CN107389981B - 一种转换测量方向的mems加速度计及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种转换测量方向的MEMS加速度计及其制造工艺，包括上盖板、器件层以及下盖板；所述器件层包括：锚点、质量块以及连接所述锚点和质量块的弹性梁；所述锚点与所述上盖板以及下盖板相固定；所述质量块的一端连接有弹性梁组，所述弹性梁组包括至少两根对称设置的弹性梁；每根所述弹性梁包括末端和折叠端，所述弹性梁的末端分别与锚点和质量块相连接；每根所述弹性梁的折叠端形成有梳齿结构；两根所述弹性梁上的梳齿结构相互重叠形成加速度检测结构，所述加速度检测结构通过检测所述梳齿结构之间的间距变化来检测加速度；所述梳齿之间的间距变化与所述加速度方向相垂直。

Description

一种转换测量方向的MEMS加速度计及其制造工艺

技术领域

本发明涉及一种MEMS传感器，特别是一种转换测量方向的MEMS加速度计及其制造工艺。

背景技术

现今，加速度计可适用于诸多应用，例如在测量地震的强度并收集数据、检测汽车碰撞时的撞击强度、以及在手机及游戏机中检测出倾斜的角度和方向。而在微电子机械系统(MEMS)技术不断进步的情况下，许多微米级的小型加速度测量仪已经被商业化广泛采用。

常用的MEMS的加速度计分压阻式和电容式两种，压阻式加速度计例如申请号为200480003916.7、公开日为2006年3月15日的中国发明专利申请。压阻式加速度计一般有悬臂梁及质量块构成，并将力敏电阻设置在悬臂梁上。质量块会因加速度而运动，使得悬臂梁变形，从而引起电阻值的变化。但在没有加速度或者加速度幅度比较微小的情况下，悬臂梁不会产生巨大变形。使得电阻值没有显著变化。只有当加速度的幅度大至悬臂梁产生变形时，该加速度计才能检测到加速度。为此，该加速度计有测量不准、精确度不高等缺点。

电容式加速度计则是通过检测电容变化来检测加速度。而电容式加速度计又分为梳齿式和面板式加速度计。在面板式加速度计中，质量块和上、下盖板之间形成有电容。当质量块因外界加速度而产生位移时，质量块和上、下盖板之间间隙距离会产生变化，进而带来电容量的变化。通过测量电容量的变化可以计算出加速度。而梳齿式加速度计则是通过在质量块和框架或者锚点上分别形成梳齿结构。当质量块因加速度产生位移时，质量块和框架之间梳齿结构的间距或者重叠面积会产生变化，进而带来电容量的变化。通过测量电容量的变化可以计算出加速度。

然而，无论是压阻式、梳齿式或是面板式加速度计，其测量方向均与质量块的位移方向一致。而且加速度的检测信号强度与质量块的位移幅度基本是1:1的比例关系。换句话说，当质量块位移了1微米时，则会产生1微米相对应的信号强度。但当质量块的位移幅度小的时候，信号则比较弱。为此，其检测的灵敏度不高。

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，提供一种转换测量方向的MEMS加速度计及其制造工艺，其具有较高的灵敏度、并且检测误差小、性能稳定。

一种转换测量方向的MEMS加速度计，包括：上盖板、器件层以及下盖板；所述器件层包括：锚点、质量块、连接梁以及连接所述锚点和质量块的弹性梁；所述锚点与所述上盖板以及下盖板相固定；所述质量块的一端连接有弹性梁组，所述弹性梁组包括至少两根对称设置的弹性梁；每根所述弹性梁包括末端和折叠端，所述弹性梁的一末端与锚点相连接，另一末端与所述质量块相连接；每根所述弹性梁的折叠端形成有梳齿结构；两根所述弹性梁上的梳齿结构相互重叠形成加速度检测结构，所述加速度检测结构通过检测所述梳齿结构之间的间距变化来检测加速度；所述梳齿之间的间距变化与所述加速度方向相垂直。

