CN103063876A - 变面积型电容式横向加速度传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种变面积型电容式横向加速度传感器及制备方法。该加速度传感器至少包括：由相互电性隔离的第一基底、第二基底及第三基底键合成的三层层叠结构，其中，第二基底包括可动质量块、围绕可动质量块的边框、连接可动质量块及边框的弹性梁、处于可动质量块两表面的多个第二栅状电极、设于所述可动质量块的防过载结构等；第一基底的多个第一栅状电极与第二基底的多个第二栅状电极分别对应成电容结构，第三基底的多个第三栅状电极与第二基底的多个第二栅状电极分别对应成电容结构，并且此两组电容形成差分电容结构。本发明的优点包括灵敏度高、线性度好，且可基于需要来设计不同梁形状，故能制备不同灵敏度的电容式加速度传感器，灵活性大。

Description

变面积型电容式横向加速度传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及微电子机械系统（MEMS）领域，特别是涉及一种变面积型电容式横向加速度传感器及制备方法。
背景技术
微电子机械系统是集多个微机构、微传感器、微执行器、信号处理、控制电路、通信接口及电源于一体的微型电子机械系统。在MEMS领域中，加速度传感器是除了压力传感器外，研究最多、产量和销量最大的传感器。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器件。MEMS加速度传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化，适于大批量生产，它的性价比很高。
MEMS加速度传感器按照敏感信号方式可以分成电容式、压阻式、压电式、热电耦合式、电磁式等等。其中电容式加速度传感器具有灵敏度高、稳定性好、温度漂移小等优点，是最受关注的加速度传感器之一。电容式加速度传感器设有固定电极和位于质量块上的可动电极，当加速度传感器接受到加速度信号后，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。外界加速度固定时，质量块具有确定的位移。外界加速度变化时，质量块的位移也发生相应的变化。另一方面，当质量块发生位移变化时，同敏感质量块相连的可动极板和与锚区相固定的极板之间的电容就会发生相应的变化；如果测得传感器输出电压的变化，就等同于测得了质量块的位移。既然质量块的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确定的关系，即通过输出电压就能测得外界加速度。
电容式MEMS加速度传感器有很多种结构，主要的包括：三明治结构和梳状结构。三明治结构电容式加速度传感器基本都是变电容间隙类型，主要是对纵向加速度信号敏感，由于三明治结构的加速度传感器中的质量块能制作的比较大，所以其灵敏度和测试精度高；而梳状结构加速度传感器基本都是变电容面积类型，主要是对横向加速度信号敏感，由于采用变面积的方式，所以制作的梳状加速度传感器具有更好的非线性。
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。为了提高微加速度传感器的检测灵敏度，各研究单位及公司已经给出了各种方法。具体包括增加敏感质量块质量和采用全对称差分结构。
例如，W.S.Henrion等人采用双层键合硅梁方法，来形成双面平行对称梁-质量块结构（具体参见文献：Sensors structure with L-shaped spring legs, US Patent No.5,652,384），其工艺可以采用KOH腐蚀结合干法深刻蚀释放的方法。即：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；为得到双面结构，再将两个同样的梁-质量块背靠背键合起来，同样这样可以得到更大的质量块来实现高灵敏度性能。这种方法的工艺复杂，成本相对较高。
制作梳状结构电容式加速度传感器的方法主要是表面微机械加工方法。
