CN105540527A - 微压电加速度传感器芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微压电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悬空质量块并使其悬空，质量块与敏感梁、补充梁及边框间有一定距离，使其保证质量块振动时不影响敏感梁及补充梁的运动，充分利用空间，增加质量块质量，从而增加了结构的灵敏度，敏感梁上布置了压电薄膜，压电薄膜的上下表面都布置有上下电极，其中芯片的制作方法是通过干法刻蚀以及光刻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上下电极，在硅质基底的背面粘结硼玻璃，硼玻璃与悬空质量块预留有一工作间隙，最后得到芯片，该芯片能够满足高灵敏度、低侧向效应的要求。
Description
技术领域
本发明涉及微加速度传感器芯片技术领域，特别涉及微压电加速度传感器芯片及制作方法。
背景技术
采用MEMS技术制造的微加速度传感器由于体积小、功耗低、成本低等优点，广泛应用于汽车工业、消费电子及生物医学仪器等领域。目前，大多数微加速度传感器仍采用压阻式，但是温度漂移较大，对安装和其它的应力也很敏感，而且使用温度有限制，灵敏度也较低。近年来，随着压电薄膜材料制备技术的发展，压电薄膜被越来越多的应用到微加速度传感器中。传统的压电加速度传感器芯片一般为四敏感梁结构，虽然其侧向效应小，但是灵敏度低。另外最近也有一项基于这种结构特性提升的研究成果，把四敏感梁结构优化成双敏感梁-双补充梁结构，其侧向效应也较小，灵敏度有所提升，但是由于加工技术的限制，梁的厚度不能制作得过薄，当梁的厚度较薄时，微压电加速度传感器芯片受到微小振动容易发生断裂；且压电薄膜的厚度也不能制作得较厚，大大地减小了电压输出，因而限制了压电加速度传感器的灵敏度及尺寸的微型化。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明对双敏感梁-双补充梁结构的压电加速度传感器芯片进行了改进，提供了一种微压电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的同时，还兼具了低侧向效应能力的特点，并能够使尺寸更加的微型化。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
微压电加速度传感器芯片，包括硅质基底，硅质基底的背面与硼玻璃键合，硅质基底的中心空腔内配置有悬空质量块，两根相同敏感梁分别与悬空质量块的一组对边相连，两根相同补充梁则分别与悬空质量块的另一组对边相连，两根敏感梁和两根相同补充梁共同支撑悬空质量块，使其保持悬空状态，硼玻璃与悬空质量块下底面预留有工作间隙；
两根相同敏感梁末端布置了两个压电薄膜，通过芯片上的上电极及下电极将产生的电压输出。
所述的敏感梁的宽度比补充梁宽度大10～110μm。
补充梁的长度比敏感梁长度大100～600μm。
敏感梁与补充梁的厚度相同。
所述的两根相同的敏感梁、两根相同的补充梁以及悬空质量块处于同一水平高度。
所述的悬空质量块与敏感梁、补充梁以及硅质基底的框架有200～350μm的间隙，保证悬空质量块受振动时不影响敏感梁及补充梁的运动。
所述的悬空质量块与硼玻璃存在着5～12μm的间隙。
微压电加速度传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：
a)用氟化氢HF酸溶液清洗双面抛光的单晶硅片，单晶硅片规格为n型，(100)晶面；
b)清洗后脱水烘干，通过干法热氧化法在单晶硅片表面双面氧化SiO2层；
c)在已氧化的单晶硅片双面涂覆光刻胶，单晶硅片正面保护，用光刻板在单晶硅片背面采用干法刻蚀，刻蚀出质量块；
d)在单晶硅片正面光刻，用光刻板在硅晶圆上用等离子体刻蚀ICP法刻蚀形成敏感梁和补充梁结构；
e)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成下电极图形；溅射、正胶剥离，形成Ti-Pt金属层作为下电极，溅射过程中没有衬底加热；
f)采用改性的溶胶-凝胶Sol-Gel工艺在Ti-Pt电极上制备压电薄膜，并用光刻板作为掩膜采用湿法对未结晶的压电薄膜进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶处理；
