CN107782915B - 硅中空梁、基于硅中空梁的硅微加速度计及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅中空梁、基于硅中空梁的硅微加速度计及其制备方法，硅中空梁包括由SOI硅片采用干法腐蚀加工工艺形成的梁本体，且其横截面为中空形；微加速度计包括连接为一体的硅敏感结构和硅基板，硅敏感结构包括支撑梁以及敏感质量块组件，支撑梁的横截面为前述的硅中空形梁，敏感质量块组件通过支撑梁固定于固定锚点上；制备方法包括采用干法腐蚀加工制备的硅敏感结构；将硅敏感结构与带有电容板组件和引线电极的硅基板采用硅‑硅低应力键合，得到微加速度计。本发明具有抗干扰能力强、器件面积小、成品率高、成本低、稳定性高、加工质量高、加工鲁棒性好、应用范围广的优点。

Description

硅中空梁、基于硅中空梁的硅微加速度计及其制备方法

技术领域

本发明涉及硅微传感器技术，具体涉及一种硅中空梁、基于硅中空梁的硅微加速度计及其制备方法。

背景技术

加速度计主要用于测量运动物体相对惯性空间的运动参数。与传统的加速度相比，MEMS微加速度计技术，具有体积小、功耗低、易于批量化加工等特点，因而迅速成为研究的热点，其性能也在不断的提高，广泛应用于军事民用领域。

目前，国外的单轴微加速度计产品已经成熟并且得到了广泛的应用，国内对于单轴微加速度计的研究和开发力度也在不断的增大，已经有部分实验室研制出性能较高的工程样机，但如何结合现有的设计工艺制造探索结构简单、制造高效、性能卓越的单轴微加速度计具有重要的现实意义。硅微扭摆式加速度计具有体积小、可靠性高、耐冲击等一系列优点，因而受到各国的普遍重视，竞相研制，目前逐步在制导和汽车检测等领域中应用。但抗模态干扰能力差、噪声大、温度特性与鲁棒性受到自身结构的限制。

专利申请号为201410825011.3和201410606833.2的中国专利文献公开了两种微机械加速度计，但是两种方案中微加速计均为单根支撑梁结构，存在支撑梁弯曲模态干扰大的问题；并且两种方案均采用湿法腐蚀工艺制备，存在器件面积大、成品率低和加工成本高等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种抗干扰能力强、器件面积小、成品率高、成本低、稳定性高、加工质量高、加工鲁棒性好、应用范围广的硅中空梁，并进一步提供基于硅中空梁的硅微加速度计及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

首先，本发明提供一种硅中空梁，包括由SOI硅圆片采用干法腐蚀加工工艺形成的梁本体，所述梁本体由两条子梁相互平行构成，且两条子梁之间设有中空部，所述中空部以及梁本体两侧的蚀空位均为通过干法腐蚀加工工艺在同一块掩膜板进行干法腐蚀加工形成。

其次，本发明还提供一种基于硅中空梁的硅微加速度计，包括连接为一体的硅基板和硅敏感结构，所述硅敏感结构包括形成一体的支撑梁和敏感质量块组件，所述硅基板上设有电容板组件和引线电极，所述电容板组件设于敏感质量块组件下方且与敏感质量块组件间隙布置，所述引线电极和电容板组件相连，其特征在于：所述支撑梁和敏感质量块组件由同一块SOI硅圆片采用干法腐蚀加工工艺形成，所述支撑梁为权利要求1所述的硅中空梁。

