CN104237560A - 一种具有低横向效应的加速度传感器芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种具有低横向效应的加速度传感器芯片及其制作方法，芯片由一对敏感梁与一对补充梁共同支撑芯片的悬空质量块并使其悬空，敏感梁上置了压敏电阻并连接成半开环惠斯通电桥，电桥的输出端与芯片的焊盘相连，其制作方法是通过硅各项异性湿法刻蚀以及ICP等离子刻蚀得到硅基底中的由悬空质量块、敏感梁和补充梁组成的可动结构，正面光刻并溅射形成芯片的金属引线与焊盘，在硅片基底的背面粘结硼玻璃，正面光刻并刻蚀形成芯片可动部件与硅质基底的间隙，最后得到芯片，该芯片能够在满足高灵敏度，低量程，低谐振频率性能的同时，具有较好的抵抗横向效应的特性。

Description

一种具有低横向效应的加速度传感器芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及微加速度传感器芯片技术领域，特别涉及一种具有低横向效应的加速度传感器芯片及其制作方法。

背景技术

早期的硅微加速度计发明于1979年，在那之后MEMS加速度传感器在体加工和表面加工微机械技术优势即低能耗、微型化、低成本的刺激下，在许多商用领域取得了很大的成功。转导机构的多样性允许MEMS加速度传感器在许多应用领域里替代常规传感器。在这些传感器中，压阻式加速度传感器在监测振动中具有重要地位，这种传感器在很多不同传感器配置中都取得了成就，例如悬臂梁—质量块结构、思量结构、双质量块结构。另外最近有两项基于这种结构特性提升的研究成果，例如将应力集中区和悬臂梁质量块相结合结构，在四梁结构中的监测质量块顶端电镀金属层结构。虽然这些提议很有效，但这些附加的操作会导致高成本、低可靠性以及加工中的错误。

传统的压阻式微加速度传感器一般为悬臂梁结构或者双端固支梁结构，悬臂梁结构灵敏度高，但固有频率低、横向灵敏度大；双端固支梁结构固有频率高、横向灵敏度小，但灵敏度低，同时加工出来的器件体积大、性价比不高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有低横向效应的加速度传感器芯片及其制作方法，该芯片在满足了高灵敏度与低谐振频率要求的同时，还兼具了低量程和高横向效应抵抗能力的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有低横向效应的加速度传感器芯片，包括硅质基底1，硅质基底1的背面与硼玻璃5键合，硅质基底1的中心空腔内配置有悬空质量块4，其特征在于：两根相同补充梁3分别与悬空质量块4的一组相对边相连，两根相同敏感梁2则分别与悬空质量块的另一组相对边相连，补充梁3与敏感梁2共同支撑悬空质量块4，使其保持悬空状态，硼玻璃5与悬空质量块4下底面预留有工作间隙；

两根敏感梁2上均匀布置了两根压敏电阻6，四根压敏电阻6通过芯片上的金属引线7相互连接组成半开环惠斯通电桥，电桥的输出端与芯片中的焊盘8相连，四根压敏电阻6按照敏感梁2上的正/负应力分布规律布置，且位于硅晶体相同的晶向上，每一根压敏电阻6均由2-4折的单一压阻条组成。

所述的补充梁3的长度大于敏感梁2，补充梁3的宽度小于敏感梁2，而补充梁3与敏感梁2的厚度相同。

所述的补充梁3、敏感梁2以及悬空质量块4与硅基底1存在着5-10μm的间隙。

所述的金属引线7采用Ti-Pt-Au多层金属引线。

一种具有低横向效应的加速度传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：

a)使用体积浓度为49％的HF酸溶液，清洗硅片，硅片为n型，(100)晶面；

b)清洗后脱水烘干，双面涂覆光刻胶，在背面加悬空质量块4减薄掩膜板进行光刻，采用ICP刻蚀，减薄质量块区域的硅，刻蚀深度为2-10μm；

c)清除光刻胶，在900-1200℃环境下进行高温氧化，在硅片上形成SiO2层，再次涂覆光刻胶，用p型压敏电阻版，正面光刻压敏电阻图形，对硅片顶部的器件层注入硼离子，获得p型压敏电阻6；