g)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成绝缘质图形；溅射、正胶剥离，形成绝缘质；
h)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成上电极图形；溅射、正胶剥离，形成Pt金属层作为上电极；
i)在硼玻璃的正面刻蚀出5～12μm的微小空间，保证悬空质量块有足够的振动空间；
j)在单晶硅片背面光刻去除之前工艺步骤中留下的二氧化硅层；通过阳极键合技术在硅质基底的背面粘结硼玻璃；
k)在单晶硅片正面光刻，去除芯片中焊盘上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片得到压电微加速度传感器芯片。
本发明能够克服由于加工技术的限制带来的灵敏低的问题，在满足高灵敏度的同时，还兼具低侧向效应的特点，能使芯片尺寸更加的微型化。
附图说明
图1为本发明的微压电加速度传感器芯片的结构示意图。
图2为本发明的微压电加速度传感器芯片的正面视图。
图3为本发明的微压电加速度传感器芯片的布置压电片处的结构示意图。
图4为本发明的微压电加速度传感器芯片的下电极图形示意图。
图5为本发明的微压电加速度传感器芯片的上电极图形示意图。
图6为本发明的微压电加速度传感器芯片的工作示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明微压电加速度传感器芯片及其制作方法进行更为详细的说明。
参照附图1，微压电加速度传感器芯片，其结构包括硅质基底1，硅质基底1的背面与硼玻璃6键合，硅质基底1的中心空腔内配置有悬空质量块4，悬空质量块4由两根相同敏感梁2和两根相同补充梁3支撑，两根相同的敏感梁2分别与悬空质量块4的一组对边相连，两根相同补充梁3则分别与悬空质量块4的另一组对边相连，硼玻璃6与悬空质量块4下底面预留有工作间隙，以使质量块4有足够可振动的空间，当传感器在正常工作时，质量块4能始终保持悬空状态，而在某些过载环境下其下底面能够与硼玻璃6接触，以防止过载破坏传感器芯片。
参照附图2、附图3、附图4、附图5，两根相同敏感梁2末端上对称的布置了两个相同的压电薄膜5，在两个相同压电薄膜5的下表面与敏感梁2上表面结合处布置一Pt金属层作为下电极7，在下电极与敏感梁2之间布置一Ti金属层9以提高下电极7与敏感梁2的结合力，在两个相同压电薄膜5的上表面布置Pt金属层作为上电极8，通过下电极7及上电极8在焊盘10上将两个压电薄膜产生的电荷输出，并且在压电薄膜5与上电极8之间有一极薄绝缘质11，绝缘质11的作用是避免在沉积上电极8的时候上电极8与下电极7接触。
所述的敏感梁2的宽度比补充梁3的宽度大10～110μm。
所述的补充梁3的长度比敏感梁2的长度大100～600μm。
所述的敏感梁2与补充梁3的厚度相同。
所述的两根相同的敏感梁2、两根相同的补充梁3以及悬空质量块4处于同一水平高度。
所述的悬空质量块4与两根相同的敏感梁2、两根相同的补充梁3以及硅质基底1的框架有200～350μm的间隙，保证悬空质量块4受振动时不影响敏感梁2及补充梁3的运动。
所述的悬空质量块4与硼玻璃6之间存在着5～12μm的间隙。
本发明的微压电加速度传感器芯片的工作原理为：
利用压电敏感元件的正压电效应，当加速度传感器被固定在被测振动物体上时，压电元件受到传感器质量块的惯性力作用，产生与所受力成正比的电荷，该电荷与质量块的加速度成正比，当被测物体的振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器敏感元件产生的正电荷量同传感器绝对加速度成正比。
参照附图6，当传感器芯片受到某一加速度作用时，根据牛顿第二定律：会产生一个与所施加加速度成正比的惯性力作用于悬空质量块4上，致使其产生一定位移，敏感梁2和补充梁3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变。压电薄膜5置于敏感梁2上表面，当受到敏感梁2上的应变作用时，压电薄膜5-1和5-2也发生形变，根据压电元件的压电效应可知，压电薄膜5-1和5-2上发生形变，使压电元件内的介电体内正负电荷中心相对位移而极化，在压电薄膜5-1和5-2的上下表面产生数量相等、符号相反的束缚电荷，并通过上电极8和下电极7将压电薄膜表面电荷引出，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。
