CN103675345A

CN103675345A - 一种加速度计及其制造工艺

Info

Publication number: CN103675345A
Application number: CN201210356542.3A
Authority: CN
Inventors: 俞度立; 于连忠; 杨长春
Original assignee: Institute of Geology and Geophysics of CAS
Current assignee: Institute of Geology and Geophysics of CAS
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: US20140069191A1; US20170008761A1; US9476903B2; CN103675345B; US9828242B2; WO2014044016A1

Abstract

一种加速度计，包括：测量体、与所述测量体相连接的上盖板硅片以及下盖板硅片；所述测量体包括框架、位于所述框架内的弹性梁和质量块；所述质量块与所述框架通过多组所述弹性梁相连接，每组所述弹性梁包括两根弹性折叠梁,所述弹性折叠梁以所述质量块的中线为轴对称设置；每组所述弹性折叠梁之间通过一连接臂相互连接。所述测量体的上下表面上均键合有带电极的盖板硅片。并与测量体之间形成一电容。本发明的加速度计结构具有极大的模态隔离比值，进一步降低了MEMS芯片的噪声。为此，本加速度计具有检测精确度高、稳定性强、噪声低等优点。

Description

一种加速度计及其制造工艺

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种加速度计

背景技术

现今，加速度计可适用于诸多应用，例如在测量地震的强度并收集数据、检测汽车碰撞时的撞击强度、以及在手机及游戏机中检测出倾斜的角度和方向。而在微电子机械系统（MEMS）技术不断进步的情况下，许多纳米级的小型加速度计已经被商业化广泛采用。

常用的MEMS的加速度计分压阻式和电容式两种，压阻式加速度计例如申请号为200480003916.7、公开日为2006年3月15日的中国发明专利申请。压阻式加速度计一般有悬臂梁及质量块构成，并将力敏电阻设置在悬臂梁上。质量块会因加速度而运动，使得悬臂梁变形，从而引起电阻值的变化。但在没有加速度或者加速度幅度比较微小的情况下，悬臂梁不会产生巨大变形。使得电阻值没有显著变化。只有当加速度的幅度大至悬臂梁产生变形时，该加速度计才能检测到加速度。为此，该加速度计有测量不准、精确度不高等缺点。

电容式加速度计例如美国专利号US6805008公开日为2004年10月19日的美国专利，电容式加速度计也包括悬臂梁及质量块。当有加速度时，加速度计的外框架会向加速度方向运动，而由于惯性的作用，质量块的位移会很小，使得质量块与另一电极间的间隙距离发生变化并导致电容的变化。这两种加速度计都通过微加工工艺制成，具有体积小、造价低等特点。然而，悬臂梁为弹性梁，而且只有四根悬臂梁将质量块的四边与框架相连接。为此，在外框架移动的时候，各个悬臂梁的位移幅度很大。而且各个悬臂梁也不会产生相同的变形及位移。使得这种加速度计的摆动模态振型不太对称。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种具有较高的稳定性和可靠性的加速度计。

按照本发明所提供的一种加速度计，包括：测量体、与所述测量体相连接的上盖板硅片以及下盖板硅片；所述测量体包括框架、位于所述框架内的弹性梁和质量块；所述质量块与所述框架通过多组所述弹性梁相连接，每组所述弹性梁包括两根弹性折叠梁,所述弹性折叠梁以所述质量块的中线为轴对称设置；每组所述弹性折叠梁之间通过一连接臂相互连接。

本发明所采用的技术方案还具有以下附属特征：

所述连接臂为弹性连接臂。

所述弹性折叠梁的两末端位于同一直线上。

所述弹性折叠梁的一端分别与所述质量块的转角处相连接。

所述测量体为双面绝缘体上外延硅（SOI）结构，包括上硅层、中间硅层及下硅层；每两层硅层之间分别设置有二氧化硅层。所述双面绝缘体上外延硅结构也简称为双面SOI结构。