优选地，所述敏感质量块组件包括两对敏感质量块，每一对敏感质量块包括质量不同且相对支撑梁对称布置的第一敏感质量块和第二敏感质量块，且两对敏感质量块中一对敏感质量块的第一敏感质量块和另一对敏感质量块的第二敏感质量块位于支撑梁的同一侧；所述电容板组件包括两个第一固定电容板和两个第二固定电容板，所述第一固定电容板和第一敏感质量块的相对面积、第二固定电容板和第二敏感质量块的相对面积之间大小相等，所述第一固定电容板分别布置于第一敏感质量块的下方，所述第二固定电容板分别布置于第二敏感质量块的下方，所述引线电极包括第一电极和第二电极，两个第一固定电容板通过导线相连构成一组检测电容且共用第一电极引出，两个第二固定电容板通过导线相连构成另一组检测电容且共用第二电极引出，两组检测电容差分得到硅微加速度计的输出电容。

优选地，所述第一敏感质量块和第二敏感质量块分别通过悬臂梁和支撑梁相连，每一对敏感质量块中第一敏感质量块的悬臂梁、第二敏感质量块的悬臂梁之间相对支撑梁对称布置。

优选地，所述悬臂梁由相互平行的两条悬臂子梁组成，使得两条悬臂子梁之间形成中空部。

优选地，所述第一敏感质量块通过一个侧边的中点和悬臂梁相连，所述第二敏感质量块通过一个侧边的中点和悬臂梁相连。

优选地，所述支撑梁的两端设有键合锚点，所述硅基板上设有一对键合凸台，所述键合凸台和键合锚点之间采用低应力键合方式进行键合连接。

优选地，所述硅敏感结构相对硅基板的一侧以结构中心呈全对称分布。

优选地，所述支撑梁上设有和支撑梁垂直交叉布置的应力释放结构，所述应力释放结构、支撑梁、敏感质量块组件由同一块硅片采用干法腐蚀加工工艺形成，所述一对键合锚点以应力释放结构为中线对称布置于硅敏感结构的两侧的中部。

再次，本发明还提供一种前的基于硅中空梁的硅微加速度计的制备方法，实施步骤包括：

a)准备第一片SOI硅片作为硅基底；

b)在硅基底的器件层第一次干法刻蚀形成硅基板和硅敏感结构之间的间隙；

c)在硅基底的器件层刻蚀形成硅基板和硅敏感结构之间的间隙上继续对硅基底第二次干法刻蚀完全去除器件层形成硅电极和引线；

d)在硅基底上热氧化生长一层二氧化硅；

e)在硅基底上刻蚀去除热氧化生长二氧化硅形成的牺牲层；

f)准备用于制备硅敏感结构的第二片SOI硅片，将第二片SOI硅片与硅基底进行低应力键合，使第二片SOI硅片与硅基底相连；

g)去除第二片SOI硅片表面上的操作层和埋氧层、只保留器件层；

h)在第二片SOI硅片的器件层表面热氧化生长一层二氧化硅；

i)在第二片SOI硅片的热氧化生长的二氧化硅上刻蚀不穿透二氧化硅的厚度以用于形成预埋层；

j)在第二片SOI硅片的热氧化生长的二氧化硅上第二次刻蚀去除二氧化硅暴露出器件层表面形成用于干法刻蚀硅敏感结构的目标刻蚀区域；

k)对第二片SOI硅片的目标刻蚀区域第一次干法刻蚀第二片SOI硅片的器件层表面小于第二片SOI硅片的器件层厚度的指定厚度；

l)在第二片SOI硅片表面第三次刻蚀二氧化硅，暴露预埋层下的硅敏感结构；

m)基于同一块掩膜板，对第二片SOI硅片的目标刻蚀区域第二次干法刻蚀第二片SOI硅片的器件层表面指定厚度，使得目标刻蚀区域的器件层全部被去除、预埋层下的仍保留器件层，使得硅敏感结构成形，形成敏感质量块组件和作为撑梁的硅中空梁；

n)释放第二片SOI硅片表面的二氧化硅牺牲层，工艺完成。

本发明的硅中空梁具有下述优点：

1、本发明的支撑梁和敏感质量块组件由同一块硅片采用干法腐蚀加工工艺形成，支撑梁为由两条支撑子梁相互平行构成的中空梁，两条支撑子梁之间设有中空部，可以使梁的弯曲模态频率大幅度提升，有效抑制梁弯曲变形对于加速度检测的干扰，进而能够有效提升硅微传感器的抗干扰能力。