本发明中的加速度计还具有以下附属特征：

所述质量块相对的一端也连接有弹性梁组，所述质量块两端的两组弹性梁组中的加速度检测结构通过差分检测加速度。

所述弹性梁包括V型、W型、U型弹性折叠梁。

所述弹性梁的折叠端的夹角在30至150度之间。

所述弹性梁的折叠端的夹角在60至120度之间。

所述梳齿结构包括梳齿以及连接所述梳齿的齿枢，所述齿枢与所述弹性梁的折叠端相连接。

所述质量块上形成有镂空部，所述弹性梁以及加速度计检测结构设置在所述镂空部中。

所述质量块中设置有氧化硅间隔层，所述氧化硅间隔层设置在所述质量块与所述弹性梁的连接区域四周，并对所述连接区域电隔离。

所述质量块与所述锚点之间还连接有连接梁，所述连接梁限制所述质量块的位移方向。

所述质量块与所述锚点之间还形成有力反馈梳齿结构。

一种MEMS加速度计的制造工艺，所述制造工艺包括以下步骤：

第一步，通过光刻以及刻蚀，在绝缘体上硅片的底面上刻蚀出多个深至氧化埋层的槽；

第二步，利用高温生长或者化学淀积法，在所述槽以及所述绝缘体上硅片的底面上形成二氧化硅层；

第三步，通过光刻以及刻蚀，在所述绝缘体上硅片的底面的二氧化硅层上刻蚀出多个深至下硅层的槽；

第四步，进一步刻蚀所述深至下硅层的槽至所述二氧化硅层，形成锚点、质量块、弹性梁以及梳齿结构；

第五步，将所述绝缘体上硅片的底面与制作好的下盖板进行键合；

第六步，将所述绝缘体上硅片的上硅层去除；

第七步，将所述绝缘体上硅片的氧化埋层去除，形成自由活动的质量块；

第八步，将所述绝缘体上硅片的顶面与制作好的上盖板进行键合，形成完整的加速度计。

对于所述上盖板以及所述下盖板的加工步骤包括：利用光刻和刻蚀在所述上盖板及所述下盖板的表面形成凹槽。

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、反应离子、以及气态的二氟化氙刻蚀和氧化硅的反应离子、等离子、以及气态的氟化氢刻蚀。

用于湿法刻蚀所述上硅层及下硅层的刻蚀剂为以下刻蚀剂中的一种或多种的组合：氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、或乙二胺邻苯二酚腐蚀液。

所述用于湿法刻蚀所述二氧化硅层的刻蚀剂为以下刻蚀剂中的一种或多种的组合：氢氟酸以及缓冲氢氟酸。

相对于传统的加速度计，本发明的技术方案具有以下优点：首先，本发明中检测方向与质量块的位移方向相垂直，降低了串扰和噪声对检测结果的影响。而且在检测加速度时，上下两根V型弹性梁均会产生相同幅度的形变，进而使得两组梳齿之间产生方向相反的位移。而且本发明中的梳齿检测机构采用的是两组均可移动的梳齿。相对于传统技术中采用的固定梳齿和移动梳齿的结构来说，在同样的质量块位移幅度下，本发明的方案所输出的检测信号则会是传统加速度计的两倍甚至更多，进而提高了对加速度的检测灵敏度。而且本发明通过差分的方式来计算加速度，使得加速度计的整体检测灵敏度和检测精度更高。其次，由于本发明中是通过检测弹性梁的形变导致的梳齿间距变化来计算加速度，提高了检测梳齿的使用效率，在对系统灵敏度要求不变的前提下，可以适当减少质量块体积，节约芯片面积。或者使用该面积增加质量块的体积来进一步提高系统的灵敏度。同理，传统梳齿检测机构中包括了定齿和动齿，又会出现用来固定定齿所用齿枢结构。大大降低了检测梳齿的效率以及空间的使用效率。

附图说明

图1为加速度计的剖面图。

图2为本加速度计第一种实施例中器件层的俯视图。

图3为加速度计中第一种实施例中质量块检测加速度时的示意图。

图4为加速度计的第二种实施例中器件层的俯视图。

图5为加速度计中在第二实施例中质量块检测加速度时的示意图。

图6为加速度计芯片制造工艺的初始状态以及第一步的示意图。

图7为加速度计芯片制造工艺的第二步、第三步示意图。

图8为加速度计芯片制造工艺的第四步、第五步示意图。

图9为加速度计芯片制造工艺的第六步示意图。

图10为加速度计芯片制造工艺的第七步、第八步示意图。

图11为加速度计芯片制造工艺的第九步示意图。

上盖板1、器件层2、下盖板3、二氧化硅层4、二氧化硅间隔层41、上硅层5、下硅层6、锚点21、质量块22、连接梁23、弹性梁24、折叠端241、齿枢251、梳齿252、力反馈梳齿253、镂空部26。