多个所述弹性梁分别成对称地形于所述上硅层和所述下硅层，构成双层结构。

所述测量体、所述上盖板硅片及所述下盖板硅片上分别设置有电极。

按照本发明所提供的加速度计的制造工艺，包括以下步骤：

第一步，在双面SOI硅片的上下硅层上分别通过光刻、深度刻蚀及刻蚀形成多个深至中间硅层的孔；

第二步，在所述孔内沉积多晶硅至中间硅层并填满所述孔，形成电通路；然后在所述双面SOI硅片的上下硅层的表面生长出二氧化硅层；并进行抛光打磨；

第三步，在所述双面SOI硅片的上下硅层上通过光刻、深度刻蚀及刻蚀形成多组相互对称的弹性折叠梁；并通过高温氧化在所述弹性折叠梁的露置在外的表面上生长出二氧化硅，或者用化学沉积（CVD）方法在所述弹性梁的露置在外的表面上淀积一层二氧化硅层；

第四步，通过光刻及刻蚀将露置在外的所述中间硅层上的二氧化硅去除，并深度刻蚀所述中间硅层至一定深度；

第五步，将框架与质量块之间的中间硅层同时在垂直方向以及水平方向进行腐蚀，从而形成自由运动的弹性梁及连接臂；

第六步，将露置在外的所述二氧化硅腐蚀；

第七步，将上盖板硅片、处理后的所述双面SOI硅片、以及下盖板硅片进行一次性键合。

按照本发明提供的加速度计的制造工艺中，还进一步包括以下步骤：

对所述上盖板硅片及下盖板硅片的加工工艺还包括：

A、在所述上盖板硅片或下盖板硅片上通过光刻、深度刻蚀及刻蚀形成一个通孔；

B、在所述上盖板硅片和所述下盖板硅片的键合面上分别通过光刻、深度刻蚀及刻蚀在所述上盖板硅片和所述下盖板硅片的键合面上各自形成一个凹陷区；

C、与所述双面SOI硅片键合之前，对所述上盖板硅片及所述下盖板硅片进行清洗；

D、与所述双面SOI硅片键合之后，在所述上盖板硅片、所述下盖板硅片的表面上淀积金属并引出电极，通过所述上盖板硅片或下盖板硅片上的所述通孔在所述双面SOI硅片的表面上淀积金属，并通过所述通孔引出电极。

本发明中的上述加工工艺中的二氧化硅层起到保护其所覆盖的硅层，使其不被刻蚀或腐蚀。

所述深度刻蚀及所述刻蚀的方法为以下方法中的一种或多种方法：干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀包括：硅的深度反应离子刻蚀及反应离子刻蚀。所述用于腐蚀硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合：氢氧化钾、四甲基氢氧化氨、乙二胺磷苯二酚或气态的二氟化氙。

所述用于腐蚀二氧化硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合：缓冲氢氟酸、49%氢氟酸或气态的氟化氢。二氧化硅层也可以用反应离子刻蚀进行干法去除。

按照本发明所提供的一种加速度计及其制造工艺具有如下优点：首先，通过在质量块与框架之间分别设置上下两层相互对称的弹性折叠梁使得整体结构更加对称、稳定。在有加速度的情况下，每根弹性梁的位移幅度也相对较小。此外，通过在两根弹性折叠梁之间设置一根连接臂进一步的限制了每根弹性梁的位移幅度。使得摆动模态振型完全以质量块的中心对称，从而可以检测出最细微的加速度。再次，本发明的设计具有很大的模态隔离比值，而且质量块的高阶模态振型对称，弹性梁的共振频率与基频相比非常高，可以进一步降低MEMS芯片的噪声。为此，本加速度计具有检测精确度高、稳定性强、噪声低等优点。

而本发明中所提及的制造工艺使用了双面SOI硅片和一次性的三片硅片键合技术，通过在双面SOI硅片上腐蚀而成的弹性梁和质量块能非常精准的对准以及形成高度对称的结构。相比起现有技术所使用的键合工艺所制造的双层梁，本工艺所制造的加速度计精度高、误差小等特点，成品率也得到了较大的提升。而且由于腐蚀工艺较为简单，本产品生产工艺的生产效率极高、成本也较低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中的测量体的立体图。

