CN103293338B - 电容式加速度传感器的传感部件、制作方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容式加速度传感器的传感部件、制作方法及其应用，本发明采用单晶硅纳米线支撑的质量块作为传感部件核心部分，在（111）单晶硅衬底上刻蚀出微米量级的支撑梁，并利用（111）硅片内的晶向分布特点，采用单晶硅各向异性腐蚀和自限制氧化技术将支撑梁细化成具有高成品率和高质量的单晶硅纳米线，使得单晶硅纳米线在传感方向上具有比现有技术中数微米厚度的悬臂梁小得多的刚度，则本发明与传统结构相比，在同样的器件尺寸下能够达到更高的灵敏度，或者在同样的灵敏度下能够实现更小的器件尺寸，在提高该类传感器性能、集成度方面具有应用前景；同时，本发明工艺简单高效，可与体硅加工工艺相兼容，易于实现本发明的大规模制作。

Description

电容式加速度传感器的传感部件、制作方法及其应用

技术领域

本发明属于微机电系统（MEMS）技术领域，涉及一种电容式加速度传感器的传感部件、制作方法及其应用，特别是涉及一种电容式加速度传感器的传感部件及其制作方法、和电容式加速度传感器及其制作方法。

背景技术

微机电系统的发展，极大地推动了传感器技术的进步，实现了加速度传感器的微型化。利用微机械加工工艺制作的电容式加速度传感器在测量精度、温度特性、利用静电力进行闭环测量和自检及易与电子线路集成等方面具有的优点，可广泛应用于石油勘探、地震监测、医疗仪器、航空航天、武器装备等许多领域，具有广阔的市场应用前景。

常见的微机械加速度传感器按敏感原理分主要有压阻式、压电式和电容式三种。压电式加速度传感器的基本原理利用压电效应，通过测量压电效应产生的电压变化来感知加速度的。这种加速度传感器的结构比较简单，但难以测量常加速度，温度系数较大，线性度也不好。压阻式微加速度传感器利用的是压阻效应，将外界加速度的变化转化为压阻材料两端检测电压值的改变，其具有的优点是：结构简单，接口电路易于实现，缺点是温度系数比较大，对温度比较敏感。

电容式微加速度传感器的基本原理就是将外界加速度的变化转化为电容的变化。电容式微加速度传感器一般由弹性梁支撑的质量块作为可动电容极板，分别与两侧的固定电容极板构成差分检测电容。当外界加速度作用于质量块时，弹性梁变形引起质量块产生位移，导致差分检测电容的变化，用外围的接口电路检测出电容的变化量进而就可以测量加速度的大小。

电容式加速度传感器相对于压阻式或压电式而言，具有很高的灵敏度和检测精度、稳定性好、温度漂移小，而且有良好的过载保护能力，能够利用静电力实现反馈闭环控制，可显著提高传感器的性能。

由于电容式传感器的灵敏度正比于质量块的质量，反比于传感方向上支撑梁的刚度，为了实现较高的灵敏度，现有的电容式传感器通常需要集成较大体积的质量块，从而导致器件体积偏大，不利于电子器件的进一步微型化。

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加速度传感器及其制作方法，用于解决现有技术中为实现较高的灵敏度需要集成较大体积的质量块，导致器件体积偏大、不利于电子器件的进一步微型化的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，所述传感部件的制作方法至少包括以下步骤：

1）提供一（111）型硅材料衬底，在所述衬底上表面干法刻蚀多个凹槽，以在所述衬底顶部形成一质量块以及多个连接于所述质量块的支撑梁；

2）在步骤1）获得的结构上表面自下而上依次形成抗氧化掩膜和光刻胶；

3）利用掩膜版光刻各该支撑梁对应的光刻胶，通过掩膜版的掩膜窗口以使每一支撑梁对应两个预制备的腐蚀窗口，去除所述预制备的腐蚀窗口对应的光刻胶及位于其下的抗氧化掩膜直至暴露所述衬底；

4）干法刻蚀步骤3）中被暴露的所述衬底的上表面直至一预设深度以形成所述腐蚀窗口；

5）去除光刻胶，通过所述腐蚀窗口对所述衬底进行各向异性湿法腐蚀，以形成上下表面在平面内投影均为六边形的腐蚀槽，同一支撑梁对应的两相邻的腐蚀槽的侧壁间形成单晶硅薄壁；

6）采用自限制氧化工艺对步骤5）获得的结构进行热氧化，使所述单晶硅薄壁及未覆盖抗氧化掩膜的衬底逐渐氧化形成氧化层，并于所述单晶硅薄壁顶部中央区域形成沿单晶硅薄壁长度方向延伸的单晶硅纳米线；而后去除所述抗氧化掩膜；

7）对所述氧化层对应的衬底从下表面进行干法刻蚀直至暴露所述氧化层，以将连接于单晶硅纳米线两端的衬底分割为锚点和质量块，其中，步骤6）中形成的氧化层作为阻挡层，以保护所述单晶硅纳米线；

8）去除所述氧化层，使单晶硅纳米线及质量块悬空，以形成包含所述的锚点、单晶硅纳米线及质量块的电容式加速度传感器传感部件，其中，所述单晶硅纳米线的一端连接并支撑所述质量块，所述单晶硅纳米线的另一端连接于所述锚点。

