CN106501548A - 一种双差分的全硅结构的微加速度计及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双差分全硅结构的微加速度计及其制造方法，涉及微电子机械系统领域。本发明首先通过基底耦合的方式，使4个类似的斜梁‑敏感质量块结构在外部环境的作用下都发生基本一致的形变；然后通过双差分的检测方法a=k(ΔCa‑ΔCb)，将外界环境造成的扰动抑制掉，从而提高了器件的长期稳定性和温度稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统领域，更具体地说涉及一种双差分的全硅结构的微加速度计及其制造方法。
背景技术
采用电容检测的硅微加速度计由于其工艺加工成熟、测量精度高，在民用市场和军用市场上都得到了广泛的应用。然而，这些微加速度计都容易受到外界环境的干扰，而产生零位漂移或者是温度漂移，从而限制了其在高精度惯性测量领域的应用。
国家知识产权局于2010年7月28日，公开了一件公开号为CN101786593A的发明专利，该发明专利公开了一种差分式高精度加速度计的加工方法。加速度计包括自上而下依次连接的电极盖板、梁-质量块结构的可动硅结构组件、下电极盖板。该方法包括：采用玻璃片或单晶硅圆片作为基片，加工所述上电极板和下电极板；以双器件层SOI单晶硅圆片作为基片，加工所述梁-质量块结构的可动硅结构组件；将基片加工的上、下电极板与所述可动硅结构组件基于键合方式连接。该发明采用一片硅圆片即完成了可动硅结构组件的加工，避免了通常采用的高温硅-硅键合工艺制备可动硅结构组件，降低了工艺难度，降低了最高工艺温度，消除了硅-硅键合引入的键合应力问题。并且，梁-质量块结构具有通用性。
然而在实际的使用过程中，这种单差分检测式的微加速度计都会受到外界环境的干扰（封装应力、热应力等），然后通过基底将应力传导到微机电芯片上，使得微结构发生形变。例如，当外界温度升高时，由于基底材料和微机电芯片的热膨胀系数不匹配，梁-敏感质量块结构都会在热应力的作用下发生一定量的偏移。这种偏移是无法被传统电容式微加速度计的单差分检测方法（ΔC=C1-C2）所抑制，从而带来微加速度计的零位漂移或者是温度漂移，最终导致产品的性能下降。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种双差分的全硅结构的微加速度计及其制造方法。本发明提供的微加速度传感器，首先通过基底耦合的方式，使4个类似的斜梁-敏感质量块结构在外部环境的作用下都发生基本一致的形变；然后通过双差分的检测方法a=k(ΔCa-ΔCb)，将外界环境造成的扰动抑制掉，从而提高了器件的长期稳定性和温度稳定性。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种双差分的全硅结构微加速度计，其特征在于：包括上层硅盖板、中间敏感硅结构层和下层SOI硅片盖板；所述上层硅盖板、中间敏感硅结构层和下层SOI硅片盖板均是采用各项异性湿法腐蚀工艺制备，并通过硅-硅键合形成一个封闭的、呈中心对称的整体结构；所述中间敏感硅结构层包括四个按特定方位分布、正交摆放的敏感质量块-斜悬臂梁结构；所述敏感质量块-斜悬臂梁结构与上下极板构成一组差分检测电容；所述四组差分检测电容通过一块硅基底耦合在一起，从而实现在外界环境扰动时发生基本一致的形变；所述每两组差分检测电容再通过金属引线连接在一起，通过第二次的差分计算来对一个方位的加速度进行检测，并同时抑制掉了外界环境的干扰；四组差分检测电容可对面内两个正交方向x轴和y轴的加速度进行测量。
所述敏感质量块-斜悬臂梁结构的敏感质量块是由一根单斜悬臂梁支撑的，所述四个敏感质量块-斜悬臂梁结构的斜悬臂梁呈镜像关系。
所述斜悬臂梁的截面为平行四边形，上下表面由单晶硅100晶面构成，两侧表面由单晶硅111晶面构成。