例如，美国AD公司的ADXLXX系列微加速度传感器应用的是表面加工定齿均匀配置的电容加速度传感器。这种传感器加工工艺与集成电路加工工艺兼容性好，但是由于结构关系，其敏感质量块无法做大，所以传感器不能实现很高的性能。
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灵敏度高、且线性度好的变面积型电容式横向加速度传感器。
本发明的另一目的在于提供一种制备变面积型电容式横向加速度传感器的方法，以便灵活的制作出不同量程、不同灵敏度的电容式微加速度传感器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种制备变面积型电容式横向加速度传感器的方法，其至少包括步骤：
- 在第一基底表面的凹陷处形成多个第一栅状电极；
- 将第一基底及第二基底予以键合成第一键合结构，使所述第一基底的多个第一栅状电极与所述第二基底一表面的多个第二栅状电极分别对应成电容结构，且第一基底与第二基底电性隔离；
- 在所述键合结构的第二基底形成可动质量块结构、弹性梁结构及防过载结构，且使多个第二栅状电极分别处于所述可动质量块结构的两表面；
- 在第三基底表面的凹陷处形成多个第三栅状电极；
- 将第三基底与已形成可动质量块结构的第二基底予以键合成第二键合结构，使所述第三基底的多个第三栅状电极与所述第二基底另一表面的多个第二栅状电极分别对应成电容结构，且第三基底与第二基底电性隔离；
- 在所述第二键合结构的第一基底或第三基底形成电极引出通孔，并制备电极。
优选地，第一基底及第三基底均为经过氧化后的硅片。
 优选地，第一基底及第三基底的凹陷深度均不超过5um。
优选地，第二基底两表面的第二栅状电极一一对应，形状相同。
优选地，制作凹陷所留下的氧化层直接作为键合后的三个基底结构层的绝缘层。
优选地，在第二基底形成的弹性梁结构呈H形，或者包括H形弹性梁与支撑梁构成的组合结构等。
本发明还提供一种变面积型电容式横向加速度传感器，其至少包括：
由相互电性隔离的第一基底、第二基底及第三基底键合成的三层层叠结构，其中，
所述第二基底包括可动质量块、围绕所述可动质量块的边框、连接所述可动质量块及边框的弹性梁、处于所述可动质量块两表面的多个第二栅状电极、设于所述可动质量块的防过载结构、以及电极；
所述第一基底的多个第一栅状电极与第二基底的多个第二栅状电极分别对应成电容结构，所述第三基底的多个第三栅状电极与第二基底的多个第二栅状电极分别对应成电容结构；
所述第一基底开设有电极引出通孔，并包含有电极，所述第三基底也包含有电极。
优选地，第一栅状电极与第二栅状电极间的间距由所述第一基底的氧化层厚度来确定。
优选地，第三栅状电极与第二栅状电极间的间距由所述第三基底的氧化层厚度来确定。
优选地，第一基底的第一栅状电极与第二基底的第二栅状电极构成的电容结构与第三基底的第三栅状电极与第二基底的第二栅状电极构成的电容结构共同构成差分敏感电容结构。
优选地，所述弹性梁包括H形弹性梁，或者包括H形弹性梁与支撑梁等。
如上所述，本发明的变面积型电容式横向加速度传感器及制备方法，具有以下有益效果：同时具备三明治结构变间隙电容式加速度传感器的灵敏度高和梳齿型电容式变面积型加速度传感器的线性度好的优势，并且可基于需要来设计不同梁形状，使得本发明能制备不同灵敏度的电容式加速度传感器，灵活性大。
附图说明
图1a-1d显示为本发明的制备变面积型电容式横向加速度传感器的第一基底结构和第三基底结构的方法的流程图。
图2a-2b显示为本发明的制备变面积型电容式横向加速度传感器的第二基底结构的方法的流程图。
图3a-3e显示为本发明的制备电容式加速度传感器的整体结构的方法的流程图。
图3f显示为本发明的变面积型电容式横向加速度传感器的立体图。
图4a显示为本发明的变面积型电容式横向加速度传感器的弹性梁的一种优选俯视图。
图4b显示为本发明的变面积型电容式横向加速度传感器的弹性梁的另一种优选俯视图。
元件标号说明
Figure BDA0000270364941
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4b。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。