可选地，步骤1）形成的各该支撑梁为微米级支撑梁，各该支撑梁的宽度大于1μm。

可选地，步骤1）中所述凹槽的深度范围为0.5～100μm。

可选地，步骤1）中各该支撑梁长度方向均沿<110>晶向族，所述支撑梁的个数大于等于3。

可选地，步骤3）中所述预制备的腐蚀窗口的外接六边形的各边均沿<110>晶向族，且各该支撑梁对应的所述预制备的腐蚀窗口的外接六边形之间的最小距离为第一距离。

可选地，所述预制备的腐蚀窗口为矩形窗口。

可选地，所述第一距离范围为1～100μm。

可选地，步骤4）中的预设深度范围为0.5～100μm。

可选地，步骤5）中各向异性湿法腐蚀方法采用KOH溶液或TMAH溶液；各向异性腐蚀的时间范围为10分钟～100小时。

可选地，所述单晶硅薄壁的厚度小于1μm。

可选地，所述单晶硅纳米线的宽度小于500nm。

可选地，所述步骤7）中，对所述质量块从其下表面进行干法刻蚀，以形成具有预设厚度的质量块。

本发明还提供一种电容式加速度传感器的传感部件，至少包括：

与电容式加速度传感器中除传感部件以外的部分相连接的锚点、具有一预设厚度的悬空的单晶硅质量块、以及连接所述质量块和锚点之间的多根悬空的单晶硅纳米线。

可选地，所述单晶硅纳米线的宽度小于500nm。

可选地，所述的单晶硅纳米线的长度方向均沿<110>晶向族，所述单晶硅纳米线的个数大于等于3。

本发明还提供一种电容式加速度传感器的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：

1）提供一（111）型硅材料衬底，在所述衬底上表面干法刻蚀多个凹槽，以在所述衬底顶部形成一质量块以及多个连接于所述质量块的支撑梁；

2）在步骤1）获得的结构上表面自下而上依次形成抗氧化掩膜和光刻胶；

3）利用掩膜版光刻各该支撑梁对应的光刻胶，通过掩膜版的掩膜窗口以使每一支撑梁对应两个预制备的腐蚀窗口，去除所述预制备的腐蚀窗口对应的光刻胶及位于其下的抗氧化掩膜直至暴露所述衬底；

4）干法刻蚀步骤3）中被暴露的所述衬底的上表面直至一预设深度以形成所述腐蚀窗口；

5）去除光刻胶，通过所述腐蚀窗口对所述衬底进行各向异性湿法腐蚀，以形成上下表面在平面内投影均为六边形的腐蚀槽，同一支撑梁对应的两相邻的腐蚀槽的侧壁间形成单晶硅薄壁；

6）采用自限制氧化工艺对步骤5）获得的结构进行热氧化，使所述单晶硅薄壁及未覆盖抗氧化掩膜的衬底逐渐氧化形成氧化层，并于所述单晶硅薄壁顶部中央区域形成沿单晶硅薄壁长度方向延伸的单晶硅纳米线；而后去除所述抗氧化掩膜氮化硅薄膜；

7）提供一形成有第一空腔及绝缘层的上基板，将所述上基板的下表面真空键合至所述锚点上表面，其中，所述第一空腔形成于所述上基板的下表面，所述第一空腔的位置与单晶硅纳米线和质量块相对应，以保证电容式加速度传感器中的单晶硅纳米线和质量块悬空，且所述上基板与所述锚点的键合面上形成有绝缘层；而后，对所述氧化层对应的衬底从下表面进行干法刻蚀直至暴露所述氧化层，以将连接于单晶硅纳米线两端的衬底分割为锚点和质量块，其中，步骤6）中形成的氧化层作为阻挡层，以保护所述单晶硅纳米线；

8）去除所述氧化层，使单晶硅纳米线及质量块悬空，以形成包含所述的锚点、单晶硅纳米线及质量块的电容式加速度传感器传感部件，其中，所述单晶硅纳米线的一端连接并支撑所述质量块，所述单晶硅纳米线的另一端连接于所述锚点；

9）制作电极，以完成电容式加速度传感器的制作。

可选地，所述步骤7）中，对所述质量块从其下表面进行干法刻蚀，以形成具有预设厚度的质量块。

可选地，所述步骤9）中，电极形成于所述上基板上表面及所述传感部件中锚点的下表面。

可选地，所述步骤9）中制作所述电极之前还包括：提供一具有第二腔体及绝缘层的下基板，将所述下基板的上表面真空键合至所述锚点下表面，其中，所述第二空腔形成于所述下基板的上表面，所述第二空腔的位置与单晶硅纳米线和质量块相对应，以保证电容式加速度传感器中的单晶硅纳米线和质量块悬空，且所述下基板与所述锚点的键合面形成有绝缘层。

可选地，所述步骤9）中，电极形成于所述上基板上表面及下基板的下表面。

可选地，当所述步骤7）中的上基板上表面也形成有绝缘层，则在步骤9）中形成位于上基板的电极之前，对预制备电极处的所述绝缘层进行刻蚀直至暴露所述上基板的上表面，而后在所述上基板的上表面形成电极。

可选地，当所述步骤9）中的下基板下表面也形成有绝缘层，则在步骤9）中形成位于下基板的电极之前，对预制备电极处的所述绝缘层进行刻蚀直至暴露所述下基板的下表面，而后在所述下基板的下表面形成电极。

本发明还提供一种电容式加速度传感器，至少包括：

电容式加速度传感器的传感部件；

连接于所述传感部件的锚点且具有第一空腔的上基板，其中，所述第一空腔的位置与所述传感部件的单晶硅纳米线和质量块相对应，以保证所述的单晶硅纳米线和质量块悬空，同时，与所述锚点相接触的上基板的表面上形成有绝缘层；

用于实现所述电容式加速度传感器电连接的电极。

可选地，所述电极包括形成于所述上基板上表面及所述传感部件中锚点的下表面的电极，其中，于所述上基板的下表面形成有所述第一空腔，所述传感部件中锚点的上表面与所述上基板的绝缘层相接触。

可选地，所述传感器还包括通过所述传感部件的锚点连接且具有第二空腔的下基板，其中，所述第二空腔的位置与所述传感部件的单晶硅纳米线和质量块相对应，以保证所述的单晶硅纳米线和质量块悬空，同时，与所述锚点相接触的下基板的表面上形成有绝缘层。