所述斜悬臂梁的敏感轴方向与硅片平面存在一定的夹角，因此每一个质量块同时对两个正交轴的加速度敏感。
所述夹角为35.3º。
所述下层SOI硅片盖板由两层硅基底和中间SiO2埋层构成；所述上层硅基底由深腐蚀的沟槽隔绝成四块独立电极结构；所述下层硅基底完整的连接在一起，构成一个平整的底部硅基底，从而实现了四组差分电容检测结构的基底耦合。
所述上层硅盖板、中间敏感硅结构层和下层SOI硅片盖板上分别设置有引线键合焊盘，各层上都有四组形状一致、对称分布的引线焊盘区，焊盘的材料为金或铝。所述引线键合焊盘区除了要实现常规的电极引出功能外，还要实现两组差分检测电容的再一次差分计算，具体而言：即差分电容a的上电极与差分电容b的下电极相连，a的下电极与b的上电极相连，a和b的中间电极相连，再把这三个电极分别引出。
所述上层硅盖板和中间敏感硅结构层均采用n型100低电阻单晶硅片制作，厚度为380μm；所述下层SOI硅片盖板采用n型100低电阻的SOI硅片制作，由上下两层硅基底和中间SiO2埋层构成，总厚度为380μm，上下硅基底层厚度相等。
所述中间敏感硅结构层的正反两面的外框上布置有SiO2绝缘层；SiO2绝缘层的厚度为2μm。所述热氧化SiO2绝缘层用于电学绝缘，并决定了检测电容的初始距离值。
一种双差分的全硅结构的微加速度计的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
A．选用厚度为380μm的n型100低电阻双面抛光的单晶硅片，先生长一层介质掩膜层（氧化硅或氮化硅），然后通过双面光刻技术和单晶硅的各项异性湿法腐蚀工艺加工出四个完全一致的上电极；
B．再次选用与步骤A一样的单晶硅片，正反双面同时热氧化2μm厚的SiO2并通过光刻和腐蚀工艺加工出SiO2绝缘层，然后沉积一层氮化硅掩膜层，最后通过双面光刻技术和各项异性湿法腐蚀工艺加工出形状类似、正交摆放的四组敏感质量块-斜悬臂梁结构；
C．选用n型100低电阻的SOI硅片，其Si/ SiO2/Si为 190/0.5/190μm，然后与步骤A一样，通过各项异性湿法腐蚀工艺，在上表面加工出四个形状一致的下电极，下表面加工成一个完整的底部硅基底；
D．将加工好的三层硅片，通过高温硅-硅熔融键合的方式键合在一起；
E．采用硬掩膜的方法，在引线键合焊盘区上溅射一层金属焊盘；
F．完成晶圆切割、芯片贴片、引线键合和封帽等封装工艺，实现与检测电路的集成。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、通过四组特殊摆放的敏感质量块-斜悬臂梁结构和基底耦合技术，实现了对面内x轴和y轴加速度的双差分检测，与传统的单差分电容式检测方法相比，可以通过再一次的差分屏蔽掉外界环境的干扰，比如外部扰动、封装应力或热应力等引起敏感微结构发生的轻微形变，从而提高了器件的长期稳定性和温度稳定性。
2、敏感质量块采用单端固定的斜悬臂梁结构来支撑，使得每一个质量块同时对两个正交轴的加速度敏感；同时单端固支的连接方式可以降低弹性梁的刚度，避免由于残余应力造成的梁翘曲，并且可以通过结构尺寸优化来避免运动过程中的扭转现象；
3、下层盖板选用SOI硅片，使得四组差分电容检测结构通过一个完整的硅基底耦合在一起，在外部环境的作用下会发生基本一致的形变；并且保证了微机电芯片主体上仍是全硅结构，避免了硅-玻璃结构的热膨胀系数不同的问题，有助于提高器件的热稳定性；
4、微机电结构全部采用硅的各向异性湿法腐蚀工艺制备，可以根据量程和精度的需求调整质量块的大小、悬臂梁的尺寸和电容的初始间隙值，拓宽了器件的使用范围，并增大了设计的灵活性。
5、电容间隙采用热氧化的方法制备，具有很高的面内一致性和硅片双面一致性，可以提高初始电容的精确性和产品的易生产性。
