一种MEMS陀螺仪及其制造工艺
技术领域
本发明涉及传感器领域,尤其涉及一种MEMS陀螺仪
背景技术
陀螺仪可以检测物体倾斜的角度和方向,并且已经运用于诸多领域,如轮船、飞机等。而在微电子机械系统(MEMS)技术不断进步的情况下,许多纳米级的小型陀螺仪将被商业化广泛应用于汽车、机器人、手机、移动设备等领域。
与传统的陀螺仪不同,MEMS陀螺仪并没有旋转部件,也不需要轴承。MEMS的陀螺仪采用了振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科氏力。例如公开号为CN101180516的中国发明专利申请,其利用驱动器对多个质量块以X方向进行加速,当陀螺仪在Z轴上发生角速度为Ω的旋转时,质量块会根据以下公式在Y方向产生科氏力Fcori。陀螺仪对Y方向的科氏力进行检测,从而可以计算出旋转角速度Ω。
Fcori=2mΩv
其中,m为质量块的质量,而v则为速度。
为了增加MEMS陀螺仪对旋转角速度Ω的检测灵敏度,MEMS陀螺仪需要在检测时产生更大的科氏力。为此,可以通过增加质量块的质量m或者增加驱动质量块的速度v来增加科氏力,大多数专利通过增加质量块的质量m来增强陀螺仪的检测灵敏度。例如公开号为CN101180516的中国发明专利申请,其通过设置多个质量块来加大质量块的总体质量m。在检测过程中,总体质量大的质量块会产生较大的科氏力,从而增加了陀螺仪的灵敏度。然而多质量块的系统很难保证每块质量块的大小一致,质量块大小不一致会造成耦合能量损失,进而降低灵敏度,产生大的噪声。
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灵敏度,并且检测误差小,性能稳定的MEMS陀螺仪。
一种MEMS陀螺仪,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;所述测量体包括外框架、位于所述外框架内的内框架以及与所述内框架相连接的质量块;所述外框架与所述内框架之间通过第一弹性梁相连接;所述质量块与所述内框架通过所述第二弹性梁相连接;所述质量块的四边与所述内框架之间设置有四组梳状耦合结构,其中两组所述梳状耦合结构用于驱动所述质量块,另外两组所述梳状耦合结构用于测量所述质量块相对于所述内框架的位移。
本发明中的MEMS陀螺仪还包括如下附属特征:
所述内框架与所述外框架之间设置有多根第一弹性梁;所述第一弹性梁以所述质量块的中线对称设置。
多组所述第一弹性梁设置在所述外框架和所述内框架之间的间隔空间内,并在间隔空间中自由活动。
每根所述第一弹性梁包括两根Y型弹性梁,每根所述Y型弹性梁包括一根主干部以及两根分支部;所述两根分支部分别与所述内框架以及所述外框架相连接。
所述两根Y型弹性梁的主干部分的末端设置在所述内框架的端角处,两末端呈直角相连接。
所述质量块与所述内框架之间形成活动间隙,所述质量块与所述内框架通过多根所述第二弹性梁相连接;所述第二弹性梁分别设置于所述质量块的端角处;并与所述内框架相连接。
所述第二弹性梁为U型折叠梁。
所述测量体采用包括有上硅层及下硅层的双层硅结构,每层硅层之间分别设置有氧化埋层,所述上硅层的表面形成有外延层。
所述第一弹性梁成型于所述外延层;所述第二弹性梁成型于所述外延层以及所述上硅层。
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。
一种MEMS陀螺仪的制造工艺,所述制造工艺包括以下步骤:
第一步,在绝缘体上外延硅硅片的上硅层上生长出一外延层;
第二步,通过高温氧化以及淀积处理,分别在所述上硅层的外延层和所述下硅层表面上形成一层二氧化硅层和一层氮化硅层;
第三步,通过光刻和刻蚀将所述下硅层表面外侧部分的氮化硅层和氧化硅层去除,露出部分所述下硅层;同时将下硅层表面的内侧部分的氮化硅层去除,露出二氧化硅层;
第四步,将所述下硅层暴露在外的外侧部分刻蚀至一定深度,形成外框架;
第五步,通过刻蚀,将暴露在外的内侧部分的所述二氧化硅层去除,并露出所述下硅层;
第六步,将暴露在外的所述下硅层的外侧及内侧进一步刻蚀,直至所述下硅层的外侧部分被刻蚀至氧化埋层,从而形成外框架及内框架;
第七步,通过刻蚀将所述下硅层的外侧部分的氧化埋层去除,并将暴露在外的所述下硅层的外侧和内侧进一步刻蚀,直至所述下硅层的内侧部分被刻蚀至氧化埋层,从而形成第二弹性梁;同时下硅层的外侧部分刻蚀至外延层,从而形成第一弹性梁;
第八步,将所述下硅层表面的二氧化硅层、氮化硅层及所述第二弹性梁表面的氧化埋层去除,并将两块刻蚀后的绝缘体上外延硅硅片进行背对背硅-硅键合;
第九步,通过光刻和刻蚀,在两块绝缘体上外延硅硅片的所述上硅层表面的氮化硅层及二氧化硅层上刻蚀出多个深至外延层的孔;并再次对所述孔进行深度刻蚀形成通孔,从而形成自由活动的第一和第二弹性梁;
第十步,将所述绝缘体上外延硅硅片表面的氮化硅层及二氧化硅层去除,形成测量体;
第十一步,将所述测量体与上盖板硅片及下盖板硅片进行键合。