可选地，所述电极包括形成于所述上基板上表面及所述下基板下表面的电极，其中，于所述上基板的下表面形成有所述第一空腔，于所述下基板的上表面形成有所述第二空腔。

如上所述，本发明的一种电容式加速度传感器的传感部件、制作方法及其应用，具有以下有益效果：本发明采用单晶硅纳米线支撑的质量块作为传感部件核心部分，换言之，采用单晶硅纳米线代替现有技术中传感器的悬臂梁。本发明在（111）型单晶硅衬底上刻蚀出尺度在微米量级的单晶硅支撑梁结构，并利用（111）硅片内的晶向分布特点，采用单晶硅各向异性腐蚀和自限制氧化技术将支撑梁细化成具有高成品率和高质量的单晶硅纳米线，使得单晶硅纳米线在传感方向上具有比现有技术中数微米厚度的悬臂梁小得多的刚度，又由于电容式加速度传感器的灵敏度正比于质量块的质量，反比于结构在传感方向上的刚度，因此，在同样的器件尺寸下能够达到更高的灵敏度，或者在同样的灵敏度下能够实现更小的器件尺寸，在提高该类传感器性能、集成度方面具有应用前景；进一步，本发明工艺简单高效，单晶硅质量块和单晶硅纳米线采用传统的MEMS加工技术在（111）型硅片上实现一体集成，与体硅加工工艺相兼容，易于实现本发明的大规模制作。

附图说明

图1显示为本发明（111）晶面的单晶硅衬底的各向异性湿法腐蚀原理图。

图2显示为在本发明的（111）型单晶硅衬底中形成有相互靠近的多个各向异性腐蚀槽的平面示意图。

图3A和3B显示为本发明中单晶硅薄壁氧化过程的结构示意图，其中，所述单晶硅薄壁上表面形成有抗氧化掩膜。

图4A至4N显示为本发明实施例一中电容式加速度传感器的传感部件的制作方法在各步骤中的结构示意图，其中，图4M和图4N为本发明实施例二中电容式加速度传感器的传感部件的结构示意图。

图5A至5E显示为本发明实施例三中电容式加速度传感器的制作方法在相关步骤中的结构示意图，其中，图5D和图5E为本发明实施例四中电容式加速度传感器的结构示意图。

元件标号说明

101衬底

102抗氧化掩膜

103掩膜窗口

104腐蚀窗口

105腐蚀槽

106单晶硅薄壁

107单晶硅纳米线

108氧化层

109质量块

110支撑梁

111凹槽

112光刻胶

113锚点

114上基板

1141第一空腔

1142、1152绝缘层

115下基板

1151第二空腔

116电极

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1至图5E。需要说明的是，以下具体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。

本发明利用（111）硅衬底内的晶向分布特点，提供一种电容式加速度传感器的传感部件、制作方法及其应用，包括电容式加速度传感器的传感部件及其制作方法、和电容式加速度传感器及其制作方法。

其中，图1显示为（111）晶面的单晶硅衬底101的各向异性湿法腐蚀原理图，如图所示，在（111）型硅衬底101表面，当有任意形状、一定深度的槽状的腐蚀窗口104时，经过单晶硅各向异性腐蚀后将形成上下表面均为六边形的腐蚀槽105，每个六边形的所有内角均为120°。其中，AB边、BC边、CD边、DE边、EF边、FA边构成腐蚀槽105的上表面六边形，A’B’边、B’C’边、C’D’边、D’E’边、E’F’边、F’A’构成腐蚀槽105的下表面六边形，并且这十二条边均沿<110>晶向族。其中，AB边、B’C’边、CD边、D’E’边、EF边、F’A’边垂直投影围成的六边形为预设任意形状腐蚀槽105的内角均为120°的最小外接六边形。腐蚀槽105的六个侧壁均在{111}晶面族内，与上表面的夹角θ为70.5°±1°。AB边与A’B’边、BC边与B’C’边、CD边与C’D’边、DE边与D’E’边、EF边与E’F’边、FA边与F’A’边之间在上表面的投影距离d₁相同，并且如公式（1）计算为：

d₁=τ·ctgθ（1）

其中，如图3A所示，τ为预设的腐蚀窗口深度。

图2显示为在本发明的（111）型单晶硅衬底101中形成有相互靠近的多个各向异性腐蚀槽105的平面示意图。如图2所示，当预设多个槽状的腐蚀窗口104互相靠近时，经过单晶硅各向异性湿法腐蚀后，相邻的腐蚀槽105间由互相平行的侧壁形成单晶硅薄壁106，并请参考图3A，单晶硅薄壁106的宽度w如公式（2）计算为：

w=d₀-d₁（2）

其中，d₀为相邻的腐蚀窗口在平面内垂直于该薄壁长度方向上的最小距离。

图3A及图3B显示为本发明中上表面形成有抗氧化掩膜102的单晶硅薄壁106氧化过程的结构示意图。如图所示，当单晶硅薄壁106上表面有抗氧化掩膜102时，根据自限制氧化原理，经过一定程度的氧化后，单晶硅薄壁106上由于氧化过程中发生体积膨胀，导致内部产生大小不均匀的应力，其中，位于单晶硅薄壁106顶部中央靠近抗氧化掩膜102的区域107为应力最大处，又由于该应力最大处区域氧化速率最慢，则在单晶硅薄壁106其它部位完全氧化为氧化硅108时，该区域107处仍留下截面较小的单晶硅结构沿单晶硅薄壁106长度方向扩展，该留下的单晶硅结构则形成单晶硅纳米线107。

以下由具体实施例阐述本发明的电容式加速度传感器的传感部件、制作方法及其应用。

实施例一

如图4A至图4N所示，本发明提供一种电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，至少包括以下步骤：