6、三层硅片采用高温熔融键合的方式组装在一起，高温的过程可以释放键合时的应力并去除键合界面的污染物，可以提高产品的稳定性。
7、可以在本发明的面内双轴微加速度计旁边，再添置一个传统的单差分摆式微加速度计；由于采用的是平面集成的方法，这种方式避免了三轴组装时的组装误差，减小了传感器的体积。
附图说明
图1 为本发明的整体结构示意图。
图2 为本发明的三层结构拆分后的示意图。
图3 为本发明的中间敏感硅结构层的俯视图。
图4 为本发明的中间敏感硅结构层的示意图。
图5 为图3中沿着A-A和B-B的剖面图。
图6 为本发明的上层硅盖板的示意图。
图7 为本发明的下层SOI硅片盖板的示意图。
图8 为传统的单差分式微加速度计在外界环境温度升高时，微结构发生形变的仿真示意图。
图9 为本发明的微加速度计在外界环境温度升高时，微结构发生形变的仿真示意图。
附图标记：1、上层硅盖板，11、上电极，12、上层引线键合焊盘区，2、中间敏感硅结构层，21、敏感质量块， 22、斜悬臂梁，23、SiO2绝缘层，24、外框，25、中间引线键合焊盘区，3、下层SOI硅片盖板，31、下电极，32、底部硅基底，33、SiO2埋层，34、下层引线键合焊盘区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1
作为本发明一较佳实施例，本实施例公开了：
一种双差分的全硅结构微加速度计，包括上层硅盖板1、中间敏感硅结构层2和下层SOI硅片盖板3；所述上层硅盖板1、中间敏感硅结构层2和下层SOI硅片盖板3均是采用各项异性湿法腐蚀工艺制备，并通过硅-硅键合形成一个封闭的、呈中心对称的整体结构；所述中间敏感硅结构层2包括四个按特定方位分布、正交摆放的敏感质量块-斜悬臂梁结构；所述敏感质量块-斜悬臂梁结构与上下极板构成一组差分检测电容；四组差分检测电容通过一块硅基底耦合在一起；每两组差分检测电容通过金属引线连接在一起。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-9，本实施例公开了：
一种双差分的全硅结构微加速度计，包括上层硅盖板1、中间敏感硅结构层2和下层SOI硅片盖板3；所述上层硅盖板1、中间敏感硅结构层2和下层SOI硅片盖板3均是采用各项异性湿法腐蚀工艺制备，并通过硅-硅键合形成一个封闭的、呈中心对称的整体结构；所述中间敏感硅结构层2包括四个按特定方位分布、正交摆放的敏感质量块-斜悬臂梁结构；所述敏感质量块-斜悬臂梁结构与上下极板构成一组差分检测电容；四组差分检测电容通过一块硅基底耦合在一起；每两组差分检测电容通过金属引线连接在一起；
所述敏感质量块-斜悬臂梁结构的敏感质量块21是由一根单斜悬臂梁22支撑的，所述四个敏感质量块-斜悬臂梁结构的斜悬臂梁22呈镜像关系；所述斜悬臂梁22的截面为平行四边形，上下表面由单晶硅100晶面构成，两侧表面由单晶硅111晶面构成。
所述斜悬臂梁22的敏感轴方向与硅片平面存在一定的夹角；所述夹角为35.3º。
实施例3
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-9，本实施例公开了：
一种双差分的全硅结构微加速度计，包括上层硅盖板1、中间敏感硅结构层2和下层SOI硅片盖板3；所述上层硅盖板1、中间敏感硅结构层2和下层SOI硅片盖板3均是采用各项异性湿法腐蚀工艺制备，并通过硅-硅键合形成一个封闭的、呈中心对称的整体结构；所述中间敏感硅结构层2包括四个按特定方位分布、正交摆放的敏感质量块-斜悬臂梁结构；所述敏感质量块-斜悬臂梁结构与上下极板构成一组差分检测电容；四组差分检测电容通过一块硅基底耦合在一起；每两组差分检测电容通过金属引线连接在一起；
所述敏感质量块-斜悬臂梁结构的敏感质量块21是由一根单斜悬臂梁22支撑的，所述四个敏感质量块-斜悬臂梁结构的斜悬臂梁22呈镜像关系；所述斜悬臂梁22的截面为平行四边形，上下表面由单晶硅100晶面构成，两侧表面由单晶硅111晶面构成；