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多个通孔;
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。
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。
按照本发明所提供的一种MEMS陀螺仪及其制造工艺具有如下优点:首先,本发明的制造工艺将两块SOI硅片进行键合,增大了质量块,从而在检测角速度的过程中,能够产生较大的科氏力。使得本MEMS陀螺仪的检测灵敏度更高。相比起现有技术中采用多块质量块的设计,本MEMS陀螺仪的质量块为一块,这样也大大降低了检测过程中的噪音和误差。其次,本发明中的MEMS陀螺仪通过测量上、下盖板硅片和测量体之间的平板电容值的变化来计算旋转角速度。测量平板电容值的方法具有灵敏度,准确度高的优点。而且由于腐蚀工艺和键合工艺较为简单,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俯视图。
图3为本发明中的制造方法的第一步、第二步示意图。
图4为本发明中的制造方法的第三步、第四步示意图。
图5为本发明中的制造方法的第五步、第六步示意图。
图6为本发明中的制造方法的第七步、第八步示意图。
图7为本发明中的制造方法的第九步示意图。
图8为本发明中的制造方法的第十步示意图。
图9为本发明中的制造方法的第十一步示意图。
图10为本发明中的制造方法的第十二步示意图。
图11为本发明中的制造方法的第十三步示意图。
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MEMS陀螺仪,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;所述测量体1为绝缘体上外延硅结构,简称SOI结构,包括上硅层4及下硅层5;所述上硅层4和下硅层5之间设置有氧化埋层6。
参见图1及图2,所述测量体1包括外框架11、位于所述外框架11内的内框架12以及质量块13;所述外框架11和内框架12之间通过第一弹性梁14相连接。外框架11和内框架12之间的间隔空间内设置有多组第一弹性梁14,第一弹性梁14可以在该间隔空间中自由活动。每组第一弹性梁14包括两根Y型弹性梁,每根Y型弹性梁包括一根主干部141以及两根分支部142,两根分支部142分别与内框架12以及外框架11相连接。每组第一弹性梁14均以质量块13的中线对称设置。而两根Y型弹性梁的主干部141设置在内框架12的端角处,并呈直角相连接。
参见图1及图2,,内框架12与质量块13之间通过第二弹性梁15相连接,第二弹性梁15为弹性弯折梁。优选地,所述质量块13为一方形体,所述第二弹性梁15设置在质量块的四个端角处。内框架12和质量块13的四边分别设置有多组相互对应的梳状耦合结构16。在一实施例中,两组相互对应的梳状耦合结构161,162用于驱动质量块13不停地在陀螺的驱动频率上来回振动,另外两组相互对应的梳状耦合结构163,164来测量质量块13的位移幅度。通过检测质量块13的位移幅度可以计算出驱动质量块13的频率,并与梳状耦合结构161及162的驱动频率进行比较。当梳状耦合结构163和164所检测到的频率偏离了驱动频率时,控制电路会做出相应的补偿和调整,来减少质量块振动频率相对驱动频率的偏移。而在另一实施例中,梳状耦合结构163,164则用于驱动质量块13,梳状耦合结构161,162用于检测质量块13的位移幅度。
参照图1及图2,本MEMS陀螺仪在封装成芯片后,测量体1与上盖板硅片2以及下盖板硅片3之间各自形成一电容。根据MEMS陀螺仪的工作原理,当质量块13由两组梳状耦合结构161及162驱动而在X轴方向不停地来回振动时,如果Y轴方向上出现旋转角速度,质量块13会在Z轴方向上产生一个科氏力。科氏力会导致质量块13以及与质量块13相连接的内框架12在Z轴方向上移动。而根据电容公式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。当质量块13及内框架12在Z轴方向上产生位移时,测量体1与上盖板硅片2以及下盖板硅片3之间的电容值会产生变化。通过测量该电容值的变化则可以计算出质量块13所承受的科氏力,并且计算出旋转角速度。优选地,第二弹性梁15相对较厚,从而限制了质量块13在Z轴方向的位移幅度,减少了梳状耦合结构16驱动在驱动质量块13来回振动时质量块13所产生的扭曲,也减少了驱动质量块13所产生的误差。而第一弹性梁14相对较薄,使得质量块13和内框架12更容易地位移,也加强了本MEMS陀螺仪的检测灵敏度。
接着,根据图3至11详细说明用于制造本发明中的MEMS陀螺仪的制造工艺,包括以下步骤:
第一步,在SOI硅片的上硅层4上通过高温生长出一层外延层7;
第二步,对SOI硅片的上硅层4和下硅层5进行高温氧化处理,在其表面分别形成一层二氧化硅层8;或者利用化学气态淀积法(CVD)淀积一层二氧化硅层8。