2、本发明的硅中空梁包括由SOI硅圆片采用干法腐蚀加工工艺形成的梁本体，梁本体的横截面为中空形，中空形的内槽和两侧的蚀空位为通过干法腐蚀加工工艺加工形成，具有器件面积小、成品率高、成本低、加工质量高、加工鲁棒性好的优点。

3、本发明的支撑梁为由两条支撑子梁相互平行构成的中空梁，两条支撑子梁之间设有中空部，可以使梁的惯性主轴方向垂直于结构表面，可减小由结构本身因素所引起的机械蠕变造成的输出变化，从而能够有效提升硅微传感器的稳定性。

4、本发明硅中空梁可以应用于各类硅微传感器，例如微加速度计、硅陀螺仪等，可以应用于硅微传感器各类用途的梁结构，例如谐振梁、支撑梁等，具有应用范围广的优点。

本发明的微加速度计具有下述优点：本发明微加速度计的硅敏感结构包括形成一体的支撑梁以及敏感质量块组件，且支撑梁为本发明前述硅中空梁，因此同样也具有本发明硅中空梁前述能够有效提升硅微传感器的抗干扰能力强的优点，使支撑梁的惯性主轴方向垂直于结构表面，可减小由结构本身因素所引起的机械蠕变造成的输出变化，从而能够有效提升加速度计稳定性。

本发明微加速度计的制备方法具有下述优点：本发明微加速度计的制备方法在由SOI硅圆片采用干法腐蚀加工工艺形成的梁本体的基础上，能够制备得到本发明的微加速度计，具有器件面积小、成品率高、成本低、加工质量高、加工鲁棒性好的优点。