图3为本发明中的测量体的俯视图。

图4为本发明中的制造方法的第一步至第三步示意图。

图5为本发明中的制造方法的第四步至第六步示意图。

图6为本发明中的制造方法的第七步示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详述：

参照图1，一种加速度计，包括：测量体1、与所述测量体1相连接的上盖板硅片2以及下盖板硅片3；所述测量体1、所述上盖板硅片2及所述下盖板硅片3上分别设置有电极4；所述测量体1为双面SOI结构，包括上硅层5、中间硅层6及下硅层7；每两层硅层之间分别设置有二氧化硅层8。多个所述弹性梁12分别成形于所述上硅层5和所述下硅层7。

参照图2及图3，所述测量体1包括：框架11、位于所述框架11内的弹性梁12和质量块13；所述质量块13与所述框架11通过多组所述弹性梁12相连接，每组所述弹性梁12包括两根弹性折叠梁121,所述弹性折叠梁121以所述质量块13的中线为轴对称设置；每组所述弹性折叠梁121之间通过一连接臂122相互连接。其中，所述连接臂122为弹性连接臂122。所述弹性折叠梁121的两个末端位于同一直线上。

参照图2及图3，优选地，所述质量块13为矩形体，所述质量块13的横截面为正方形。多组所述弹性梁12分别在上硅层5和下硅层7中。优选地，每层硅层中对称地设有四组弹性梁12。每组所述弹性梁12包括两根弹性折叠梁121。而每根所述弹性折叠梁121的一端分别与所述质量块13的转角处131相连接。使得质量块13在没有加速度的情况下保持在水平状态。当检测到加速度时，设置在转角处131的弹性折叠梁121也会限制质量块13的活动区域，防止测量出高于最大限额或者错误的数据。本发明中质量块13也可为其他形状，例如六边形、八边形或圆形等。而且本发明中的弹性梁12、也可以为多层、多组结构，并不限制于两层，每层四组的结构。

参见图1及图3，所述测量体1为双面SOI结构，包括上硅层5、中间硅层6及下硅层7；每两层硅层之间分别设置有二氧化硅层8。多个所述弹性梁12分别成形于所述上硅层5和所述下硅层7。并在所述测量体1、所述上盖板硅片2及所述下盖板硅片3上分别设置有电极4。在通电之后，测量体1与上盖板硅片2及下盖板硅片3之间均会产生一个电容值。在没有加速度的情况下，测量体1与上盖板硅片2及下盖板硅片3彼此之间的电容值恒定。而当检测到加速度时，所述测量体1中的框架11会因受加速度影响，向加速度方向移动。同时，所述弹性梁12也会产生一定的位移。但因惯性作用，质量块13的位移幅度会相对较小。根据公式C=εA/d，即两片平行的导电片之间的电容量等于介电系数乘以正对面积除以垂直间距。当因加速度产生位移时，质量块13与上盖板硅片2及下盖板硅片3之间的间距会产生变化。为此，测量体1与上盖板硅片2及下盖板硅片3之间的电容量也会产生变化。集成芯片可以通过电容量的变化计算出检测到的加速度。当加速度消失后，弹性梁12会回到原有状态，使质量块13与上盖板硅片2及下盖板硅片3彼此之间的电容值归于恒定值。

在质量块13和框架11之间设置两层、并且多个沿质量块13的中轴对称的弹性梁12有效的减少了每个弹性折叠梁121因加速度而产生位移时的位移幅度。并使得每根弹性折叠梁121的位移幅度基本相同。而在每根弹性折叠梁121之间通过连接臂122连接更进一步使得每根弹性折叠梁121的位移幅度相同。从而防止了因弹性梁12位移过度而检测到错误数据的几率。此外，由于每根弹性折叠梁121的位移幅度均比较小，每根弹性折叠梁121回到原有状态所需的时间也会大大缩短。设置多根弹性梁12也使得本加速度计可以检测到较为微小的加速度，增加了本加速度计的检测精确度。