具体实施方式

下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

参照图1，按照本发明提供的一种转换测量方向的MEMS加速度计，包括相互连接的上盖板1、器件层2、以及下盖板3。

实施例1

图2为本发明中MEMS加速度计的器件层2的俯视图，其中，器件层包括：锚点21和质量块22。所述锚点21与所述上盖板1以及下盖板3相固定。所述质量块22和锚点21之间连接有连接梁23和弹性梁24。其中，连接梁23设置在质量块22的四个端角，并将所述质量块的位移方向限制在一个方向上。在图2中，质量块22被限制只能在X轴方向上进行位移。弹性梁24沿质量块对称设置有两根。每个弹性梁包括：末端和折叠端241。弹性梁的末端分别与锚点21和质量块22相连接。质量块22与弹性梁24的连接区域的四周设置有二氧化硅间隔层41。二氧化硅间隔层41对连接区域进行电位隔离。

而弹性梁24的折叠端241上形成有梳齿结构。所述梳齿结构包括与折叠端241相连接的齿枢251以及从齿枢251上延伸出的梳齿252。两根弹性梁24上的梳齿252相互重叠形成加速度检测结构。在图2中，一组梳齿结构由阴影表示。优选地，弹性梁24包括V型、W型、U型等形状的弹性折叠梁，折叠端的夹角在30至150度之间，折叠端的夹角优选在60至120度之间。而弹性梁24在质量块22位移方向上的刚度不大于连接梁23在质量块22位移方向上的刚度。此外，质量块22上设置有镂空部26，所述弹性梁24、齿枢251以及梳齿252均设置在镂空部26中。

参照图2及3，当质量块22受到加速度计在X轴上产生位移时，弹性梁24会产生一定的拉伸或者压缩的形变。而该形变会使得弹性梁24的折叠端241在Y轴方向上产生位移，进而带动齿枢251和梳齿252的位移。由于两根弹性梁24是沿质量块22对称设置，所以两根弹性梁的折叠端241之间的间距会因为质量块的位移增大或者减小，同样使得两根弹性梁24上的梳齿252之间的间距变大或者变小。而根据两块金属片之间的电容公式

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。两组梳齿252之间的间距变化会导致梳齿252之间的电容变化，进而可以根据电容的变化计算出加速度的幅度和方向。通过将图2和图3进行对比后可以发现，图3中质量块22因加速度沿箭头X方向产生了位移。其中，与箭头X方向相同方向的连接梁23被压缩，另一端的连接梁23被拉伸。同时，V型的弹性梁24同样会有压缩形变，以至于与该弹性梁24相连接的两组梳齿252之间的间隙变得更小，进而增加了梳齿252之间的电容变化量。

参照图2，此外，在质量块22和锚点21之间还设置有力反馈梳齿253，所述力反馈梳齿253用于将质量块22产生位移后归位到平衡位置。

实施例2

图4示出了本发明的一种优选实施例，其中，在质量块22的两端分别设置了一组弹性梁组。每个弹性梁组中包括两根对称设置的弹性梁24。同理，弹性梁24包括末端和折叠端241。折叠端241上设置有齿枢251和梳齿252,两组梳齿252相互重叠形成了加速度检测结构。

参照图4，在本实施中，当质量块22受到加速度产生位移时，质量块22一端的弹性梁组会产生拉伸形变，而另一端的弹性梁组会产生压缩形变。为此，质量块22一端的梳齿252间距会增大，另一端的梳齿252间距会减少。通过差分的计算方法，可以更精确地从两组梳齿252的不同的电容变化中计算出加速度。

对比图4与图5，同理，在本实施例中，质量块22因加速度沿箭头X方向产生了位移。其中，与箭头X方向相同方向的连接梁23被压缩，另一端的连接梁23被拉伸。此外，与箭头X方向相同方向一端的V型弹性梁24同样会有压缩形变，以至于与该弹性梁24相连接的梳齿结构中两对梳齿252的间隙变得更小，增加了梳齿252之间的电容量。而与箭头X方向相反一端的弹性梁24则会被拉伸，使得与其相连接的两对梳齿252之间的间隙变得更大，使得梳齿252之间的电容量变小。再通过差分的计算方法，可以从这两组梳齿结构的电容变化更加精确地计算出加速度的幅度和方向。

接下来，参照图6至图11对本陀螺仪的制造工艺进行进一步的描述。其中，本陀螺仪的测量体2采用了绝缘体上硅(SOI)结构，其包括上硅层5，下硅层6以及设置在上硅层5和下硅层6之间的二氧化硅层4。其中，二氧化硅层4也可被称为氧化埋层。其具体的加工步骤包括：

第一步，在所述绝缘体上硅硅晶圆片的底面上涂覆光刻胶，之后按照特定图案对所述底面进行曝光，并用显影剂将已曝光的光刻胶去除，以及将未经曝光的光刻胶烘烤。这样被曝光的图案就会显现出来。利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚在下硅层6上刻蚀出多个深至二氧化硅层4的槽。