附图说明

图1为应用本发明实施例硅中空梁的硅微传感器的立体结构示意图。

图2为应用本发明实施例硅中空梁的硅微传感器的主视结构示意图。

图3为图2中A-A处剖视结构示意图。

图4为图3中的局部放大结构示意图。

图5为本发明实施例硅微加速度计的主视结构示意图。

图6为本发明实施例硅微加速度计的立体分解结构示意图。

图7为本发明实施例中应力释放结构部分的放大结构示意图。

图8为本发明实施例硅微加速度计的加工工艺步骤a～g的剖视结构示意图。

图9为本发明实施例硅微加速度计的加工工艺步骤h～n的剖视结构示意图。

图10为本发明实施例硅微加速度计的扭转模态各敏感质量块的运动方向示意图。

图11为本发明实施例硅微加速度计的弯曲模态各敏感质量块的运动方向示意图。

图12为本发明实施例微加速度计和现有技术在扭转模态频率全模态频率范围弯曲模态频率的比较情况变化对比图。

图13为本发明实施例加速度方向为垂直结构平面时各敏感质量块的运动方向示意图。

图14为本发明实施例加速度方向为结构平面内沿支撑梁方向时各敏感质量块的运动方向示意图。

图15为本发明实施例加速度方向为结构平面内垂直支撑梁方向时微加速度计的各敏感质量块运动方向示意图。

图16为本发明实施例微加速度计在温度升高时结构变形分布的仿真示意图。

图17为本发明实施例微加速度计在温度降低时结构变形分布的仿真示意图。

图例说明：1、硅基板；11、电容板组件；111、第一固定电容板；112、第二固定电容板；12、引线电极；121、第一电极；122、第二电极；13、键合凸台；2、硅敏感结构；20、应力释放结构；21、支撑梁；22、敏感质量块组件；221、第一敏感质量块；222、第二敏感质量块；223、悬臂梁；23、键合锚点；3、子梁；31、中空部；32、蚀空位。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例的硅中空梁包括由SOI硅圆片采用干法腐蚀加工工艺形成的梁本体，梁本体由两条子梁3相互平行构成，且两条子梁3之间设有中空部31，可以使硅中空梁的惯性主轴方向垂直于结构表面，可减小由结构本身因素所引起的机械蠕变造成的输出变化，从而能够有效提升硅微传感器的稳定性；中空部31以及梁本体两侧的蚀空位32均为通过干法腐蚀加工工艺在同一块掩膜板进行干法腐蚀加工形成，加工工艺步骤更加简单。本实施例的硅中空梁可以用于各类硅微传感器，例如微加速度计、硅陀螺仪等，图中双线划线部分结构为硅微传感器的敏感结构；本实施例的中空形梁可以应用于各类用途的梁结构，例如谐振梁、支撑梁等，具有应用范围广的优点。

下文将以应用于硅微加速度计为例，对基于本实施例的硅中空梁的硅微加速度计进行进一步说明：

如图5和图6所示，本实施例基于硅中空梁的硅微加速度计包括连接为一体的硅基板1和硅敏感结构2，硅敏感结构2包括形成一体的支撑梁21和敏感质量块组件22，硅基板1上设有电容板组件11和引线电极12，电容板组件11设于敏感质量块组件22下方且与敏感质量块组件22间隙布置，引线电极12和电容板组件11相连，支撑梁21和敏感质量块组件22由同一块SOI硅圆片采用干法腐蚀加工工艺形成，支撑梁21为本实施例的硅中空梁。由于本实施例的支撑梁21的横截面为中空形，能够提高加工的可控性从而提高加工精度，使得本实施例的鲁棒性显著提高。本实施例中，引线电极12具体采用硅电极，硅敏感结构2的应力释放结构20比硅基板1小，为布置引线电极12留出了空间。

如图5和图6所示，敏感质量块组件22包括两对敏感质量块，每一对敏感质量块包括质量不同且相对支撑梁21对称布置的第一敏感质量块221和第二敏感质量块222，且两对敏感质量块中一对敏感质量块的第一敏感质量块221和另一对敏感质量块的第二敏感质量块222位于支撑梁21的同一侧；电容板组件11包括两个第一固定电容板111和两个第二固定电容板112，第一固定电容板111和第一敏感质量块221的相对面积、第二固定电容板112和第二敏感质量块222的相对面积之间大小相等，第一固定电容板111分别布置于第一敏感质量块221的下方，第二固定电容板112分别布置于第二敏感质量块222的下方，引线电极12包括第一电极121和第二电极122，两个第一固定电容板111通过导线相连构成一组检测电容且共用第一电极121引出，两个第二固定电容板112通过导线相连构成另一组检测电容且共用第二电极122引出，两组检测电容差分得到硅微加速度计的输出电容。该敏感质量块组件22的结构具有下述优点：(I)由于本实施例的第一敏感质量块221和第二敏感质量块222均为质量不同、大小相同，而且电容板组件11包括两个第一固定电容板111和两个第二固定电容板112，第一固定电容板111和第一敏感质量块221的相对面积、第二固定电容板112和第二敏感质量块222的相对面积大小相等，因此能够确保两组检测电容的相对面积相同以保证相同的电容。(II)本实施例的两个第一固定电容板111通过导线相连构成一组检测电容且共用第一硅电极121引出，两个第二固定电容板112通过导线相连构成另一组检测电容且共用第二硅电极122引出，两组检测电容通过第一硅电极121和第二硅电极122差分输出微加速度计的输出电容，通过两组检测电容差分得到微加速度计的输出电容，能够将非敏感轴加速度影响下的敏感质量块的位移变化对加速度计输出的影响通过差分作用消除，明显地提升了稳定性、减小了温度等外界环境变化对输出的影响，具有交叉轴耦合误差小、温度特性好的优点。