接着，根据图4、5、6详细说明用于制造本发明中的加速度计的制造工艺，包括以下步骤：

第一步，在双面SOI硅片的上硅层5和下硅层7上分别涂覆光阻剂。之后按照特定图案对上硅层5和下硅层7进行曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再用硅的深度反应离子刻蚀将上硅层5和下硅层7被曝光的部分深度刻蚀至二氧化硅层8。然后用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸对被露置在外的二氧化硅层8进行蚀刻。从而形成多个深至中间硅层6的孔。之后将光阻剂层去除。

第二步，在所述孔内沉积多晶硅至中间硅层并填满所述孔，从而形成电通路；然后在所述双面SOI硅片的上硅层5和下硅层7的表面生长出二氧化硅层。并通过化学和机械抛光法将上硅层5和下硅层7的表面进行打磨，达到表面的平滑标准。

第三步，在所述双面SOI硅片的上硅层5和下硅层7上分别涂覆光阻剂。之后按照特定图案对上硅层5和下硅层7进行曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。先利用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸对生长出的二氧化硅层上被曝光的部分进行刻蚀。再利用硅的深度反应离子刻蚀将上硅层5和下硅层7深度刻蚀至二氧化硅层8。最后用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸对被露置在外的二氧化硅层8进行蚀刻。从而形成多个弹性梁12。并在将光阻剂去除后利用高温在所述弹性梁12的表面生长出一层二氧化硅层，或者用化学淀积(CVD)方法在所述弹性梁12的表面淀积一层二氧化硅层。

第四步，用二氧化硅干法刻蚀去除二氧化硅层8中露置在外的二氧化硅。并再次用硅的深度反应离子刻蚀或气态的二氟化氙将中间硅层6深度刻蚀至一定深度。

第五步，使用氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚、或气态的二氟化氙对被刻蚀至一定深度的中间硅层6进行水平及纵向腐蚀。并根据中间硅层6中需要被腐蚀的区域的大小来控制腐蚀时间。中间硅层6被腐蚀后，形成了上下两层自由运动的多个弹性梁12及连接臂122。

第六步，将露置在硅表面的所述二氧化硅用缓冲氢氟酸、或49%氢氟酸、或气态的氟化氢腐蚀掉。

对所述上盖板硅片及下盖板硅片的加工工艺还包括：

A、在与所述双面SOI硅片键合之前，在所述上盖板硅片2或下盖板硅片3表面上涂覆光阻剂。之后按照特定图案对其进行曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚将上盖板硅片2或下盖板硅片3被曝光的部分深度刻蚀至二氧化硅层8。然后用缓冲氢氟酸、或49%氢氟酸、或气态的氟化氢对被曝光的二氧化硅层8进行蚀刻，并形成一个通孔。并将光驱剂去除。

B、在上盖板硅片2和下盖板硅片3的键合面上涂覆光阻剂，之后按照特定图案对其进行曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再利用深度反应离子刻蚀或氢氧化钾或四甲基氢氧化氨或乙二胺磷苯二酚，分别将上盖板硅片2和下盖板硅片3被曝光的部分深度刻蚀至一定位置。从而在上盖板硅片2和下盖板硅片3的键合面上各自形成一个凹陷区，并将光驱剂去除。

C、在与所述双面SOI硅片键合之前，对上盖板硅片2及下盖板硅片3对进行清洗；

D、与所述双面SOI硅片键合之后，在所述上盖板硅片2、所述下盖板硅片3的表面上淀积金属并引出电极4，通过所述上盖板硅片2或下盖板硅片上3的所述通孔在所述双面SOI硅片的表面上淀积金属，并通过所述通孔引出电极4。

本发明中所述的深度刻蚀及所述刻蚀的方法为以下方法中的一种或多种方法：干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀包括：硅的深度反应离子刻蚀及反应离子刻蚀。

