CN105182003B - 具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计，包括玻璃衬底、硅结构和电极，硅结构包括质量块、矩形的内支撑框架、缓冲折叠梁和矩形的外支撑框架，质量块与内支撑框架之间留有活动间隙，并通过两个弹性梁连接，内支撑框架与外支撑框架的每条对应边通过缓冲折叠梁连接；玻璃衬底与外支撑框架键合，电极设置于玻璃衬底上，包括两个测量电极和一个激励电极。具有结构简单，输出稳定，测量精度高等特点；此外，上述加速度计采用了湿法腐蚀制备工艺，避免了硅晶格的破坏以及内应力的引入，并且可以采用常规MEMS工艺设备实现大批量制造，成本较低。

Description

具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计及制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统的微惯性测量领域，具体涉及一种具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计及制备方法。

背景技术

微机械电容式加速度计自问世以来就以结构简单、输出稳定、温度漂移小、灵敏度高、动态特性好、抗过载能力大、体积小、质量小、检测方法简单、后端处理电路集成、方便大规模产业化等优势而受到越来越广泛的关注，目前的微机械电容式加速度计主要有三种结构：三明治摆式加速度计结构、梳齿式微加速度计和扭摆式加速度计。

其中，扭摆式加速度计，其因敏感质量块绕着弹性梁扭转形似跷跷板而得名，当存在垂直于质量块的加速度输入时，质量块将绕着支撑梁扭转，从而使相应的一对差动电容一个增大一个减小，测量差动电容值即可得到沿敏感轴输入的加速度；扭摆式加速度计结构比较简单，且能进行较大加速度值的测量；如美国Silicon Design公司所生产的Model2440系列扭摆式加速度计，其敏感元件采用扭摆式差分电容结构，该加速度计在玻璃基板上制作有力反馈平衡结构，两个轴对称布置的敏感结构可以抵消温度等共模因素的影响，该加速度计的量程为±25g，非线性度0.5％，噪声38ug/Hz，具有很好的适用性。

随着微电子机械系统的微惯性测量领域的发展，对加速度计的稳定性、测量精度要求也越来越高；通常微机械方面使用的加速度计尺寸较小，所以形成的电容量是非常微弱的，在工程使用中经常被干扰噪声淹没，更谈不上达到较高精度了；目前的硅-玻璃键合工艺已经非常成熟，在MEMS器件加工中被大量采用，但由于玻璃衬底及硅结构材质差异，热膨胀系数很难完全匹配，因此，在加速度计工作时，当外界温度发生变化，外支撑框架和玻璃衬底由于热膨胀系数不同，会发生形变；由温度漂移引起的形变会直接传导到质量块上，导致质量块结构变形，最终影响测量的稳定性和精确度。

MEMS加速度计的结构制备工艺主要分为干法腐蚀和湿法腐蚀两大类。干法腐蚀一般利用等离子体与材料发生化学反应或者轰击材料表面，实现对材料的腐蚀，干法腐蚀可实现较高的深宽比，不受材料晶向的限制，但是干法腐蚀往往会破坏材料晶格，引入较大应力从而导致器件产生较大的温度漂移；此外，干法腐蚀设备比较昂贵，工艺复杂。湿法腐蚀是通过化学溶液对材料进行腐蚀的方法，选择性高，均匀性好，对硅片损伤小，成本较低，但是湿法腐蚀的图形受晶向的严格限制，已有报道采用湿法腐蚀工艺制作MEMS加速度计，但大都采用重掺杂自停止腐蚀，利用不同掺杂浓度的硅材料腐蚀速率的不同，来制作硅结构。但是，重掺杂也会破坏硅材料的晶格，带来的较大的内应力，影响加速度计的温度漂移特性和工作稳定性。

发明内容

本发明旨在提供一种结构简单、测量精度高、输出稳定、制备工艺简单的具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计，包括玻璃衬底、硅结构和电极，所述硅结构包括质量块、矩形的内支撑框架、缓冲折叠梁和矩形的外支撑框架，所述质量块与内支撑框架之间留有活动间隙，并通过两个弹性梁连接，两个弹性梁相对于质量块的第一中心线对称设置，并偏离质量块的第二中心线；所述内支撑框架与外支撑框架的每条对应边通过缓冲折叠梁连接；所述玻璃衬底与外支撑框架键合，所述电极设置于玻璃衬底上，包括两个测量电极和一个激励电极，所述测量电极设置于质量块下方，所述激励电极设置于玻璃衬底和外支撑框架的键合处，并且与玻璃衬底和外支撑框架均接触。

进一步地，所述缓冲折叠梁为“宝盖头”折叠梁，所述“宝盖头”折叠梁左右两端的脚支架与内支撑框架对应边连接，头部支架与外支撑框架对应边连接，并且“宝盖头”折叠梁脚支架的中心线与内支撑框架对应边的中心线重合；“宝盖头”折叠梁的设置大大减少了外部应力对内部结构的影响，同时，也减小了两个正交非敏感方向应力对质量块的影响，当外支撑框架上由温度漂移产生形变时，由于内支撑框架和“宝盖头”支撑梁的应力隔离作用，形变最终不会传导到质量块上，可保证测量的稳定性和精确性。