如图5和图6所示，第一敏感质量块221和第二敏感质量块222分别通过悬臂梁223和支撑梁21相连，每一对敏感质量块中第一敏感质量块221的悬臂梁223、第二敏感质量块222的悬臂梁223之间相对支撑梁21对称布置。由于支撑梁21的惯性主轴方向垂直结构表面，在产生弯曲变形时支撑梁21同一侧区域内的第一敏感质量块221和第二敏感质量块222的位移分布沿该侧区域和支撑梁21垂直的中线对称，将敏感质量块位移变化对加速度计输出的影响通过差分作用消除，进一步提升了稳定性、减小了由于温度等外界环境变化对于输出的影响。

如图5和图6所示，悬臂梁223由相互平行的两条悬臂子梁组成，使得两条悬臂子梁之间形成中空部，即将基于本实施例前述的硅中空梁应用于悬臂梁223，同样可以使悬臂梁223的惯性主轴方向垂直于结构表面，可减小由结构本身因素所引起的机械蠕变造成的输出变化，从而能够有效提升硅微加速度计的稳定性。

如图5和图6所示，第一敏感质量块221通过一个侧边的中点和悬臂梁223相连，第二敏感质量块222通过一个侧边的中点和悬臂梁223相连，该结构能够确保第一敏感质量块221和第二敏感质量块222两者和悬臂梁223之间的受力分布均匀。

如图5和图6所示，支撑梁21的两端设有键合锚点23，硅基板1上设有一对键合凸台13，键合凸台13和键合锚点23之间采用低应力键合方式进行键合连接。采用低应力键合方式进行键合连接，能够方便快捷地实现硅基板1、硅敏感结构2之间的连接，工艺简单，操作方便。

如图5和图6所示，硅敏感结构2相对硅基板1的一侧以结构中心呈全对称分布，可减少硅敏感结构2和键合锚点23对两对敏感质量块灵敏度的影响。

如图5、图6和图7所示，支撑梁21上设有和支撑梁21垂直交叉布置的应力释放结构20，应力释放结构20、支撑梁21、敏感质量块组件22由同一块硅片采用干法腐蚀加工工艺形成，一对键合锚点23以应力释放结构20为中线对称布置于硅敏感结构2的两侧的中部，通过应力释放结构23能够有效释放支撑梁21的应力，能提高硅微加速度计的精确度。参见图6，本实施例中的应力释放结构20包括矩形边框，矩形边框和支撑梁21垂直交叉布置，矩形边框内平行布置、且和支撑梁21相垂直的两条应力筋条，每一条应力筋条的两端与矩形边框的一对边相连、中部和矩形边框的另一对边中的临近边相连，且矩形边框对上下、左右对称结构。

如图5和图6所示，本实施例的电容板组件11包括四个固定电容板，其中两个第一固定电容板111分别标记为b和c，两个第二固定电容板112分别标记为a和d。两对敏感质量块将输入的加速度转化为惯性力，惯性力使两对敏感质量块发生位移，因此使得两对敏感质量块和电容板组件11之间的电容发生变化，而且由于每一对敏感质量块中第一敏感质量块221和第二敏感质量块222之间的质量不对称性，当受到垂直于硅结构表面的加速度时，支撑梁21发生扭转，两个第一固定电容板111(b和c)通过导线相连构成一组检测电容、两个第二固定电容板112(a和d)通过导线相连构成另一组检测电容差分，得到该向加速度作用下的电容输出，通过外置电容检测电路即可得到电容输出值，进而解算出相应的加速度。