在制造出本发明中所述的加速度计后，还需将其与其他电子元件进行封装，而封装的方法以及所需的材料、设备、工艺均采用现有技术。

本发明中的上述方法中所用的材料、设备、工艺均采用现有技术，但通过利用这些材料及工艺，尤其是利用了双面SOI硅片所制造出的加速度计，发生了质的变化，通过在双面SOI硅片上腐蚀而成的弹性梁13和质量块14能非常精准的对准以及形成高度对称的结构。相比起现有技术所使用的键合工艺所制造的双层梁，本工艺所制造的加速度计精度高、误差小、成品率也得到了较大的提升。而且由于腐蚀工艺较为简单，本产品生产工艺的生产效率极高、成本也较低。此外，本发明的几何结构以及受力振型均为全对称结构。使得本加速度计的检测精确度高。

Claims

1.一种加速度计，包括：测量体、与所述测量体相连接的上盖板硅片以及下盖板硅片；所述测量体包括框架、位于所述框架内的弹性梁和质量块；其特征在于，所述质量块与所述框架通过多组所述弹性梁相连接，每组所述弹性梁包括两根弹性折叠梁,所述弹性折叠梁以所述质量块的中线为轴对称设置；每组所述弹性折叠梁之间通过一连接臂相互连接。

2.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述连接臂为弹性连接臂。

3.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述弹性折叠梁的两末端位于同一直线上。

4.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述弹性折叠梁的一端分别与所述质量块的转角处相连接。

5.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述测量体为双面绝缘体上外延硅结构，包括上硅层、中间硅层及下硅层；每两层硅层之间分别设置有二氧化硅层。

6.如权利要求5所述的加速度计，其特征在于，多个所述弹性梁分别对称地成形于所述上硅层和所述下硅层，构成双层结构。

7.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述测量体、所述上盖板硅片及所述下盖板硅片上分别设置有电极。

8.一种加速度计的制造工艺，其特征在于，所述制造工艺包括以下步骤：

第一步，在双面绝缘体上外延硅硅片的上下硅层上分别通过光刻、深度刻蚀及刻蚀形成多个深至中间硅层的孔；

第二步，在所述孔内沉积多晶硅至中间硅层并填满所述孔；然后在所述双面绝缘体上外延硅硅片的上下硅层的表面生长出二氧化硅层；

第三步，在所述双面绝缘体上外延硅硅片的上下硅层上通过光刻、深度刻蚀及刻蚀形成多组相互对称弹性折叠梁以及将所述弹性折叠梁相连接的连接臂；并通过高温氧化在所述弹性折叠梁及所述连接臂的露置在外的表面上生长出二氧化硅，或者用化学淀积方法淀积一层二氧化硅；

第五步，将框架与质量块之间的中间硅层腐蚀，从而形成自由运动的弹性梁及连接臂；

第六步，将露置在外的所述二氧化硅腐蚀；

第七步，将上盖板硅片、处理后的所述双面绝缘体上外延硅硅片、以及下盖板硅片进行一次性键合。

9.如权利要求8所述的加速度计的制造工艺，其特征在于，对所述上盖板硅片及下盖板硅片的加工工艺还包括：

B、在所述上盖板硅片和所述下盖板硅片的键合面上分别通过光刻、深度刻蚀及刻蚀各自形成一个凹陷区；

C、与所述双面绝缘体上外延硅硅片键合之前，对所述上盖板硅片及所述下盖板硅片进行清洗；

D、与所述双面绝缘体上外延硅硅片键合之后，在所述上盖板硅片、所述下盖板硅片的表面上淀积金属并引出电极，通过所述上盖板硅片或下盖板硅片上的所述通孔在所述双面绝缘体上外延硅硅片的表面上淀积金属，并通过所述通孔引出电极。

10.根据权利要求8或9所述的加速度计的制造工艺，其特征在于，所述深度刻蚀及所述刻蚀的方法为以下方法中的一种或多种方法：干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀包括：硅的深度反应离子刻蚀及反应离子刻蚀。

11.根据权利要求8所述的加速度计的制造工艺，其特征在于，所述用于腐蚀硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合：氢氧化钾、四甲基氢氧化氨、乙二胺磷苯二酚及气态的二氟化氙。

12.根据权利要求8所述的加速度计的制造工艺，其特征在于，所述用于腐蚀二氧化硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合：缓冲氢氟酸、气态的氢氟酸及成分为49%的氟化氢水溶液。