽、中间电极引线槽和下电极引线槽中的电极焊盘通过各向同性或各向异性腐蚀硅通孔、溅射或者蒸镀金属层实现电连接的。