如图8和图9所示，本实施例基于硅中空梁的硅微加速度计的制备方法的基本步骤包括：采用干法腐蚀加工制备的硅基板，将硅基板与一片SOI硅片采用低应力键合方式键合，采用干法腐蚀加工制备硅敏感结构得到微加速度计，其具体实施步骤包括：

a)准备第一片SOI硅片作为硅基底如图8(a)所示；本实施例中，SOI硅片的器件层厚度为6微米；

b)在硅基底的器件层第一次干法刻蚀形成硅基板1和硅敏感结构2之间的间隙；本实施例中，第一次干法刻蚀硅基底2微米，形成的间隙如图8(b)所示；

c)在硅基底的器件层刻蚀形成硅基板1和硅敏感结构2之间的间隙上继续对硅基底第二次干法刻蚀完全去除器件层形成硅电极和引线；本实施例中，第二次干法刻蚀硅基底4微米形成硅电极和引线如图8(c)所示；

d)在硅基底上热氧化生长一层二氧化硅；本实施例中，生长一层二氧化硅厚度为0.5微米厚，生长一层0.5微米厚的二氧化硅后如图8(d)所示；

e)在硅基底上刻蚀去除热氧化生长二氧化硅形成的牺牲层，如图8(e)所示；

f)准备用于制备硅敏感结构2的第二片SOI硅片(本实施例中厚度为50微米)，将第二片SOI硅片与硅基底进行低应力键合，使第二片SOI硅片与硅基底相连，如图8(f)所示；

g)去除第二片SOI硅片表面上的操作层和埋氧层、只保留器件层，如图8(g)所示；

h)在第二片SOI硅片的器件层表面热氧化生长一层二氧化硅；本实施例中，生长一层二氧化硅的厚度为400纳米，生长一层二氧化硅后的结果如图9(h)所示；

i)在第二片SOI硅片的热氧化生长的二氧化硅上刻蚀不穿透二氧化硅的厚度以用于形成预埋层；本实施例中，不穿透二氧化硅的厚度具体为200纳米厚，预埋层的位置如图9(i)中区域B所示；

j)在第二片SOI硅片的热氧化生长的二氧化硅上第二次刻蚀去除二氧化硅暴露出器件层表面形成用于干法刻蚀硅敏感结构2的目标刻蚀区域；本实施例中，第二次刻蚀去除二氧化硅厚度为400纳米，从而去除二氧化硅暴露出器件层表面，如图9(j)所示；

k)对第二片SOI硅片的目标刻蚀区域第一次干法刻蚀第二片SOI硅片的器件层表面小于第二片SOI硅片的器件层厚度的指定厚度，本实施例中，第一次干法刻蚀硅敏感结构2的指定厚度为10微米，得到的结构如图9(k)所示；

l)在第二片SOI硅片表面第三次刻蚀二氧化硅，暴露预埋层下的硅敏感结构2，得到的结构如图9(l)所示；

m)基于同一块掩膜板，对第二片SOI硅片的目标刻蚀区域第二次干法刻蚀第二片SOI硅片的器件层表面指定厚度，使得目标刻蚀区域的器件层全部被去除、预埋层下的仍保留器件层，使得硅敏感结构2成形，形成敏感质量块组件22和作为撑梁21的硅中空梁，本实施例中第二次干法刻蚀第二片SOI硅片的器件层表面指定厚度为40微米，得到的结构如图9(m)所示；

n)释放第二片SOI硅片表面的二氧化硅牺牲层，工艺完成，得到的结构如图9(n)所示。在工艺完成以后，在封装管壳，即可得到硅微加速度计成品。

本实施例通过COMSOL软件仿真的不同模态下各敏感质量块的位移情况，得到的仿真结果如图10～图11所示。参见图12，将本实施例的硅微加速度计和现有技术(中国专利申请号为201410606833.2记载的技术方案)在理想条件下，仿真微加速度计扭转模态频率全模态频率范围(2000Hz到3000Hz)，加速度计弯曲模态频率的比较情况。从图12可以看出，在硅微加速度计扭转模态频率全模态频率范围内，现有技术的弯曲模态频率均在3500Hz以下，而本实施例的硅微加速度计的弯曲模态频率均在，而本实施例的硅微加速度计的弯曲模态频率均在6500Hz以上。因此可见，和现有技术相比，本实施例的硅微加速度计的弯曲模态频率大幅度提高，支撑梁的弯曲刚度大幅度提升，弯曲模态引起的干扰运动被大幅度抑制，因此显著提高了硅微加速度计的抗干扰能力。