进一步地，所述内支撑框架的宽度至少为缓冲折叠梁宽度的两倍，可以使整个加速度计达到更好的抗干扰效果，减少内部或外部应力对检测的影响。

更进一步地，所述质量块下方的两个测量电极在两个弹性梁连线的两侧对称设置，可以产生静电反馈力，在测量结束后，使质量块回到零位附近。

在上方案的基础上，两个所述弹性梁的连线与内支承框架对应边的中心线重合，能更好地保证加速度计输出的稳定性和准确性。

同时，本方案还提供一种具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计的制备方法，包括：

选取一双抛{100}N型硅片，所述硅片具有第一表面及与之相对的第二表面；

在硅片的第一表面上制作SiO₂掩膜，并用KOH溶液在第一表面的中部位置腐蚀出3-5μm深度的凹槽；

保留第一表面形成的SiO₂掩膜，制作金属Cr掩膜，用KOH溶液继续腐蚀第一表面形成的凹槽，蚀刻硅结构；

使用Cr腐蚀液除去第一表面的Cr掩膜；

在硅片第一表面上形成新的Cr金属层，并用HF缓冲溶液去除外支撑框架上的SiO₂掩膜，随后其上的Cr金属层自然脱落；

在玻璃衬底上溅射金属Cr/Au，制作加速度计的电极；

将玻璃衬底与硅片的第一表面阳极键合；

使用KOH溶液将硅片减薄，直至释放结构，并用Cr腐蚀液去除硅结构上的Cr金属层。

本发明的有益效果是：

(1)通过内支撑框架、缓冲折叠梁、外支撑框架3层结构设置，可减轻外界环境和内部应力对加速度计的干扰，尤其是缓冲折叠梁的设置，可极大的抑制玻璃衬底与硅结构热膨胀系数不匹配引入的热应力，减小了MEMS加速度计的温度漂移，提高加速度计的测量稳定性和精确度；

(2)本发明的制备方法采用湿法腐蚀工艺，工艺引入应力小，而且在减薄硅片释放结构时，利用Cr金属层对硅结构进行保护，进一步避免了传统重掺杂自停止腐蚀工艺引入的内应力；本发明制备方法可以采用常规MEMS工艺设备实现大批量制造，且工艺过程简单，成本较低；

(3)本发明整体结构简单，对称性好，并且在硅片平面内实现Z方向加速度的检测，避免了其他方向应力对它的干扰，输出稳定，从而提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明立体图。

图2是本发明平面图。

图3是图2中A-A的剖视图。

图4是玻璃衬底、电极、外支撑框架位置关系图。

图5a～图5k是本发明的制备工艺图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1～4所示，一种具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计，主要由玻璃衬底6、硅结构13和电极组成，硅结构13分为质量块1、矩形的内支撑框架4、缓冲折叠梁5和矩形的外支撑框架3几个部分，质量块1与内支撑框架4之间留有活动间隙，并通过两个弹性梁2连接，两个弹性梁2相对于质量块1的第一中心线a对称设置，并偏离质量块1的第二中心线b，两个弹性梁2的连线与内支撑梁4对应边的中心线重合。

内支撑框架4与外支撑框架3的每条对应边通过缓冲折叠梁5连接，缓冲折叠梁5可以有多种结构，在加速度计工作时，缓冲折叠梁5主要起缓冲作用。较好的，缓冲折叠梁5为“宝盖头”折叠梁，“宝盖头”折叠梁主要由头部支架、横梁和两个脚支架组成，头部支架的底部连接于横梁中部位置，两个脚支架相对于头部支架对称设置于横梁两端；“宝盖头”折叠梁左右两端的脚支架与内支撑框架4对应边连接，头部支架与外支撑框架3对应边连接，并且“宝盖头”折叠梁脚支架的中心线与内支撑框架4对应边的中心线重合，此外，内支撑框架4的宽度为“宝盖头”折叠梁的横梁宽度的两倍。

玻璃衬底6与外支撑框架3键合，电极设置于玻璃衬底6上，包括两个测量电极7、8和一个激励电极9，测量电极7、8设置于质量块1下方。最好是，两个测量电极7、8在两个弹性梁2连线的两侧对称设置，可以产生静电反馈力，在测量结束后，使质量块1回到零位附近。激励电极9设置于玻璃衬底6和外支撑框架3的键合处，并且激励电极9的底部与玻璃衬底6接触，而侧面和外支撑框架3内壁接触。