微压电加速度传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：
a)用氟化氢HF酸溶液清洗双面抛光的单晶硅片，单晶硅片规格为n型，(100)晶面；
b)清洗后脱水烘干，通过干法热氧化法在单晶硅片表面双面氧化SiO2层；
c)在已氧化的单晶硅片的双面涂覆光刻胶，单晶硅片正面保护，用光刻板在单晶硅片背面采用干法刻蚀，刻蚀出质量块4；
d)在单晶硅片正面光刻，用光刻板在硅晶圆上用等离子体刻蚀ICP法刻蚀形成敏感梁2和补充梁3结构；
e)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成下电极7图形；溅射、正胶剥离，形成Ti-Pt金属层作为下电极7，溅射过程中没有衬底加热；
f)采用改性的溶胶-凝胶Sol-Gel工艺在Ti-Pt电极上制备压电薄膜5，并用光刻板作为掩膜采用湿法对未结晶的压电薄膜2进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶处理；
g)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成绝缘质11图形；溅射、正胶剥离，形成绝缘质11；
h)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成上电极8图形；溅射、正胶剥离，形成Pt金属层作为上电极8；
i)在硼玻璃6的正面刻蚀出5～12μm的微小空间，保证悬空质量块4有足够的振动空间；
j)在单晶硅片背面光刻去除之前工艺步骤中留下的二氧化硅层；通过阳极键合技术在硅质基底1的背面粘结硼玻璃6；
k)在单晶硅片正面光刻，去除芯片中焊盘10上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片得到压电微加速度传感器芯片。
其中，压电薄膜的具体制备方法如下：
a)采用硝酸锆、醋酸铅和钛酸正丁脂为原料合成锆钛酸前驱液，并以乙二醇甲醚和乙酰丙酮分别作为溶剂和稳定剂，前驱体溶胶的锆、钛摩尔比为1:1；由于属醇烷氧化物的粘度较大，需极性溶液以增加反应的均匀性，所以采用强极性的乙二醇甲醚(高蒸汽压、较低的表面张力、易于挥发、干燥)作为溶剂；而不同醇盐的水解和聚合速度不同，就会形成不均匀的凝胶，必须用具有鳌合作用的有机基团控制醇盐的水解速度，采用乙酰丙酮作为螯合剂，可稳定锆和钛的金属离子；
b)采用旋转涂覆法，先将胶体滴在基片表面，待其均匀铺展后，利用旋转的方式使胶体涂覆均匀在衬底表面，匀胶速度3000～4000r/min，匀胶30～40s；
c)每次旋涂完毕后，需对胶体进行热处理，在200～250℃下烘烤5～6min，以去除有机成分；如果溶剂未去除干净，则在高温下会剧烈燃烧，使薄膜作废甚至危及实验设备的安全；如果有机物未排除干净，则燃烧后会在薄膜中留下孔洞，影响薄膜性能。
d)在600～650℃下退火30～60min，并将上述旋涂和热处理进行若干次重复直至达到所需求的压电薄膜厚度。
对单悬臂梁结构、双悬臂梁结构、四敏感梁结构、双敏感梁-双补充梁结构和本发明的四岛-四梁结构进行灵敏度、最大应变量以及谐振频率分析(加载加速度800m/s2)，得到的结果如图1所示：
图1单悬臂梁结构、双敏感梁结构、四敏感梁结构、双敏感梁-双补充梁结构以及本发明的四岛-四梁结构比较结果：
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。通过结果可以看出，单悬臂梁结构的压电加速度传感器芯片灵敏度最高，但横向效应系数大，特别是X方向的横向效应系数很大，且谐振频率低；双悬臂梁结构的压电加速度传感器芯片的谐振频率和灵敏度较大，但是横向效应系数大，特别是X方向的横向效应系数很大，在使用过程中容易受此方向的加速度影响；四敏感梁结构的压电加速度传感器芯片的谐振频率高，横向效应系数小，但灵敏度低；双敏感梁-双补充梁结构的压电加速度传感器芯片谐振频率较高，横向效应系数很小，灵敏度比四敏感梁结构稍高；本发明芯片灵敏度高，横向效应系数很小，且谐振频率也较低，能满足高灵敏度低侧向效应的要求，且也能改进因为加工工艺条件及加工精度低而造成灵敏度低的问题。根据比较可得出结论：本发明微压电加速度传感器芯片能满足高灵敏度低侧向效应的要求。