本实施例通过COMSOL软件仿真的不同方向加速度下各敏感质量块的位移情况以及温度变化时各敏感质量块的位移情况，得到的仿真结果如图13～图17所示。参见图13、图14和图15，其中a代表加速度，a旁边的箭头代表加速度的方向；微加速度计的敏感质量块(第一敏感质量块221或第二敏感质量块222)上的箭头代表受到此方向的加速度时敏感质量块的运动方向。参见图10，当加速度方向为垂直结构平面时，支撑梁21以扭转变形为主，此时的加速度方向即为本实施例单轴加速度计的检测方向；参见图12和图13，当受到结构平面内沿支撑梁21方向和垂直支撑梁21方向的加速度时，支撑梁21以弯曲变形为主，此时敏感质量块在以支撑梁21为分界的两个区域内，同一区域内的第一敏感质量块221或第二敏感质量块222之间位移情况相同，因为加速度计为双差分检测，所以此时结构平面垂直方向的位移导致的输出被差分作用消除。图16与图17分别仿真了本实施例的硅微加速度计不受加速度作用在温度上升和下降时，硅敏感结构2的位移分布情况。图中T代表温度，T旁上升或下降的箭头代表温度上升与下降。从图16与图17可以看出，由于本实施例的硅微加速度计采用硅中空梁(即支撑梁21为前述的硅中空梁)，在温度T的影响下，敏感质量块在以支撑梁21为分界的两个区域内，同一区域内敏感质量块位移情况沿支撑梁21中心对称分布，因此通过差分作用可以消除温度变化造成的加速度计输出漂移；且图17中可看出应力释放结构20处于形变状态以释放支撑梁21所受的应力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于硅中空梁的硅微加速度计，包括连接为一体的硅基板（1）和硅敏感结构（2），所述硅敏感结构（2）包括形成一体的支撑梁（21）和敏感质量块组件（22），所述硅基板（1）上设有电容板组件（11）和引线电极（12），所述电容板组件（11）设于敏感质量块组件（22）下方且与敏感质量块组件（22）间隙布置，所述引线电极（12）和电容板组件（11）相连，其特征在于：所述支撑梁（21）和敏感质量块组件（22）由同一块SOI硅圆片采用干法腐蚀加工工艺形成，所述支撑梁（21）为硅中空梁，所述硅中空梁包括由SOI硅圆片采用干法腐蚀加工工艺形成的梁本体，所述梁本体由两条子梁（3）相互平行构成，且两条子梁（3）之间设有中空部（31），所述中空部（31）以及梁本体两侧的蚀空位（32）均为通过干法腐蚀加工工艺在同一块掩膜板进行干法腐蚀加工形成；所述敏感质量块组件（22）包括两对敏感质量块，每一对敏感质量块包括质量不同且相对支撑梁（21）对称布置的第一敏感质量块（221）和第二敏感质量块（222），且两对敏感质量块中一对敏感质量块的第一敏感质量块（221）和另一对敏感质量块的第二敏感质量块（222）位于支撑梁（21）的同一侧；所述电容板组件（11）包括两个第一固定电容板（111）和两个第二固定电容板（112），所述第一固定电容板（111）和第一敏感质量块（221）的相对面积、第二固定电容板（112）和第二敏感质量块（222）的相对面积之间大小相等，所述第一固定电容板（111）分别布置于第一敏感质量块（221）的下方，所述第二固定电容板（112）分别布置于第二敏感质量块（222）的下方，所述引线电极（12）包括第一电极（121）和第二电极（122），两个第一固定电容板（111）通过导线相连构成一组检测电容且共用第一电极（121）引出，两个第二固定电容板（112）通过导线相连构成另一组检测电容且共用第二电极（122）引出，两组检测电容差分得到硅微加速度计的输出电容；所述第一敏感质量块（221）和第二敏感质量块（222）分别通过悬臂梁（223）和支撑梁（21）相连，每一对敏感质量块中第一敏感质量块（221）的悬臂梁（223）、第二敏感质量块（222）的悬臂梁（223）之间相对支撑梁（21）对称布置。