在z方向施加一个加速度，质量块1发生偏转，质量较大的一端向下，另一端向上，质量块1下方的两个电极7、8形成差分电容，而玻璃基底6和外支撑框架3均接触的电极9产生载波信号，使两个差分电容将加速度转变为带有加速度信息的调幅电信号，加速度计外接电路通过信号处理，将携带有加速度信息的调幅电信号解调出只含有加速度信息的电信号，从而实现了加速度值的检测。

如图5a～5k，本实施例还提供一种具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计的制备方法，包括：

选取一双抛{100}N型硅片10，如图5a，硅片10具有第一表面及与之相对的第二表面；

在硅片10的第一表面上制作SiO₂掩膜11，如图5b，并用浓度为30％～50％KOH在第一表面的中部位置腐蚀出3-5μm深度的凹槽，如图5c；

保留第一表面形成的SiO₂掩膜11，制作金属Cr掩膜12，如图5d，并用浓度为30％～50％KOH溶液继续腐蚀第一表面形成的凹槽，蚀刻硅结构13，如图5e；

使用Cr腐蚀液除去第一表面的Cr掩膜12，如图5f；

在硅片10第一表面上形成新的Cr金属层14，如图5g，再用浓度为30％～50％HF缓冲溶液去除外支撑框架3上的SiO₂掩膜11，随后其上的Cr金属层14自然脱落，如图5h；

在玻璃衬底6上溅射金属Cr/Au，制作加速度计的电极7、8、9，如图5i；

将玻璃衬底6与硅片10的第一表面阳极键合，如图5j；

使用浓度为30％～50％KOH溶液将硅片10减薄，直至释放结构，并用Cr腐蚀液去除硅结构13上的Cr金属层14，如图5k。

Claims (5)

1.一种具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计，包括玻璃衬底(6)、硅结构(13)和电极，其特征在于：所述硅结构(13)包括质量块(1)、矩形的内支撑框架(4)、缓冲折叠梁(5)和矩形的外支撑框架(3)，所述质量块(1)与内支撑框架(4)之间留有活动间隙，并通过两个弹性梁(2)连接，两个弹性梁(2)相对于质量块(1)的第一中心线(a)对称设置，并偏离质量块(1)的第二中心线(b)；所述内支撑框架(4)与外支撑框架(3)的每条对应边通过缓冲折叠梁(5)连接；所述玻璃衬底(6)与外支撑框架(3)键合，所述电极设置于玻璃衬底(6)上，包括两个测量电极(7、8)和一个激励电极(9)，所述测量电极(7、8)设置于质量块(1)下方，所述激励电极(9)设置于玻璃衬底(6)和外支撑框架(3)的键合处，并且与玻璃衬底(6)和外支撑框架(3)均接触；所述缓冲折叠梁(5)为“宝盖头”折叠梁，所述“宝盖头”折叠梁左右两端的脚支架与内支撑框架(4)对应边连接，头部支架与外支撑框架(3)对应边连接，并且“宝盖头”折叠梁脚支架的中心线与内支撑框架(4)对应边的中心线重合。

2.根据权利要求1所述的具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计，其特征在于：所述内支撑框架(4)的宽度至少为缓冲折叠梁(5)宽度的两倍。

3.根据权利要求1或2所述的具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计，其特征在于：所述质量块(1)下方的两个测量电极(7、8)在两个弹性梁(2)连线的两侧对称设置。

4.根据权利要求1或2所述的具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计，其特征在于：两个所述弹性梁(2)的连线与内支承框架对应边(4)的中心线重合。

5.一种具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计的制备方法，包括：

选取一双抛{100}N型硅片(10)，所述硅片(10)具有第一表面及与之相对的第二表面；

在硅片(10)的第一表面上制作SiO₂掩膜(11)，并用KOH溶液在第一表面的中部位置腐蚀出3-5μm深度的凹槽；

保留第一表面形成的SiO₂掩膜(11)，制作金属Cr掩膜(12)，用KOH溶液继续腐蚀，在第一表面形成的凹槽内蚀刻硅结构(13)，所述硅结构(13)包括质量块(1)、矩形的内支撑框架(4)、缓冲折叠梁(5)和矩形的外支撑框架(3)，所述质量块(1)与内支撑框架(4)之间留有活动间隙，并通过两个弹性梁(2)连接，所述内支撑框架(4)与外支撑框架(3)的每条对应边通过缓冲折叠梁(5)连接；

使用Cr腐蚀液除去第一表面的Cr掩膜(12)；

在硅片(10)第一表面上形成新的Cr金属层(14)，并用HF缓冲溶液去除外支撑框架(3)上的SiO₂掩膜(11)，随后其上的Cr金属层(14)自然脱落；

在玻璃衬底(6)上溅射金属Cr/Au，制作加速度计的电极(7、8、9)；

将玻璃衬底(6)与硅片(10)的第一表面阳极键合；

使用KOH溶液将硅片(10)减薄，直至释放结构，并用Cr腐蚀液去除硅结构(13)上的Cr金属层(14)。