d)利用p+欧姆接触板，正面光刻形成硼离子重掺杂区，进行硼离子重掺杂，获得低阻的p+欧姆接触区；

e)在传感器正面加传感器引线孔膜板，正面光刻引线孔图形，刻蚀出引线孔，保证压敏电阻6的欧姆连接；

f)加金属引线7、焊盘8掩膜板，正面刻蚀出金属引线7与焊盘8的形状，依次溅射Ti、Pt、Au金属层，形成传感器芯片的金属引线7与焊盘8；

g)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在硅片正反两面沉积一层氮化硅，正面氮化硅作为保护层，防止后续工艺破坏前面工艺所得的压敏电阻6、金属引线7和焊盘8，反面氮化硅作为硅湿法腐蚀遮蔽层，在硅背面加背腔腐蚀板，对硅片背面进行光刻得到悬空质量块及其凸角补偿结构的形状，利用TMAH溶液进行各项异性湿法刻蚀，初步形成由敏感梁2，补充梁3和悬空质量块4组成的可动结构；

h)背面光刻去除之前工艺步骤中留下的氮化硅和二氧化硅层，通过阳极键合技术在硅质基底1的背面粘结硼玻璃5；

i)正面图覆光刻胶，利用正面贯穿掩膜板，在硅片正面进行ICP刻蚀，形成传感器芯片可动部件与硅质基底1间的间隙，间隙贯穿整个芯片以释放芯片中的可动结构；

j)正面光刻，去除芯片中焊盘8上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片将所设计的具有双梁-补充梁结构加速度传感器芯片从硅片上玻璃得到加速度传感器芯片。

对传统的四梁结构和本发明的双梁-补充梁式结构进行横向效应系数、最大应变量及谐振频率分析(加载加速度800m/s²)，得到如下分析结果：

横向效应系数等于横向的应变量与纵向的应变量之比，横向效应系数越小越好。由于现在大多数的硅微加速度传感器所采用结构的惯性质量块的中心很难制作在支撑梁的中心面上，所以硅微加速度传感器中普遍存在横向灵敏度高的问题，降低横向灵敏度，减小横向干扰，对于提高硅微加速度传感器的性能，拓广应用范围具有重要的意义。通过结果不难看出，双梁—补充梁结构具有相当出色的减小横向效应的能力，尤其在Z方向体现尤为明显。经数据比较得出结论：本发明所述的双梁—补充梁结构能够满足高灵敏度与低谐振频率要求的同时，具有低横向效应系数。

附图说明

图1为本发明芯片的结构示意图。

图2为本发明芯片的正面视图。

图3为敏感梁2上压敏电阻6的布置方式示意图。

图4为压敏电阻6构成的半开环惠斯通电桥示意图。

图5为本发明芯片的工作示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行更为详细说明。

参照图1，一种具有低横向效应的加速度传感器芯片，包括硅质基底1，硅质基底1背面与硼玻璃5键合，硅质基底1的中心空腔内配置有悬空质量块4，两根相同补充梁3分别与悬空质量块4的一组相对边相连，两根相同敏感梁2则分别与悬空质量块的另一组相对边相连，补充梁3与敏感梁2共同支撑悬空质量块4，使其保持悬空状态，硼玻璃5与悬空质量块4下底面预留有工作间隙以保证悬空质量块4在传感器正常工作时能够始终悬空，而在某些过载环境中其下底面能够与硼玻璃5接触，防止过载破坏传感器芯片。

参照图2，压敏电阻6布置于敏感梁2上，且位于硅晶体相同的晶向，压敏电阻6包括第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3和第四压敏电阻6-4，均由2-4折的单一压阻条组成以增加其有效长度，参照图3，第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2分布于敏感梁2一支上，第三压敏电阻6-3、第四压敏电阻6-4分布于敏感梁2的另一支上，参照图4，第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3和第四压敏电阻6-4通过芯片上的金属引线7互相连接成半开环惠斯通电桥，为了保证传感器输出正常，组桥时应保证第一压敏电阻6-1和第四压敏电阻6-4位于一组相对的桥臂，第二压敏电阻6-2和第三压敏电阻6-3位于另一组相对的桥臂。

所述的补充梁3的长度大于敏感梁2，补充梁3的宽度小于敏感梁2，而补充梁3与敏感梁2的厚度相同。

所述的补充梁3、敏感梁2以及悬空质量块4与硅基底1存在着5-10μm的间隙以释放补充梁3、敏感梁2以及悬空质量块4组成的可动结构。

所述的金属引线7采用Ti-Pt-Au多层金属引线。

本发明芯片的工作原理为：

参照图5，采用硅材料的压阻效应作为敏感原理，压阻效应是指当半导体材料受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其发生变化的现象，当压阻条处于一定应力作用下时，其阻值变化与其所受应力之间的比例关系式如下:

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}={\mathrm{\π}}_1{\mathrm{\σ}}_i+{\mathrm{\π}}_2{\mathrm{\τ}}_i$

式中：R为压敏电阻6的初始阻值；ΔR为压敏电阻6在应力作用下的阻值变化量；π₁为压敏电阻6横向压阻系数；π₂为压敏电阻6的纵向压阻系数；σ_i为压敏电阻6受到的正应力；τ_i为压敏电阻6受到的剪应力。

对于由压敏电阻6组成的惠斯通电桥，采用恒压源供电时，其输出电压如下表示：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{1}{4}(\frac{\mathrm{\Δ}{R}_1}{R_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{R}_2}{R_2}-\frac{\mathrm{\Δ}{R}_3}{R_3}+\frac{\mathrm{\Δ}{R}_4}{R_4})V_{\mathrm{in}}$

式中：V_out为电桥输出电压；V_in为电桥供电电压；R₁为第一压敏电阻6-1的阻值；R₂为第二压敏电阻6-2的阻值；R₃为第三压敏电阻6-3的阻值；R₄为第四压敏电阻6-4的阻值；ΔR₁为第一压敏电阻6-1的阻值变化量；ΔR₂为第二压敏电阻6-2的阻值变化量；ΔR₃为第三压敏电阻6-3的阻值变化量；ΔR₄为第四压敏电阻6-4的阻值变化量。

当传感器芯片受到某一加速度作用时，根据牛顿定律会有一个于所施加加速度成正比的惯性力作用于悬空质量块4上，致使其产生一定的位移；补充梁3与敏感梁2均与悬空质量块4相连，两组梁将在悬空质量块4的带动下发生弯曲变形，进而在其结构内部产生相应的应力。芯片中的第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3和第四压敏电阻6-4布置于敏感梁2上表面，当受到敏感梁2上应力的作用时，根据压阻效应公式，各个电阻阻值将会相应发生变化，进而引起电桥输出一个电压值，由于敏感梁2上产生的应力与输入加速度成正比，而第一压敏电阻6-1、第二压敏电阻6-2、第三压敏电阻6-3和第四压敏电阻6-4的阻值变化量与敏感梁2上的应力成正比例，因此传感器芯片的输出电压与其所承受的加速度值成正比，传感器芯片实现了将物理量的加速度转换为便于采集与测量的电压信号。

一种具有低横向效应的加速度传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：

a)使用体积浓度为49％的HF酸溶液，清洗硅片，硅片为n型，(100)晶面；

b)清洗后脱水烘干，双面涂覆光刻胶，在背面加悬空质量块4减薄掩膜板进行光刻，采用ICP刻蚀，减薄质量块区域的硅，刻蚀深度为2-10μm；

c)清除光刻胶，在900-1200℃环境下进行高温氧化，在硅片上形成SiO2层。再次涂覆光刻胶，用p型压敏电阻版，正面光刻压敏电阻图形，对硅片顶部的器件层注入硼离子，获得p型压敏电阻6；

d)利用p+欧姆接触板，正面光刻形成硼离子重掺杂区，进行硼离子重掺杂，获得低阻的p+欧姆接触区；

e)在传感器正面加传感器引线孔膜板，正面光刻引线孔图形，刻蚀出引线孔，保证压敏电阻6的欧姆连接。

f)加金属引线7、焊盘8掩膜板，正面刻蚀出金属引线7与焊盘8的形状，依次溅射Ti、Pt、Au金属层，形成传感器芯片的金属引线7与焊盘8；

g)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在硅片正反两面沉积一层氮化硅，正面氮化硅作为保护层，防止后续工艺破坏前面工艺所得的压敏电阻6、金属引线7和焊盘8，反面氮化硅作为硅湿法腐蚀遮蔽层，在硅背面加背腔腐蚀板，对硅片背面进行光刻得到悬空质量块及其凸角补偿结构的形状，利用TMAH溶液进行各项异性湿法刻蚀，初步形成由敏感梁2，补充梁3和悬空质量块4组成的可动结构；

h)背面光刻去除之前工艺步骤中留下的氮化硅和二氧化硅层，通过阳极键合技术在硅质基底1的背面粘结硼玻璃5；

i)正面图覆光刻胶，利用正面贯穿掩膜板，在硅片正面进行ICP刻蚀，形成传感器芯片可动部件与硅质基底1间的间隙，间隙贯穿整个芯片以释放芯片中的可动结构；

j)正面光刻，去除芯片中焊盘8上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片将所设计的具有双梁-补充梁结构加速度传感器芯片从硅片上玻璃得到加速度传感器芯片。

