CN103675346B - 一种加速度计及其制造工艺 - Google Patents

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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、位于所述框架内的活动限位体、弹性梁和质量块；所述活动限位体远离所述框架，并通过连接臂与所述框架相连接；所述质量块与所述活动限位体通过所述弹性梁相连接，所述弹性梁为多组E型结构，每组所述弹性梁的两端横梁与所述活动限位体相连接；所述弹性梁的中部横梁与所述质量块相连接。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。本发明采用了应力隔离设计，在芯片封装的过程中，本发明的加速度计结构大大减少了因封装应力而产生变形，提高了本发明的稳定性。此外，本发明的几何形状以及受力振型均为对称结构，因此具有检测准确度高的特点。

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。
此外，在把上述电容式加速度计与其他微电子模块一起封装集成的时候，因封装体中各种材料的热膨胀系数不同会产生封装应力。封装应力会直接影响到各元件的性能。基于MEMS器件的微小尺寸和具有可动部件，与其他元件相比，MEMS元件对各种应力更加敏感。封装应力可能导致加速度计的元件产生变形，使得加速度计无法准确的测量加速度，降低了加速度计的稳定性及可靠性。
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，提供一种不受封装应力影响，并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、位于所述框架内的活动限位体、弹性梁和质量块；所述活动限位体远离所述框架，并通过连接臂与所述框架相连接；所述质量块与所述活动限位体通过所述弹性梁相连接，所述弹性梁为多组E型结构，每组所述弹性梁的两端横梁与所述活动限位体相连接；所述弹性梁的中部横梁与所述质量块相连接。
本发明所采用的技术方案还具有以下附属特征：
所述质量块上设有多个凹陷部，所述活动限位体为多个，每个所述活动限位体分别设置在所述凹陷部内。
所述质量块与所述活动限位体之间形成活动间隙。
所述弹性梁分别设置于所述框架与所述质量块之间的间隔空间内，并能够在所述间隔空间内自由活动。
每个所述弹性梁的所述中部横梁位于所述质量块的中线。
所述连接臂设置在所述活动限位体的转角处，并与所述框架的内角相连接。
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、所述活动限位体及所述连接臂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。
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个弹性梁、活动限位体及连接臂；并通过高温氧化在所述弹性梁、所述活动限位体及所述连接臂的露置在外的表面上生长出二氧化硅，或者用化学沉积（CVD）方法在所述弹性E型梁、所述活动限位体及所述连接臂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，并同时形成所述活动限位体及所述连接臂；
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。所述二氧化硅层也可以用反应离子刻蚀进行干法刻蚀去除。
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，在质量块和框架之间所加入活动限位体有效的降低了在封装时封装应力对质量块及弹性臂所产生的影响。从而提高了加速度计的稳定性及可靠性。在质量块和框架之间所加入活动限位体还降低了在工作时工作环境中的温度及气压对所产生的热应力对加速度计所造成的影响。此外，弹性梁的中部横梁及连接臂穿过质量块的中线，因此有很好的结构对称性并在弹性折叠梁的露置在外的表面上且稳定。再次，本加速度计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。
参见图2及图3，所述测量体1包括框架11、位于所述框架内的活动限位体12、弹性梁13和质量块14；所述活动限位体12远离所述框架11，并通过连接臂15与所述框架11相连接；所述质量块14与所述活动限位体12通过所述弹性梁13相连接，所述弹性梁13为多组E型结构，每组所述弹性梁13的两端横梁131与所述活动限位体12相连接；所述弹性梁13的中部横梁132与所述质量块14相连接。所述质量块14上设有多个凹陷部141，所述活动限位体12为多个，每个所述活动限位体12分别设置在所述凹陷部141内。所述质量块14与所述活动限位体12之间形成活动间隙。
参见图1及图2，所述测量体1分为上硅层5、中间硅层6及下硅层7，所述上硅层5及所述下硅层7中分别形成有上下两层多组对称设置的所述活动限位体12、所述弹性梁13及所述连接臂15。
参见图2及图3，优选地，所述质量块14为一方形体，所述弹性梁13分别设置于所述框架11与所述质量块14之间的间隔空间内，并能够在所述间隔空间内自由活动。所述弹性梁13为多组E型结构，优选地，每一层共有四组弹性梁13、活动限位体12及连接臂15，每组弹性梁13分别设置在所述质量块14的四个边上。每组所述弹性梁13的两端横梁131与所述活动限位体12相连接；所述弹性梁13的中部横梁132与所述质量块14相连接。每个所述中部横梁132位于所述质量块14的中线上。每个所述连接臂15分别设置在每个所述活动限位体12的转角处，并与所述框架11的内角相连接。测量体1的整体结构为对称结构。使得整体设计更加平衡、稳定。检测加速度的方向更加精确。本发明中质量块14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13、活动限位体12、连接臂15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2，在检测加速度过程中，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。所述弹性梁13也会产生一定的位移。但因惯性作用，质量块14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14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13会回到原有状态，使质量块14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。
参见图2及图3，在封装加速度计的过程中，所述框架11受到的封装应力最大，也最容易产生形变。本发明的技术方案通过在框架11的四个内角上分别设置连接臂15，并与活动限位体12相连接。即使框架11受到封装应力而产生变形时，虽然设置在四个内角上的连接臂15也会产生一定的变形。但由于连接臂15为弹性臂，在变形的情况下也不会影响到活动限位体12，更不会影响到质量块14及与质量块14相连接的弹性梁13。为此，质量块14与上盖板硅片2及下盖板硅片3之间的电容值相对稳定。在没有加速度的情况下，所述质量块14与所述上盖板硅片2和下盖板硅片3之间的电容相同。在有加速度的情况下，各个弹性梁13的位移也保持基本一致。本加速度计可以更加有效并准确的检测振动及加速度。
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13、活动限位体12及连接臂15。并在将光阻剂去除后利用高温在所述弹性梁13、活动限位体12及连接臂15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13、活动限位体12及连接臂15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13、活动限位体12及连接臂15。
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。
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。并将光阻剂去除。
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，并将光阻剂去除。
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。
其中，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。
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。
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。而且在质量块14和框架11之间加入活动限位体12不仅仅有效的消除了在封装时封装应力的影响，还减少了在工作环境中因温度变化带来的热应力对加速度计的影响。使得本加速度计更加的稳定。