首先执行步骤1），如图4A及4B所示，其中，图4A形成有质量块及支撑梁的衬底的俯视图，图4B为图4A的L1-L1’向剖视图，提供一（111）型硅材料衬底101，在所述衬底101上表面干法刻蚀多个凹槽111，以在所述衬底顶部形成一质量块109以及多个连接于所述质量块109且具有一定宽度的支撑梁110。其中，形成的各该支撑梁110为微米级支撑梁，各该支撑梁110的宽度大于1μm；所述凹槽111的深度范围为0.5～100μm，换言之，步骤1）中形成的各该支撑梁110的厚度范围为0.5～100μm；各该支撑梁长度方向均沿<110>晶向族，所述支撑梁的个数大于等于3，换言之，一个所述质量块109至少对应3个与其相连接的且长度方向均沿<110>晶向族的支撑梁110；所述干法刻蚀至少包括反应离子刻蚀（RIE）、感应耦合等离子体刻蚀（ICP）或高浓度等离子体刻蚀（HDP）。

在本实施例中，在所述衬底101上表面采用ICP方法刻蚀多个凹槽111，使所述衬底101顶部形成一质量块109和4个连接于该质量块109且长度方向均沿<110>晶向族的支撑梁110，其中，所述支撑梁110的宽度的范围为10～20μm，优选所述支撑梁110的宽度为15μm，所述凹槽111的深度范围为5～10μm，优选所述凹槽111的深度为8μm。接着执行步骤2）。

在步骤2）中，如图4C所示，其中，图4C为沿垂直于支撑梁110长度方向的剖视图，在步骤1）获得的结构上表面自下而上依次形成抗氧化掩膜102和光刻胶112。其中，所述抗氧化掩膜为氮化硅；形成所述抗氧化掩膜102的方法至少包括化学气相沉积或物理气相沉积，所述化学气相沉积至少包括低压化学气相沉积（LPCVD）。

在本实施例中，如图4c所示，优选采用LPCVD形成厚度约100nm的氮化硅抗氧化掩膜102，而后在所述抗氧化掩膜102上旋涂光刻胶112。接着执行步骤3）。

步骤3）请参阅图4D至图4F，其中，图4D显示为掩膜版的掩膜窗口103与支撑梁110的相对位置关系示意图（未图示光刻胶112及部分抗氧化掩膜102），图4E为图4D中K区域的局部放大示意图，图4F为去除部分光刻胶112及部分抗氧化掩膜102后的结构示意图，其中，图4F为沿垂直于支撑梁110长度方向的剖视图。

在步骤3）中，如图4D至4E所示，利用掩膜版光刻各该支撑梁110对应的光刻胶112，通过掩膜版的掩膜窗口103以使每一支撑梁110对应两个预制备的腐蚀窗口104；如图4G所示，去除所述预制备的腐蚀窗口104对应的光刻胶112及干法刻蚀去除位于其下的抗氧化掩膜102直至暴露所述衬底101。

在本实施例中，与掩膜窗口103相对应的所述预制备的腐蚀窗口104的外接六边形（图4D中虚线六边形）的各边均沿<110>晶向族，其中，所述腐蚀窗口104的外接六边形即为后续通过该腐蚀窗口104对单晶硅衬底101进行各向异性腐蚀后将形成的上下表面在平面内投影均为六边形的腐蚀槽105，每个六边形的所有内角均为120°；且各该支撑梁110对应的所述预制备的腐蚀窗口104的外接六边形之间的最小距离（亦即在对应的支撑梁长度方向相垂直的方向上的投影距离）为第一距离D1，其中，所述第一距离D1为同一支撑梁110对应的相邻的预制备的腐蚀窗口104在平面内垂直于预形成的单晶硅薄壁106长度方向上的最小距离d₀；所述第一距离D1范围为1～100μm，本实施例中，所述第一距离D1的范围为2～5μm，优选所述第一距离D1的范围为4μm；优选的，在本实施例中，与掩膜窗口103相对应的所述预制备的腐蚀窗口104为矩形窗口，但并不局限于此，所述预制备的腐蚀窗口还可为其他形状，只要保证所述预制备的腐蚀窗口的外接六边形的各边均沿<110>晶向族，且各该支撑梁对应的所述预制备的腐蚀窗口的外接六边形之间的最小距离为第一距离即可。接着执行步骤4）。

在步骤4）中，如图4G所示，其中，图4G为沿垂直于支撑梁110长度方向的剖视图，干法刻蚀步骤3）中被暴露的所述衬底101的上表面直至一预设深度以形成所述腐蚀窗口104，其中，所述预设深度范围为0.5～100μm。在本实施例中，所述预设深度范围为5～10μm，优选所述预设深度为8μm。

需要说明的是，本发明并未限制步骤4）中所述预设深度与步骤1）中凹槽111之间的深度的相对深浅关系。接着执行步骤5）。

在步骤5）中，如图4H所示，其中，图4H为沿垂直于支撑梁110长度方向的剖视图，去除光刻胶112，从所述腐蚀窗口104对所述衬底101进行各向异性湿法腐蚀，以形成上下表面在平面内投影均为六边形的腐蚀槽105，同一支撑梁对应的两相邻的腐蚀槽105的侧壁间形成单晶硅薄壁106。其中，各向异性湿法腐蚀方法采用KOH溶液或TMAH溶液；各向异性腐蚀的时间范围为10分钟～100小时；所述单晶硅薄壁106的厚度（即为图3A中的w）小于1μm。

在本实施例中，如图4H所示，采用KOH溶液进行各向异性湿法腐蚀60分钟，以形成上下表面在平面内投影均为六边形的且各侧壁均在{111}晶面族内的腐蚀槽105，并于相邻的腐蚀槽105间形成宽度范围在0.3～0.8μm的单晶硅薄壁106，优选，所述单晶硅薄壁106的宽度为0.5μm。接着执行步骤6）。