所述斜悬臂梁22的敏感轴方向与硅片平面存在一定的夹角；所述夹角为35.3º。
所述下层SOI硅片盖板3由两层硅基底和中间SiO2埋层33构成；所述上层硅基底由深腐蚀的沟槽隔绝成四块独立电极结构；所述下层硅基底完整的连接在一起，构成一个平整的底部硅基底32。
所述上层硅盖板1、中间敏感硅结构层2和下层SOI硅片盖板3上分别设置有引线键合焊盘，各层上都有4组形状一致、对称分布的引线焊盘区，上层引线键合焊盘区12、中间引线键合焊盘区25和下层引线键合焊盘区34，焊盘的材料为金或铝。
所述上层硅盖板1和中间敏感硅结构层2均采用n型100低电阻单晶硅片制作，厚度为380μm；所述下层SOI硅片盖板3采用n型100低电阻的SOI硅片制作，由上下两层硅基底和中间SiO2埋层33构成，总厚度为380μm，上下硅基底层厚度相等。
所述中间敏感硅结构层的正反两面的外框24上布置有SiO2绝缘层23；SiO2绝缘层23的厚度为2μm。
实施例4
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了：
一种双差分的全硅结构的微加速度计的制造方法，包括以下步骤：
A．选用厚度为380μm的n型100低电阻双面抛光的单晶硅片，先生长一层介质掩膜层（氧化硅或氮化硅），然后通过双面光刻技术和单晶硅的各项异性湿法腐蚀工艺加工出四个完全一致的上电极11；
B．再次选用与步骤A一样的单晶硅片，正反双面同时热氧化2μm厚的SiO2并通过光刻和腐蚀工艺加工出SiO2绝缘层，然后沉积一层氮化硅掩膜层，最后通过双面光刻技术和各项异性湿法腐蚀工艺加工出形状类似、正交摆放的四组敏感质量块-斜悬臂梁结构；
C．选用n型100低电阻的SOI硅片（Si/ SiO2/Si: 190/0.5/190μm），然后与步骤A一样，通过各项异性湿法腐蚀工艺，在上表面加工出四个形状一致的下电极31，下表面加工成一个完整的底部硅基底；
D．将加工好的三层硅片，通过高温硅-硅熔融键合的方式键合在一起；
E．采用硬掩膜的方法，在引线键合焊盘区12、25、34上溅射一层金属焊盘；
F．完成晶圆切割、芯片贴片、引线键合和封帽等封装工艺，实现与检测电路的集成。
本发现采用敏感质量块-斜悬臂梁的结构进行加速度检测。由于其支撑悬臂不同于传统的悬臂结构，而是相当于硅片表面旋转了54.7°，所以每一对敏感质量块-斜悬臂梁结构同时对两个检测轴的加速度敏感。如图4所示，敏感结构a的差分检测电容值ΔCa=Ca上-Ca下=-k1ay+k2az，敏感结构b的差分检测电容值ΔCb=Cb上-Cb下=k1ay+k2az。通过ΔCa-ΔCb=Ca上+Cb下-Ca下-Cb上=-2k1ay进行检测电容的第二次差分，即可推算出y轴方向的加速度ay。x轴方向加速度的检测与此类似。
如图9所示，本发明的微加速度计在外界环境温度升高时，由于材料热膨胀系数的不同，其敏感微结构会发生一定形状的翘曲。三层硅结构的上下盖板都会发生下凹的变形，且变化尺寸差距不大；最关键的是，四个斜梁-质量块结构都发生了较大幅度的下倾，且下倾幅度相当。通过本发明的微加速度计的第二轮差分计算（ay正比于ΔCa-ΔCb），可以把这种外界环境变化所带来的形变抵消掉，因而提高整体器件的温度稳定性。
本发明的基于全硅结构的微加速度传感器，通过基底耦合和双差分的方法进行精密的电容检测，具有温度特性好、抗外界环境干扰能力强、测量精度高、加工工艺成熟、组装方法简单的优点；而且，通过适当的增加一组传统的单差分摆式微加速度计，即可构成用于三轴检测的高精度微加速度计组，在军用和民用市场上都有着广泛的应用前景。