第三步,对SOI硅片的上硅层4和下硅层5表面分别利用化学气态淀积法淀积一层氮化硅层9。
第四步,对所述SOI硅片的下硅层5上涂覆光阻剂。之后按照特定图案对下硅层5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。再利用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸对二氧化硅层8和氮化硅层9上被曝光的部分进行刻蚀直至露出下硅层5的外侧部分51。
第五步,对所述SOI硅片的下硅层5上涂覆光阻剂。之后按照特定图案对下硅层5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。再利用反应离子干法刻蚀将内侧部分52的氮化硅层9去除。
第六步,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下硅层5的外侧部分51刻蚀至一定深度。
第七步,用缓冲氢氟酸、或49%氢氟酸、或气态的氟化氢对下硅层5内侧52的二氧化硅层8进行刻蚀,直至露出下硅层5。
第八步,利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚对下硅层5的外侧51和内侧52同时进行刻蚀,直至下硅层5的外侧51刻蚀至氧化埋层6,从而形成外框架11和内框架12。
第九步,利用缓冲氢氟酸、或49%氢氟酸、或气态的氟化氢将氧化埋层6去除,并再次用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚对下硅层5的外侧51和内侧52同时进行刻蚀,直至下硅层5的外侧部分51被刻蚀至外延层7,而下硅层5的内侧部分52被刻蚀至氧化埋层6,从而形成第一和第二弹性梁14、15。
第十步,利用干法刻蚀、缓冲氢氟酸、或49%氢氟酸、或气态的氟化氢将下硅层5表面的氮化硅层9、二氧化硅层8以及第二弹性梁15表面的氧化埋层6去除,并对硅片表面进行清洗;清洗后将两块刻蚀后的SOI硅片进行背对背硅-硅键合。
第十一步,对键和后的所述两块SOI硅片的上硅层4表面上涂覆光阻剂。之后按照特定图案对其表面进行曝光,并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再用干法刻蚀、缓冲氢氟酸、或49%氢氟酸、或气态的氟化氢对SOI硅片的上硅层4表面的氮化硅层9和二氧化硅层8进行刻蚀,刻蚀出多个深至外延层7的孔。并再次通过这些孔对外延层7及上硅层4进一步深度刻蚀至所述孔贯通,从而形成自由活动的第一和第二弹性梁14、15。
第十二步,利用干法刻蚀、缓冲氢氟酸、或49%氢氟酸、或气态的氟化氢将SOI硅片上、下表面的氮化硅层9及二氧化硅层8去除,从而形成完整的测量体1。
第十三步,将处理后的SOI硅片与上盖板硅片2和下盖板硅片3进行一次性键合。
按照本发明提供的MEMS陀螺仪的制造工艺中,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。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进行蚀刻,并形成多个通孔。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,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SOI硅片的表面上淀积金属,并通过所述通孔引出电极。
其中,本发明中的上述加工工艺中的氮化硅层9和二氧化硅层8起到保护其所覆盖的硅层,使其不被刻蚀或腐蚀。而本发明中的外延层7为掺杂元素量较高的单晶硅层。其作用在于防止氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚进一步对硅层进行刻蚀。
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SOI硅片所制造出的MEMS陀螺仪,发生了质的变化。首先,通过将两块SOI硅片进行键合增大了质量块,也增大了科氏力的幅度,从而使得本MEMS陀螺仪的检测灵敏度更高。相比起现有技术中采用多块质量块的设计,本MEMS陀螺仪的质量块13为一块,这样也大大降低了检测过程中的噪音和误差。其次,本发明中的MEMS陀螺仪采用了测量上、下盖板硅片2、3和测量体1之间的平板电容值的变化来计算旋转角速度。测量平板电容值的方法具有灵敏度,准确度高的优点。再次,设置在内框架12和质量块13之间的其中一对用于检测质量块13位移的梳状耦合结构16进一步减少了驱动质量块13时所产生的耦合误差。使得检测更加的精准。而且由于腐蚀工艺和硅的键合工艺较为简单,也使得本产品的生产效率极高、成本也较低。为此本工艺所制造的MEMS陀螺仪具有灵敏度高、误差小、成本低等优点。