第二步，通过高温生长，或者等离子体化学汽相淀积(PECVD)的方法在所述下硅层6的槽中生长或者淀积一层二氧化硅4。

第三步，通过高温生长，或者等离子体化学汽相淀积(PECVD)的方法在所述绝缘体上硅硅晶圆片的底面生长或淀积一层二氧化硅层4。

第四步，在所述绝缘体上硅硅晶圆片的底面上涂覆光刻胶，之后按照特定图案对所述底面进行曝光，并用显影剂将已曝光的光刻胶去除，及将未经曝光的光刻胶烘烤。这样被曝光的图案就会显现出来。再用反应离子或等离子干法刻蚀、或氢氟酸腐蚀、对底面的二氧化硅层4进行刻蚀，形成深至下硅层6的槽。

第五步，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，对第四步中形成的深至下硅层6的槽进一步刻蚀至氧化埋层4。从而形成器件层2中的各个器件。

第六步，使用阳极键合或者金属热压键合，将所述绝缘体上硅硅晶圆片的底面与预先刻蚀出凹槽的下盖板3键合在一起。

第七步，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上硅层5去除。

第八步，利用再用反应离子或等离子干法刻蚀或氢氟酸腐蚀，将氧化埋层4去除，形成自由活动的器件层2部件。

第九步，使用阳极键合或者金属热压键合，将所述绝缘体上硅硅晶圆片的顶面与预先刻蚀出凹槽的上盖板1键合在一起。

此外，本发明中的上盖板1和下盖板3也可以由玻璃制成。使用玻璃制作盖板的优点在于：硅-玻璃键合温度低，不会影响之前的金属电极及引线。当上盖板1和下盖板3由玻璃制成时，上述制造工艺步骤中的第六步以及第九步则会采用硅-玻璃键合，将所述绝缘体上硅硅晶圆片与所述上盖板1和下盖板3相键合。

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。

相对于传统的MEMS加速度计，本发明中的加速度计检测方向和质量块的位移方向相互垂直，降低了串扰和噪音对检测结果的影响。而且在检测加速度时，上下两根V型弹性梁24均会产生相同幅度的形变，进而使得两组梳齿252之间产生方向相反的位移。与传统的加速度计技术方案相比，在同样的质量块位移幅度下，本发明的方案所输出的检测信号则会是传统加速度计的两倍甚至更多，进而提高了对加速度的检测灵敏度。另外，尤其是在第二种实施例中，通过在质量块22的两端分别设置两组弹性梁组，并利用差分的检测方法来检测加速度，使得本发明的检测灵敏度更高。通过模拟实验，申请人发现本发明的检测灵敏度是传统加速度计灵敏度的2.5倍以上。另外，由于本发明是通过弹性梁24的形变来检测加速度，并且在质量块22和锚点21之间设置了力反馈电极253，提高了整体系统的检测灵敏度，也保证了力反馈的控制精度。而且由于刻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加速度计具有灵敏度高、误差小、成本低等优点。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种MEMS加速度计，包括：上盖板、器件层以及下盖板；所述器件层包括：锚点、质量块以及连接所述锚点和质量块的弹性梁和连接梁；所述锚点与所述上盖板以及下盖板相固定；其特征在于，所述质量块的一端连接有弹性梁组，所述弹性梁组包括至少两根对称设置的弹性梁；每根所述弹性梁包括末端和折叠端，所述弹性梁的一末端与锚点相连接，另一末端与所述质量块相连接；每根所述弹性梁的折叠端形成有梳齿结构；两根所述弹性梁上的梳齿结构相互重叠形成加速度检测结构，所述加速度检测结构通过检测所述梳齿结构之间的间距变化来检测加速度；所述梳齿之间的间距变化与所述加速度方向相垂直。

2.根据权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述质量块相对的一端也连接有弹性梁组，所述质量块两端的两组弹性梁组中的加速度检测结构通过差分检测加速度。

3.根据权利要求2所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述弹性梁包括V型、W型、U型弹性折叠梁。

4.根据权利要求3所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述弹性梁的折叠端的夹角在30至150度之间。

5.根据权利要求4所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述弹性梁的折叠端的夹角在60至120度之间。

6.根据权利要求2所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述连接梁分别设置在所述质量块的端角，所述连接梁限制所述质量块的位移方向。

7.根据权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述梳齿结构包括梳齿以及连接所述梳齿的齿枢，所述齿枢与所述弹性梁的折叠端相连接。

8.根据权利要求7所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述质量块中设置有二氧化硅间隔层，所述二氧化硅间隔层设置在所述质量块与所述弹性梁的连接区域四周，并对所述连接区域电隔离。

9.根据权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述质量块与所述锚点之间还形成有力反馈梳齿结构。