本发明的制备变面积型电容式横向加速度传感器的方法包括以下步骤：
1、第一基底结构和第三基底结构的制作工艺：
(1)以热氧化后的硅片为基片，进行光刻，形成初始电容间隙光刻胶掩膜图形，如图1a所示。
(2)基于湿法腐蚀对氧化后的基片一表面的氧化硅层进行刻蚀，使表面成凹陷状，并去除残余掩膜光刻胶，如图1b所示。其中，该凹陷作为后续所形成的电容结构的电容间隙，其深度不超过5μm。
(3)基于光刻及干法刻蚀在极板表面凹陷处分别形成多个第一栅状电极，如图1c所示。
(4)去除残余光刻胶掩膜，得到形成多个第一栅状电极的第一基底结构，如图1d所示；
(5)以制备第一基底结构相同的方式制备具有多个第三栅状电极的第三基底结构。
2、第二基底的栅状电极的制作工艺：
(1)以超平硅片为基片，通过光刻形成栅状电极结构光刻胶掩膜，如图2a所示。
(2)基于干法刻蚀在基片的上下表面对应于可动质量块的区域形成多个第二栅状电极，去除残余掩膜光刻胶，得到带有上下表面对称的第二栅状电极的第二基底结构，如图2b所示。
3、三明治结构变面积型电容式横向加速度传感器的制作工艺：
(1) 将第一基底结构与第二基底结构进行键合，形成键合片，如图3a所示。
（2）以键合片为基片，通过光刻制作弹性梁、可动质量块和防过载保护结构的光刻胶掩膜，如图3b所示。
（3）利用干法深刻蚀技术刻蚀释放弹性梁和可动质量块结构，同时形成防过载保护结构，去除残余掩膜光刻胶，如图3c所示。
(4) 将键合片与第三基底结构再次进行键合，得到带有横向加速度敏感功能的三明治结构，如图3d所示。
(5) 将三明治结构的键合片的第一基底结构进行光刻，形成引线通孔光刻胶掩膜，BOE腐蚀液腐蚀开出KOH腐蚀窗口，开出腐蚀窗口后，去除光刻胶掩膜，利用氧化层做掩膜层，进行硅的各向异性腐蚀，形成可动质量块的中间电极的电极引出通孔，最后移除作为掩膜层的氧化硅。
（6）进行三明治结构的键合片的引出电极制作：即在三明治结构的键合片的正反面采用溅射、蒸发等制作金属层，其中，金属层的材料包括但不限于：Al, Au, Ni等，如图3e所示。
经过上述步骤，制备形成的变面积型电容式横向加速度传感器如图3e及3f所示，该变面积型电容式加速度传感器至少包括：第一基底结构层1、第二基底结构层2及第三基底结构层3。
其中，第一基底结构层1有电极引出通孔11、多个第一栅状电极12和作为引出电极的金属层13；第三基底结构层3有作为引出电极的金属层31和多个第三栅状电极32； 第二基底结构层2包括：基于硅基片所形成的锚区边框21、可动质量块22、一边连接边框21而另一边连接可动质量块22的弹性梁23及作为引出电极的金属层24，其中，在可动质量块22两表面均有多个第二栅状电极25，且两表面的第二栅状电极25结构对称、分别与第一基底结构层1的第一栅状电极12和第三基底结构层3的第三栅状电极32形成电容结构，进而形成差分敏感电容结构；此外，在可动质量块22及锚区边框21沿敏感轴方向上都有防过载保护结构26；第一基底结构层1的第一栅状电极12与第二基底结构层2的第二栅状电极25之间的电容间隙4的间距由所述第一基底结构层1的氧化硅层14的厚度来确定，第三基底结构层3的第三栅状电极32与第二基底结构层2的第二栅状电极25之间的电容间隙5的间距由所述第三基底结构层3的氧化硅层33的厚度来确定。由图可见，第一基底结构层1与第二基底结构层2通过氧化硅层14电性隔离；第三基底结构层3与第二基底结构层2通过氧化硅层33电性隔离。
优选地，所述弹性梁23可采用H形弹性梁，例如，如图4a所示，该电容式加速度传感器的弹性梁直接采用H形弹性梁。
优选地，所述弹性梁23也可采用以H形梁结合支撑梁来优化传感器的性能，H形梁和支撑梁的数量以及梁的总长度、总宽度可以根据灵敏度等来确定。例如，如图4b所示，该电容式加速度传感器的弹性梁直接采用H形梁结合两根支撑梁作为传感器的复合弹性梁结构，降低传感器的交叉灵敏度。
需要说明的是，上述制备变面积型电容式横向加速度传感器的过程仅仅只是列示，而非对本发明的限制，事实上，任何其他能在第一基底的一表面形成多个第一栅状电极、在第二基底的两表面分别形成多个第二栅状电极、在第三基底的一表面形成多个第三栅状电极、在键合结构的第二基底形成可动质量块结构、弹性梁结构及防过载结构等的方式，均包含在本发明的范围内。