Claims (5)

1.一种具有低横向效应的加速度传感器芯片，包括硅质基底(1)，硅质基底(1)的背面与硼玻璃(5)键合，硅质基底(1)的中心空腔内配置有悬空质量块(4)，其特征在于：两根相同补充梁(3)分别与悬空质量块(4)的一组相对边相连，两根相同敏感梁(2)则分别与悬空质量块的另一组相对边相连，补充梁(3)与敏感梁(2)共同支撑悬空质量块(4)，使其保持悬空状态，硼玻璃(5)与悬空质量块(4)下底面预留有工作间隙；

两根敏感梁(2)上均匀布置了两根压敏电阻(6)，四根压敏电阻(6)通过芯片上的金属引线(7)相互连接组成半开环惠斯通电桥，电桥的输出端与芯片中的焊盘(8)相连，四根压敏电阻(6)按照敏感梁(2)上的正/负应力分布规律布置，且位于硅晶体相同的晶向上，每一根压敏电阻(6)均由2-4折的单一压阻条组成。

2.根据权利要求1所述的一种具有低横向效应的加速度传感器芯片，其特征在于：所述的补充梁(3)的长度大于敏感梁(2)，补充梁(3)的宽度小于敏感梁(2)，而补充梁(3)与敏感梁(2)的厚度相同。

3.根据权利要求1所述的一种具有低横向效应的加速度传感器芯片，其特征在于：所述的补充梁(3)、敏感梁(2)以及悬空质量块(4)与硅基底(1)存在着5-10μm的间隙。

4.根据权利要求1所述的一种具有低横向效应的加速度传感器芯片，其特征在于：所述的金属引线(7)采用Ti-Pt-Au多层金属引线。

5.根据权利要求1所述的一种具有低横向效应的加速度传感器芯片的制作方法，其特性在于，包括以下步骤：

a)使用体积浓度为49％的HF酸溶液，清洗硅片，硅片为n型，(100)晶面；

b)清洗后脱水烘干，双面涂覆光刻胶，在背面加悬空质量块(4)减薄掩膜板进行光刻，采用ICP刻蚀，减薄质量块区域的硅，刻蚀深度为2-10μm；

c)清除光刻胶，在900-1200℃环境下进行高温氧化，在硅片上形成SiO2层；再次涂覆光刻胶，用p型压敏电阻版，正面光刻压敏电阻图形，对硅片顶部的器件层注入硼离子，获得p型压敏电阻(6)；

d)利用p+欧姆接触板，正面光刻形成硼离子重掺杂区，进行硼离子重掺杂，获得低阻的p+欧姆接触区；

e)在传感器正面加传感器引线孔膜板，正面光刻引线孔图形，刻蚀出引线孔，保证压敏电阻(6)的欧姆连接；

f)加金属引线(7)、焊盘(8)掩膜板，正面刻蚀出金属引线(7)与焊盘(8)的形状，依次溅射Ti、Pt、Au金属层，形成传感器芯片的金属引线(7)与焊盘(8)；

g)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在硅片正反两面沉积一层氮化硅，正面氮化硅作为保护层，防止后续工艺破坏前面工艺所得的压敏电阻(6)、金属引线(7)和焊盘(8)，反面氮化硅作为硅湿法腐蚀遮蔽层，在硅背面加背腔腐蚀板，对硅片背面进行光刻得到悬空质量块及其凸角补偿结构的形状，利用TMAH溶液进行各项异性湿法刻蚀，初步形成由敏感梁(2)，补充梁(3)和悬空质量块(4)组成的可动结构；

h)背面光刻去除之前工艺步骤中留下的氮化硅和二氧化硅层，通过阳极键合技术在硅质基底(1)的背面粘结硼玻璃(5)；

i)正面图覆光刻胶，利用正面贯穿掩膜板，在硅片正面进行ICP刻蚀，形成传感器芯片可动部件与硅质基底(1)间的间隙，间隙贯穿整个芯片以释放芯片中的可动结构；

j)正面光刻，去除芯片中焊盘(8)上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片将所设计的具有双梁-补充梁结构加速度传感器芯片从硅片上玻璃得到加速度传感器芯片。