Claims (8)
1.微压电加速度传感器芯片，包括硅质基底(1)，硅质基底(1)的背面与硼玻璃(6)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:两根相同敏感梁(2)分别与悬空质量块(4)的一组对边相连，两根相同补充梁(3)则分别与悬空质量块(4)的另一组对边相连，两根敏感梁(2)和两根相同补充梁(3)共同支撑悬空质量块(4)，使其保持悬空状态，硼玻璃(6)与悬空质量块(4)下底面预留有工作间隙；
两根相同敏感梁(2)末端布置了两个压电薄膜(5)，通过芯片上的上电极(8)及下电极(7)将产生的电压输出。
2.根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的敏感梁(2)的宽度比补充梁(3)宽度大10～110μm。
3.根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于：补充梁(3)的长度比敏感梁(2)长度大100～600μm。
4.根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于：敏感梁(2)与补充梁(3)的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的两根相同的敏感梁(2)、两根相同的补充梁(3)以及悬空质量块(4)处于同一水平高度。
6.根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的悬空质量块(4)与敏感梁(2)、补充梁(3)以及硅质基底(1)的框架有200～350μm的间隙，保证悬空质量块(4)受振动时不影响敏感梁(2)及补充梁(3)的运动。
7.根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的悬空质量块(4)与硼玻璃(6)存在着5～12μm的间隙。
8.微压电加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)用氟化氢HF酸溶液清洗双面抛光的单晶硅片，单晶硅片规格为n型，(100)晶面；
b)清洗后脱水烘干，通过干法热氧化法在单晶硅片表面双面氧化SiO2层；
c)在已氧化的单晶硅片双面涂覆光刻胶，单晶硅片正面保护，用光刻板在单晶硅片背面采用干法刻蚀，刻蚀出质量块(4)；
d)在单晶硅片正面光刻，用光刻板在硅晶圆上用等离子体刻蚀ICP法刻蚀形成敏感梁(2)和补充梁(3)结构；
e)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成下电极(7)图形；溅射、正胶剥离，形成Ti-Pt金属层作为下电极(7)，溅射过程中没有衬底加热；
f)采用改性的溶胶-凝胶Sol-Gel工艺在Ti-Pt电极上制备压电薄膜(5)，并用光刻板作为掩膜采用湿法对未结晶的压电薄膜(2)进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶处理；
g)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成绝缘质(11)图形；溅射、正胶剥离，形成绝缘质(11)；
h)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成上电极(8)图形；溅射、正胶剥离，形成Pt金属层作为上电极(8)；
i)在硼玻璃(6)的正面刻蚀出5～12μm的微小空间，保证悬空质量块(4)有足够的振动空间；
j)在单晶硅片背面光刻去除之前工艺步骤中留下的二氧化硅层；通过阳极键合技术在硅质基底(1)的背面粘结硼玻璃(6)；
k)在单晶硅片正面光刻，去除芯片中焊盘(10)上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片得到压电微加速度传感器芯片。
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