在步骤6）中，如图4I及图4J所示，其中，图4I为沿垂直于支撑梁110长度方向的剖视图，图4J为沿支撑梁110长度方向的剖视图，采用自限制氧化工艺对步骤5）获得的结构进行高温热氧化，使所述单晶硅薄壁106及未覆盖抗氧化掩膜102的衬底101逐渐氧化形成氧化层108，并于所述单晶硅薄壁106顶部中央区域形成沿单晶硅薄壁长度方向延伸的单晶硅纳米线107；而后如图4K所示，图4K为沿支撑梁110长度方向（单晶硅纳米线107长度方向）的剖视图，用RIE干法刻蚀或磷酸湿法腐蚀的方法去除氮化硅抗氧化掩膜102。其中，所述单晶硅纳米线107宽度小于500nm。

在本实施例中，如图4I及图4J所示，在950～1050℃进行热氧化，以使单晶硅薄壁106除顶部中央靠近抗氧化掩膜102（氮化硅）的区域外完全氧化为氧化层108（氧化硅），而在该区域留下截面较小的单晶硅结构沿所述单晶硅薄壁106长度方向扩展，该单晶硅结构形成宽度范围为30～60nm的单晶硅纳米线107，优选所述单晶硅纳米线107的宽度为50nm。接着执行步骤7）。

在步骤7）中，如图4L所示，图4L为沿支撑梁110长度方向（单晶硅纳米线107长度方向）的剖视图，对所述氧化层108对应的衬底101从下表面进行干法刻蚀直至暴露所述氧化层108，以将连接于单晶硅纳米线107两端的衬底101分割为锚点113和质量块109，其中，步骤6）中形成的氧化层108作为阻挡层以保护所述单晶硅纳米线107，防止在对衬底101的干法刻蚀中使所述单晶硅纳米线107受到损坏。进一步，在另一实施例中，还可以对所述质量块109从其下表面也进行干法刻蚀，以形成具有预设厚度的质量块109（未图示），此时所述质量块109的厚度小于所述锚点113的厚度。接着执行步骤8）。

在步骤8）中，如图4M和4N所示，其中，图4M为沿支撑梁110长度方向（单晶硅纳米线107长度方向）的剖视图，图4N为电容式加速度传感器传感部件的俯视图，且图4M为图4N的L2-L2’向剖视图，采用BOE湿法腐蚀或者气态HF腐蚀的方法去除所述氧化层108，使单晶硅纳米线107及质量块109悬空，以形成包含所述的锚点113、单晶硅纳米线107及质量块109的电容式加速度传感器传感部件，其中，所述单晶硅纳米线107的一端连接并支撑所述质量块109，所述单晶硅纳米线107的另一端连接于所述锚点113。

本实施例的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，采用单晶硅纳米线支撑的质量块作为传感部件核心部分，换言之，采用单晶硅纳米线代替现有技术中传感器的悬臂梁。本发明在（111）型单晶硅衬底上刻蚀出尺度在微米量级的单晶硅支撑梁结构，并利用（111）硅片内的晶向分布特点，采用单晶硅各向异性腐蚀和自限制氧化技术将支撑梁细化成具有高成品率和高质量的单晶硅纳米线，使得单晶硅纳米线在传感方向上具有比现有技术中数微米厚度的悬臂梁小得多的刚度，又由于电容式加速度传感器的灵敏度正比于质量块的质量，反比于结构在传感方向上的刚度，因此，在同样的器件尺寸下能够达到更高的灵敏度，或者在同样的灵敏度下能够实现更小的器件尺寸，在提高该类传感器性能、集成度方面具有应用前景；进一步，本发明工艺简单高效，单晶硅质量块和单晶硅纳米线采用传统的MEMS加工技术在（111）型硅片上实现一体集成，与体硅加工工艺相兼容，易于实现本发明的大规模制作。

实施例二

如图4M及图4N所示，所述图4M为沿单晶硅纳米线107长度方向的剖视图，图4N为电容式加速度传感器传感部件的俯视图，且图4M为图4N的L2-L2’向剖视图。

本发明提供一种电容式加速度传感器的传感部件，所述传感部件至少包括：与电容式加速度传感器中除传感部件以外的部分相连接的锚点113、具有一预设厚度的悬空的单晶硅质量块109、以及连接所述质量块109和锚点113之间的多根悬空的单晶硅纳米线107。

进一步，所述质量块109的厚度小于等于所述锚点113的厚度；所述单晶硅纳米线107的宽度小于500nm；所述的单晶硅纳米线107的长度方向均沿<110>晶向族，所述单晶硅纳米线107的个数大于等于3，换言之，至少存在3个与所述质量块109连接的单晶硅纳米线107用于支撑所述质量块109。

在本实施例中，如图4M及图4N所示，连接并支撑所述质量块109的所述单晶硅纳米线107为四个，且各该单晶硅纳米线107的宽度范围为30～60nm的单晶硅纳米线107，优选所述单晶硅纳米线107的宽度为50nm；所述质量块109的厚度等于所述锚点113的厚度。

本实施例的电容式加速度传感器的传感部件的核心部分采用单晶硅纳米线支撑的质量块，换言之，采用单晶硅纳米线代替现有技术中传感器的悬臂梁。本发明形成的具有高成品率和高质量的单晶硅纳米线，使得单晶硅纳米线在传感方向上具有比现有技术中数微米厚度的悬臂梁小得多的刚度，又由于电容式加速度传感器的灵敏度正比于质量块的质量，反比于结构在传感方向上的刚度，因此，在同样的器件尺寸下能够达到更高的灵敏度，或者在同样的灵敏度下能够实现更小的器件尺寸，具体地，在同样的灵敏度下，所需的质量块的质量大大减小，从而使得质量块的体积以及整个加速度传感器的体积获得相应程度的减小，大大有利于电容式加速度传感器的进一步微型化，在提高该类传感器性能、集成度方面具有应用前景。

实施例三

本实施例三为实施例一中电容式加速度传感器的传感部件的制作方法的应用，因此本实施例三中涉及相关传感部件的制作工艺的步骤1）至步骤6）请参阅实施例一中的具体描述，在此不再一一赘述。