本发明绝非仅局限于实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双差分的全硅结构微加速度计，其特征在于：包括上层硅盖板（1）、中间敏感硅结构层（2）和下层SOI硅片盖板（3）；所述上层硅盖板（1）、中间敏感硅结构层（2）和下层SOI硅片盖板（3）均是采用各项异性湿法腐蚀工艺制备，并通过硅-硅键合形成一个封闭的、呈中心对称的整体结构；所述中间敏感硅结构层（2）包括四个按特定方位分布、正交摆放的敏感质量块-斜悬臂梁结构；所述敏感质量块-斜悬臂梁结构与上下极板构成一组差分检测电容；四组差分检测电容通过一块硅基底耦合在一起；每两组差分检测电容通过金属引线连接在一起。
2.如权利要求1所述的一种双差分的全硅结构微加速度计，其特征在于：所述敏感质量块-斜悬臂梁结构的敏感质量块（21）是由一根单斜悬臂梁（22）支撑的，所述四个敏感质量块-斜悬臂梁结构的斜悬臂梁（22）呈镜像关系。
3.如权利要求1或2所述的一种双差分的全硅结构微加速度计，其特征在于：所述斜悬臂梁（22）的截面为平行四边形，上下表面由单晶硅100晶面构成，两侧表面由单晶硅111晶面构成。
4.如权利要求3所述的一种双差分的全硅结构微加速度计，其特征在于：所述斜悬臂梁（22）的敏感轴方向与硅片平面存在一定的夹角。
5.如权利要求4所述的一种双差分的全硅结构微加速度计，其特征在于：所述夹角为35.3º。
6.如权利要求1所述的一种双差分的全硅结构微加速度计，其特征在于：所述下层SOI硅片盖板（3）由两层硅基底和中间SiO2埋层（33）构成；所述上层硅基底由深腐蚀的沟槽隔绝成四块独立电极结构；所述下层硅基底完整的连接在一起，构成一个平整的底部硅基底（32）。
7.如权利要求1所述的一种双差分的全硅结构微加速度计，其特征在于：所述上层硅盖板（1）、中间敏感硅结构层（2）和下层SOI硅片盖板（3）上分别设置有引线键合焊盘，各层上都有四组形状一致、对称分布的引线焊盘区（12、25、34），焊盘的材料为金或铝。
8.如权利要求1或7所述的一种双差分的全硅结构微加速度计，其特征在于：所述上层硅盖板（1）和中间敏感硅结构层（2）均采用n型100低电阻单晶硅片制作，厚度为380μm；所述下层SOI硅片盖板（3）采用n型100低电阻的SOI硅片制作，由上下两层硅基底和中间SiO2埋层（33）构成，总厚度为380μm，上下硅基底层厚度相等。
9.如权利要求1或2所述的一种双差分的全硅结构微加速度计，其特征在于：所述中间敏感硅结构层（2）的正反两面的外框（24）上布置有SiO2绝缘层（23）；SiO2绝缘层（23）的厚度为2μm。
10.一种双差分的全硅结构的微加速度计的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
A．选用厚度为380μm的n型100低电阻双面抛光的单晶硅片，先生长一层介质掩膜层（氧化硅或氮化硅），然后通过双面光刻技术和单晶硅的各项异性湿法腐蚀工艺加工出四个完全一致的上电极（11）；
B．再次选用与步骤A一样的单晶硅片，正反双面同时热氧化2μm厚的SiO2并通过光刻和腐蚀工艺加工出SiO2绝缘层（23），然后沉积一层氮化硅掩膜层，最后通过双面光刻技术和各项异性湿法腐蚀工艺加工出形状类似、正交摆放的四组敏感质量块-斜悬臂梁结构；
C．选用n型100低电阻的SOI硅片，其中Si/ SiO2/Si的厚度为 190/0.5/190μm，然后与步骤A一样，通过各项异性湿法腐蚀工艺，在上表面加工出四个形状一致的下电极（31），下表面加工成一个完整的底部硅基底（32）；
D．将加工好的三层硅片，通过高温硅-硅熔融键合的方式键合在一起；
E．采用硬掩膜的方法，在引线键合焊盘区（12、25、34）上溅射一层金属焊盘；
F．完成晶圆切割、芯片贴片、引线键合和封帽等封装工艺，实现与检测电路的集成。
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