综上所述，本发明的制备变面积型电容式横向加速度传感器的方法，相较于现有的制备方法，加工工艺简单，能够同时完成梁、质量块结构、防过载保护结构的制作；而且制备的传感器同时具备三明治结构中质量块大和梳齿型传感器的变电容面积的优点，使得其同时具有灵敏度高和线性度好的高性能；并且可以根据需要，制备不同类型、不同宽度、不同长度的弹性梁，由此来改变传感器的灵敏度，故具有较大灵活性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而且具有高度产业利用价值。
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 (12)

1.一种制备变面积型电容式横向加速度传感器的方法，其特征在于，所述制备变面积型电容式横向加速度传感器的方法至少包括步骤：
 - 在第一基底表面的凹陷处形成多个第一栅状电极；
- 在第二基底的两表面分别形成多个第二栅状电极；
- 将第一基底及第二基底予以键合成第一键合结构，使所述第一基底的多个第一栅状电极与所述第二基底一表面的多个第二栅状电极分别对应成电容结构，且第一基底与第二基底电性隔离；
- 在所述键合结构的第二基底形成可动质量块结构、弹性梁结构及防过载结构，且使多个第二栅状电极分别处于所述可动质量块结构的两表面；
- 在第三基底表面的凹陷处形成多个第三栅状电极；
- 将第三基底与已形成可动质量块结构的第二基底予以键合成第二键合结构，使所述第三基底的多个第三栅状电极与所述第二基底另一表面的多个第二栅状电极分别对应成电容结构，且第三基底与第二基底电性隔离；
- 在所述第二键合结构的第一基底或第三基底形成电极引出通孔，并制备电极。
2.根据权利要求1所述的制备变面积型电容式横向加速度传感器的方法，其特征在于：第一基底及第三基底的凹陷深度均不超过5um。
3.根据权利要求1所述的制备变面积型电容式横向加速度传感器的方法，其特征在于：制作凹陷所留下的氧化层直接作为键合后的三个基底结构层的绝缘层。
4.根据权利要求1所述的制备变面积型电容式横向加速度传感器的方法，其特征在于：第二基底两表面的第二栅状电极一一对应，形状相同。
5.根据权利要求1所述的制备变面积型电容式横向加速度传感器的方法，其特征在于：在第二基底形成的弹性梁结构呈H形。
6.根据权利要求1所述的制备变面积型电容式横向加速度传感器的方法，其特征在于：在第二基底形成的弹性梁结构包括H形弹性梁与支撑梁构成的组合结构。
7.一种变面积型电容式横向加速度传感器，其特征在于，所述变面积型电容式横向加速度传感器至少包括：
由相互电性隔离的第一基底、第二基底及第三基底键合成的三层层叠结构，其中，
所述第二基底包括可动质量块、围绕所述可动质量块的边框、连接所述可动质量块及边框的弹性梁、处于所述可动质量块两表面的多个第二栅状电极、设于所述可动质量块的防过载结构、以及电极；
所述第一基底的多个第一栅状电极与第二基底的多个第二栅状电极分别对应成电容结构，所述第三基底的多个第三栅状电极与第二基底的多个第二栅状电极分别对应成电容结构；
所述第一基底开设有电极引出通孔，并包含有电极，所述第三基底也包含有电极。
8.根据权利要求7所述的变面积型电容式横向加速度传感器，其特征在于：第一栅状电极与第二栅状电极间的间距由所述第一基底的氧化层厚度来确定。
9.根据权利要求7所述的变面积型电容式横向加速度传感器，其特征在于：第三栅状电极与第二栅状电极间的间距由所述第三基底的氧化层厚度来确定。
10.根据权利要求7至9任一项所述的变面积型电容式横向加速度传感器，其特征在于：第一基底的第一栅状电极与第二基底的第二栅状电极构成的电容结构与第三基底的第三栅状电极与第二基底的第二栅状电极构成的电容结构共同构成差分敏感电容结构。
11.根据权利要求7所述的变面积型电容式横向加速度传感器，其特征在于：所述弹性梁包括H形弹性梁。
12.根据权利要求7所述的变面积型电容式横向加速度传感器，其特征在于：所述弹性梁包括H形弹性梁与支撑梁。
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