如图5A至图5E所示，其中，所述图5A至图5E为沿单晶硅纳米线107长度方向的剖视图，本发明还提供一种电容式加速度传感器的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：

步骤1）至步骤6）的相关内容请参阅实施例一中的相关描述，接着执行步骤7）。

在步骤7）中，如图5A所示，提供一形成有第一空腔1141及绝缘层1142的上基板114，将所述上基板114的下表面真空键合至所述锚点113上表面，其中，所述第一空腔1141形成于所述上基板114的下表面，所述第一空腔1141的位置与单晶硅纳米线107和质量块109相对应，以保证电容式加速度传感器中的单晶硅纳米线107和质量块109悬空，且所述上基板114与所述锚点113的键合面上形成有绝缘层1143；而后，如图5B所示，对所述氧化层108对应的衬底101从下表面进行干法刻蚀直至暴露所述氧化层108，以将连接于单晶硅纳米线107两端的衬底分割为锚点113和质量块109，其中，步骤6）中形成的氧化层108作为阻挡层以保护所述单晶硅纳米线107，防止在对衬底101的干法刻蚀中使所述单晶硅纳米线107受到损坏。

进一步，在本实施例中，如图5B所示，对所述质量块109从其下表面也进行干法刻蚀，以形成具有预设厚度的质量块109，此时所述质量块109的厚度小于所述锚点113的厚度。

需要说明的是，在本实施例中，所述上基板的下表面绝缘层1142为氧化硅，是所述上基板114通过热生长形成氧化硅绝缘层1142，此时，所述上基板114的上表面也形成有氧化硅绝缘层1142。接着执行步骤8）。

在步骤8）中，如图5C所示，采用BOE湿法腐蚀或者气态HF腐蚀的方法去除所述氧化层108，使单晶硅纳米线107及质量块109悬空，以形成包含所述的锚点113、单晶硅纳米线107及质量块109的电容式加速度传感器传感部件，其中，所述单晶硅纳米线107的一端连接并支撑所述质量块109，所述单晶硅纳米线107的另一端连接于所述锚点113。接着执行步骤9）。

在步骤9）中，制作电极116，以完成电容式加速度传感器的制作。在本实施例中，如图5D所示，所述电极116形成于所述上基板114上表面及所述传感部件中锚点113的下表面。

需要说明的是，由于本实施例步骤7）中所述上基板114的上表面也形成有氧化硅绝缘层1142，因此，本实施例在步骤9）中形成位于上基板114的电极116之前，对预制备电极116处的所述绝缘层1142进行刻蚀直至暴露所述上基板114的上表面，而后在所述上基板114的上表面形成电极116。

但并不局限于此，在另一实施例中，如图5E所示，所述步骤9）中制作所述电极116之前还包括：提供一具有第二腔体1151及绝缘层1152的下基板115，将所述下基板115的上表面真空键合至所述锚点113的下表面，其中，所述第二空腔1151形成于所述下基板115的上表面，所述第二空腔1151的位置与单晶硅纳米线107和质量块109相对应，以保证电容式加速度传感器中的单晶硅纳米线107和质量块109悬空，且所述下基板115与所述锚点113的键合面形成有绝缘层1152。在图5E中，并未在步骤7）中对所述质量块109从其下表面也进行干法刻蚀，因此图5E中的所述质量块109的厚度等于所述锚点113的厚度，但并未限制在其他实施例的步骤7）中不能对所述质量块109从其下表面也进行干法刻蚀。而后，所述电极116形成于所述上基板114上表面及下基板115的下表面。

需要进一步说明的是，所述下基板的上表面绝缘层1152为氧化硅，是所述下基板115通过热生长形成氧化硅绝缘层1152，此时，所述下基板115的下表面也形成有氧化硅绝缘层1152，因此，在形成位于所述下基板115的电极116之前，对预制备电极116处的所述绝缘层1152进行刻蚀直至暴露所述下基板115的下表面，而后在所述下基板115的下表面形成电极116。

需要指出的是，所述上基板114或/及下基板115的材料形成有绝缘层的硅、锗或锗硅，其中，所述上基板114或/及下基板115的绝缘层只与所述锚点113相接触，以使所述上基板114或/及下基板115与所述锚点113之间相互绝缘。

本实施例的电容式加速度传感器的制备方法，采用单晶硅纳米线支撑的质量块作为传感部件核心部分，换言之，采用单晶硅纳米线代替现有技术中传感器的悬臂梁。本发明在（111）型单晶硅衬底上刻蚀出尺度在微米量级的单晶硅支撑梁结构，并利用（111）硅片内的晶向分布特点，采用单晶硅各向异性腐蚀和自限制氧化技术将支撑梁细化成具有高成品率和高质量的单晶硅纳米线，使得单晶硅纳米线在传感方向上具有比现有技术中数微米厚度的悬臂梁小得多的刚度，又由于电容式加速度传感器的灵敏度正比于质量块的质量，反比于结构在传感方向上的刚度，因此，在同样的器件尺寸下能够达到更高的灵敏度，或者在同样的灵敏度下能够实现更小的器件尺寸，在提高该类传感器性能、集成度方面具有应用前景；进一步，本发明工艺简单高效，单晶硅质量块和单晶硅纳米线采用传统的MEMS加工技术在（111）型硅片上实现一体集成，与体硅加工工艺相兼容，易于实现本发明的大规模制作。

实施例四

如图5D所示，本发明提供一种电容式加速度传感器，所述传感器至少包括：传感部件、上基板114及电极116。

所述传感部件的具体描述请参阅实施例二中的相关内容，在此不再一一赘述。

所述上基板114连接于所述传感部件的锚点113且具有第一空腔1141，其中，所述第一空腔1141的位置与所述传感部件的单晶硅纳米线107和质量块109相对应，以保证所述的单晶硅纳米线107和质量块109悬空，同时，与所述锚点113相接触的上基板114的表面上形成有绝缘层1142。