Claims (14)

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、位于所述框架内的活动限位体、弹性梁和质量块；其特征在于，所述活动限位体远离所述框架，并通过连接臂与所述框架相连接；所述质量块与所述活动限位体通过所述弹性梁相连接，所述弹性梁为多组E型结构，每组所述弹性梁的两端横梁与所述活动限位体相连接；所述弹性梁的中部横梁与所述质量块相连接。
2.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述质量块上设有多个凹陷部，所述活动限位体为多个，每个所述活动限位体分别设置在所述凹陷部内。
3.如权利要求2所述的加速度计，其特征在于，所述质量块与所述活动限位体之间形成活动间隙。
4.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述弹性梁分别设置于所述框架与所述质量块之间的间隔空间内，并能够在所述间隔空间内自由活动。
5.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，每个所述弹性梁的所述中部横梁位于所述质量块的中线。
6.如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述连接臂设置在所述活动限位体的转角处，并与所述框架的内角相连接。
7.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。
8.如权利要求7所述的加速度计，其特征在于，多个所述弹性梁、所述活动限位体及所述连接臂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。
9.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。
10.一种用于制造权利要求1所述的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个所述弹性梁、活动限位体及连接臂；并通过高温氧化在所述弹性梁、所述活动限位体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腐蚀，从而形成自由运动的弹性梁，并同时形成所述活动限位体及所述连接臂；
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。
11.如权利要求10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：
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。
12.根据权利要求10或11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。
13.根据权利要求10所述的加速度计的制造工艺，其特征在于，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。
14.根据权利要求10所述的加速度计的制造工艺，其特征在于，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。
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