2.根据权利要求1所述的基于硅中空梁的硅微加速度计，其特征在于：所述悬臂梁（223）由相互平行的两条悬臂子梁组成，使得两条悬臂子梁之间形成中空部。

3.根据权利要求1所述的基于硅中空梁的硅微加速度计，其特征在于：所述第一敏感质量块（221）通过一个侧边的中点和悬臂梁（223）相连，所述第二敏感质量块（222）通过一个侧边的中点和悬臂梁（223）相连。

4.根据权利要求1所述的基于硅中空梁的硅微加速度计，其特征在于：所述支撑梁（21）的两端设有键合锚点（23），所述硅基板（1）上设有一对键合凸台（13），所述键合凸台（13）和键合锚点（23）之间采用低应力键合方式进行键合连接。

5.根据权利要求4所述的基于硅中空梁的硅微加速度计，其特征在于：所述硅敏感结构（2）相对硅基板（1）的一侧以结构中心呈全对称分布。

6.根据权利要求5所述的基于硅中空梁的硅微加速度计，其特征在于：所述支撑梁（21）上设有和支撑梁（21）垂直交叉布置的应力释放结构（20），所述应力释放结构（20）、支撑梁（21）、敏感质量块组件（22）由同一块硅片采用干法腐蚀加工工艺形成，一对键合锚点（23）以应力释放结构（20）为中线对称布置于硅敏感结构（2）的两侧的中部。

7.一种权利要求1～6中任意一项所述的基于硅中空梁的硅微加速度计的制备方法，其特征在于实施步骤包括：

a）准备第一片SOI硅片作为硅基底；

b）在硅基底的器件层第一次干法刻蚀形成硅基板（1）和硅敏感结构（2）之间的间隙；

c）在硅基底的器件层刻蚀形成硅基板（1）和硅敏感结构（2）之间的间隙上继续对硅基底第二次干法刻蚀完全去除器件层形成硅电极和引线；

d）在硅基底上热氧化生长一层二氧化硅；

e）在硅基底上刻蚀去除热氧化生长二氧化硅形成的牺牲层；

f）准备用于制备硅敏感结构（2）的第二片SOI硅片，将第二片SOI硅片与硅基底进行低应力键合，使第二片SOI硅片与硅基底相连；

g）去除第二片SOI硅片表面上的操作层和埋氧层、只保留器件层；

h）在第二片SOI硅片的器件层表面热氧化生长一层二氧化硅；

i）在第二片SOI硅片的热氧化生长的二氧化硅上刻蚀不穿透二氧化硅的厚度以用于形成预埋层；

j）在第二片SOI硅片的热氧化生长的二氧化硅上第二次刻蚀去除二氧化硅暴露出器件层表面形成用于干法刻蚀硅敏感结构（2）的目标刻蚀区域；

k）对第二片SOI硅片的目标刻蚀区域第一次干法刻蚀第二片SOI硅片的器件层表面小于第二片SOI硅片的器件层厚度的指定厚度；

l）在第二片SOI硅片表面第三次刻蚀二氧化硅，暴露预埋层下的硅敏感结构（2）；

m）基于同一块掩膜板，对第二片SOI硅片的目标刻蚀区域第二次干法刻蚀第二片SOI硅片的器件层表面指定厚度，使得目标刻蚀区域的器件层全部被去除、预埋层下的仍保留器件层，使得硅敏感结构（2）成形，形成敏感质量块组件（22）和作为撑梁（21）的硅中空梁；

n）释放第二片SOI硅片表面的二氧化硅牺牲层，工艺完成。

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