需要说明的是，在另一实施例中，如图5E所示，所述传感器还包括通过所述传感部件的锚点113连接的且具有第二空腔1151的下基板115，其中，所述第二空腔1151的位置与所述传感部件的单晶硅纳米线107和质量块109相对应，以保证所述的单晶硅纳米线107和质量块109悬空，同时，与所述锚点113相接触的下基板115的表面上形成有绝缘层1152。

需要指出的是，所述上基板114或/及下基板115的材料形成有绝缘层的硅、锗或锗硅，其中，所述上基板114或/及下基板115的绝缘层只与所述锚点113相接触，以使所述上基板114或/及下基板115与所述锚点113之间相互绝缘。

如图5D所示，在本实施例中，所述电极116包括形成于所述上基板114上表面及所述传感部件中锚点113的下表面的电极116，其中，于所述上基板114的下表面形成有所述第一空腔1141，所述传感部件中锚点113的上表面与所述上基板的绝缘层1142相接触。

在另一实施例中，如图5E所述，所述电极116包括形成于所述上基板114上表面及所述下基板115下表面的电极116，其中，于所述上基板114的下表面形成有所述第一空腔1141，于所述下基板115的上表面形成有所述第二空腔1151。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明，以下阐述本发明电容式加速度传感器的工作原理：当电容式加速度上加载一个垂直于传感器所在平面方向（Y方向）上的加速度时，则在此垂直方向上，由单晶硅纳米线107支撑的质量块109发生的位移，从而质量块109与上基板和/或下基板的腔体（第一空腔和/或第二空腔）的空间发生变化，引发本发明传感器的电容发生变化，通过电极116测量该电容，则可以标定此时垂直方向上加速度的大小。

综上所述，本发明电容式加速度传感器的传感部件、制作方法及其应用，采用单晶硅纳米线支撑的质量块传感部件的核心部分，换言之，采用单晶硅纳米线代替现有技术中传感器的悬臂梁。本发明形成的具有高成品率和高质量的单晶硅纳米线，使得单晶硅纳米线在传感方向上具有比现有技术中数微米厚度的悬臂梁小得多的刚度，又由于电容式加速度传感器的灵敏度正比于质量块的质量，反比于结构在传感方向上的刚度，因此，在同样的器件尺寸下能够达到更高的灵敏度，或者在同样的灵敏度下能够实现更小的器件尺寸，具体地，在同样的灵敏度下，所需的质量块的质量大大减小，从而使得质量块的体积以及整个加速度传感器的体积获得相应程度的减小，大大有利于电容式加速度传感器的进一步微型化，在提高该类传感器性能、集成度方面具有应用前景。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 (23)

1.一种电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于，所述传感部件的制作方法至少包括以下步骤：

1)提供一<111>型硅材料衬底，在所述衬底上表面干法刻蚀多个凹槽，以在所述衬底顶部形成一质量块以及多个连接于所述质量块的支撑梁；

2)在步骤1)获得的结构上表面自下而上依次形成抗氧化掩膜和光刻胶；

3)利用掩膜版光刻各该支撑梁对应的光刻胶，通过掩膜版的掩膜窗口以使每一支撑梁对应两个预制备的腐蚀窗口，去除所述预制备的腐蚀窗口对应的光刻胶及位于其下的抗氧化掩膜直至暴露所述衬底；

4)干法刻蚀步骤3)中被暴露的所述衬底的上表面直至一预设深度以形成所述腐蚀窗口；

5)去除光刻胶，通过所述腐蚀窗口对所述衬底进行各向异性湿法腐蚀，以形成上下表面在平面内投影均为六边形的腐蚀槽，同一支撑梁对应的两相邻的腐蚀槽的侧壁间形成单晶硅薄壁；

6)采用自限制氧化工艺对步骤5)获得的结构进行热氧化，使所述单晶硅薄壁及未覆盖抗氧化掩膜的衬底逐渐氧化形成氧化层，并于所述单晶硅薄壁顶部中央区域形成沿单晶硅薄壁长度方向延伸的单晶硅纳米线；而后去除所述抗氧化掩膜；

7)对所述氧化层对应的衬底从下表面进行干法刻蚀直至暴露所述氧化层，以将连接于单晶硅纳米线两端的衬底分割为锚点和质量块，其中，步骤6)中形成的氧化层作为阻挡层，以保护所述单晶硅纳米线；

8)去除所述氧化层，使单晶硅纳米线及质量块悬空，以形成包含所述的锚点、单晶硅纳米线及质量块的电容式加速度传感器传感部件，其中，所述单晶硅纳米线的一端连接并支撑所述质量块，所述单晶硅纳米线的另一端连接于所述锚点。

2.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于：步骤1)形成的各该支撑梁为微米级支撑梁，各该支撑梁的宽度大于1μm。

3.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于：步骤1)中所述凹槽的深度范围为0.5～100μm。

4.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于：步骤1)中各该支撑梁长度方向均沿<110>晶向族，所述支撑梁的个数大于等于3。

5.根据权利要求4所述的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于：步骤3)中所述预制备的腐蚀窗口的外接六边形的各边均沿<110>晶向族，且各该支撑梁对应的所述预制备的腐蚀窗口的外接六边形之间的最小距离为第一距离。

6.根据权利要求5所述的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于：所述预制备的腐蚀窗口为矩形窗口。

7.根据权利要求5所述的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于：所述第一距离范围为1～100μm。

8.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于：步骤4)中的预设深度范围为0.5～100μm。

9.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于：步骤5)中各向异性湿法腐蚀方法采用KOH溶液或TMAH溶液；各向异性腐蚀的时间范围为10分钟～100小时。

10.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于：所述单晶硅薄壁的厚度小于1μm。

11.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于：所述单晶硅纳米线的宽度小于500nm。

12.根据权利要求1所述的电容式加速度传感器的传感部件的制作方法，其特征在于：所述步骤7)中，对所述质量块从其下表面进行干法刻蚀，以形成具有预设厚度的质量块。

13.一种电容式加速度传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括以下步骤：

1)提供一<111>型硅材料衬底，在所述衬底上表面干法刻蚀多个凹槽，以在所述衬底顶部形成一质量块以及多个连接于所述质量块的支撑梁；

2)在步骤1)获得的结构上表面自下而上依次形成抗氧化掩膜和光刻胶；

3)利用掩膜版光刻各该支撑梁对应的光刻胶，通过掩膜版的掩膜窗口以使每一支撑梁对应两个预制备的腐蚀窗口，去除所述预制备的腐蚀窗口对应的光刻胶及位于其下的抗氧化掩膜直至暴露所述衬底；

4)干法刻蚀步骤3)中被暴露的所述衬底的上表面直至一预设深度以形成所述腐蚀窗口；

5)去除光刻胶，通过所述腐蚀窗口对所述衬底进行各向异性湿法腐蚀，以形成上下表面在平面内投影均为六边形的腐蚀槽，同一支撑梁对应的两相邻的腐蚀槽的侧壁间形成单晶硅薄壁；

6)采用自限制氧化工艺对步骤5)获得的结构进行热氧化，使所述单晶硅薄壁及未覆盖抗氧化掩膜的衬底逐渐氧化形成氧化层，并于所述单晶硅薄壁顶部中央区域形成沿单晶硅薄壁长度方向延伸的单晶硅纳米线；而后去除所述抗氧化掩膜；

7)提供一形成有第一空腔及绝缘层的上基板，将所述上基板的下表面真空键合至锚点区域上表面，其中，所述第一空腔形成于所述上基板的下表面，所述第一空腔的位置与单晶硅纳米线和质量块相对应，以保证电容式加速度传感器中的单晶硅纳米线和质量块悬空，且所述上基板与所述锚点区域的键合面上形成有绝缘层；而后，对所述氧化层对应的衬底从下表面进行干法刻蚀直至暴露所述氧化层，以将连接于单晶硅纳米线两端的衬底分割为锚点和质量块，其中，步骤6)中形成的氧化层作为阻挡层，以保护所述单晶硅纳米线；

8)去除所述氧化层，使单晶硅纳米线及质量块悬空，以形成包含所述的锚点、单晶硅纳米线及质量块的电容式加速度传感器传感部件，其中，所述单晶硅纳米线的一端连接并支撑所述质量块，所述单晶硅纳米线的另一端连接于所述锚点；

9)制作电极，以完成电容式加速度传感器的制作。

14.根据权利要求13所述的电容式加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤7)中，对所述质量块从其下表面进行干法刻蚀，以形成具有预设厚度的质量块。

15.根据权利要求13所述的电容式加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤9)中，电极形成于所述上基板上表面及所述传感部件中锚点的下表面。

16.根据权利要求13所述的电容式加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤9)中制作所述电极之前还包括：提供一具有第二空腔及绝缘层的下基板，将所述下基板的上表面真空键合至所述锚点下表面，其中，所述第二空腔形成于所述下基板的上表面，所述第二空腔的位置与单晶硅纳米线和质量块相对应，以保证电容式加速度传感器中的单晶硅纳米线和质量块悬空，且所述下基板与所述锚点的键合面形成有绝缘层。

17.根据权利要求16所述的电容式加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤9)中，电极形成于所述上基板上表面及下基板的下表面。

18.根据权利要求15或17所述的电容式加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤7)中的上基板上表面也形成有绝缘层，在步骤9)中形成位于上基板的电极之前，对预制备电极处的所述绝缘层进行刻蚀直至暴露所述上基板的上表面，而后在所述上基板的上表面形成电极。

19.根据权利要求17所述的电容式加速度传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤9)中的下基板下表面也形成有绝缘层，在步骤9)中形成位于下基板的电极之前，对预制备电极处的所述绝缘层进行刻蚀直至暴露所述下基板的下表面，而后在所述下基板的下表面形成电极。

20.一种依据权利要求13～19任意一项所述的电容式加速度传感器的制作方法所制作的电容式加速度传感器，其特征在于，所述传感器至少包括：

一种电容式加速度传感器的传感部件，其至少包括：

与电容式加速度传感器中除传感部件以外的部分相连接的锚点、具有一预设厚度的悬空的单晶硅质量块、以及连接所述质量块和锚点之间的多根悬空的单晶硅纳米线；

连接于所述传感部件的锚点且具有第一空腔的上基板，其中，所述第一空腔的位置与所述传感部件的单晶硅纳米线和质量块相对应，以保证所述的单晶硅纳米线和质量块悬空，同时，与所述锚点相接触的上基板的表面上形成有绝缘层；

用于实现所述电容式加速度传感器电连接的电极。

21.根据权利要求20所述的电容式加速度传感器，其特征在于：所述电极包括形成于所述上基板上表面及所述传感部件中锚点的下表面的电极，其中，于所述上基板的下表面形成有所述第一空腔，所述传感部件中锚点的上表面与所述上基板的绝缘层相接触。

22.根据权利要求20所述的电容式加速度传感器，其特征在于：所述传感器还包括通过所述传感部件的锚点连接的第二空腔的下基板，其中，所述第二空腔的位置与所述传感部件的单晶硅纳米线和质量块相对应，以保证所述的单晶硅纳米线和质量块悬空，同时，与所述锚点相接触的下基板的表面上形成有绝缘层。

23.根据权利要求22所述的电容式加速度传感器，其特征在于：所述电极包括形成于所述上基板上表面及所述下基板下表面的电极，其中，于所述上基板的下表面形成有所述第一空腔，于所述下基板的上表面形成有所述第二空腔。