CN109507451A - 一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片及其加工方法，芯片包括和硼玻璃键合的硅基底，硅基底包括质量块以及与质量块相连的四个悬臂梁，在悬臂梁靠近质量块的一端沉积有二硫化钼薄膜电阻，金属引线将四个二硫化钼薄膜电阻连接成惠斯通全桥电路并与焊盘连接；加工方法是先在硅基底上进行第一道光刻，射频溅射二硫化钼薄膜，剥离得到二硫化钼薄膜电阻；然后在硅基底上进行第二道光刻，蒸镀金属Cr和Au，剥离得到金属引线和焊盘；再在硅基底上下蒸镀Al，进行正反面套刻，剥离得到Al掩蔽；干法刻蚀，释放质量块和四个悬臂梁；最后将硅基底与硼玻璃进行键合；本发明决了传感器灵敏度与固有频率的制约问题，简化加工工艺，提高传感器的综合性能。

Description

一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片及其加工方法
技术领域
本发明属于MEMS加速度传感器芯片技术领域，尤其涉及一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片及其加工方法。
背景技术
随着制造业的高度发展，MEMS技术由于其体积小、可批量生产等传统制造技术无法替代的优点越来越多地应用于工业生产中，其中，加速度传感器更是应用广泛。根据原理的不同，加速度传感器芯片可分为压阻式、压电式、电容式、谐振式、隧穿式、热传导式等。其中，压阻式加速度传感器芯片具有加工制造简单容易实现的优点，其缺点是容易产生温漂且一般情况下灵敏度较低。温漂可以用温度补偿电路来实现补偿，针对灵敏度低的问题，目前主要有两种途径来解决：一是进行结构创新设计，二是引入新型压阻材料做敏感元件。目前提高传感器灵敏度存在以下缺陷：1.结构设计虽然使得传感器的灵敏度得到了提高，但却降低了其固有频率。2.复杂的结构设计使得传感器加工制造十分困难。3.离子注入形成压敏电阻的制备工艺复杂。4.压敏电阻机械性能差，使得传感器很脆弱，缩短传感器使用寿命。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片及其加工方法，解决了传感器灵敏度与固有频率之间的制约问题，同时简化传感器加工工艺，此外，二硫化钼薄膜摩擦系数低，耐高温，耐腐蚀，可以提高传感器的综合性能，扩展传感器的应用环境。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片，包括硅基底1，硅基底1下面和硼玻璃2正面键合，硅基底1包括中部设有的质量块5以及与质量块5相连呈十字分布的第一悬臂梁6-1、第二悬臂梁6-2、第三悬臂梁6-3、第四悬臂梁6-4，质量块5与硼玻璃2之间预留有工作间隙，形成空腔3，空腔3保证质量块5在传感器正常工作时能够始终悬空；在第一悬臂梁6-1、第二悬臂梁6-2、第三悬臂梁6-3、第四悬臂梁6-4靠近质量块5的一端沉积有第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4；在硅基底1上沉积的金属引线7将四个二硫化钼薄膜电阻连接成惠斯通全桥电路并与硅基底1上方沉积的焊盘8连接。
所述的质量块5与硼玻璃2之间预留有20-40μm的工作间隙。
所述的一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片的加工方法，包括以下步骤：
1)在硅基底1上面进行第一道光刻，射频溅射二硫化钼薄膜，用丙酮剥离得到二硫化钼薄膜电阻4，二硫化钼薄膜电阻4包括第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4；
2)在硅基底1上面进行第二道光刻，蒸镀金属Cr和Au，用丙酮剥离得到金属引线7和焊盘8，金属电极7和焊盘8将第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4连接得到惠斯通全桥电路；
3)在硅基底1上下两面蒸镀Al，进行正反面套刻，用丙酮剥离得到Al掩蔽；
4)干法刻蚀，释放质量块5和第一悬臂梁6-1、第二悬臂梁6-2、第三悬臂梁6-3、第四悬臂梁6-4，Al腐蚀液去除Al；
5)将硅基底1的下面与硼玻璃2的正面留有键合余量，进行键合，质量块5与硼玻璃2之间设有空腔3,完成传感器芯片的加工。
所述的步骤4)干法刻蚀过程中对质量块5进行了减薄，使得质量块5与硼玻璃2之间预留有20-40μm的工作间隙。
本发明的有益效果为：
(1)基于单晶硅的压阻式加速度传感器灵敏度高但具有各向异性，基于多晶硅的压阻式加速度传感器虽然各向同性但其灵敏度低。相比之下，本发明基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片灵敏度系数高，且其非晶结构使其表现为各向同性，各个方向灵敏度相同。
(2)本发明二硫化钼薄膜摩擦系数很低，可以起到润滑作用，延长了加速度传感器芯片的使用寿命，适合应用于存在接触摩擦的环境的加速度信号测量。
(3)本发明二硫化钼薄膜与MEMS工艺兼容性好，只需一道射频磁控溅射工序即可在硅基底上大面积地制备一层均匀的二硫化钼薄膜，大幅简化了传感器芯片的加工工艺，缩短了生产周期。
(4)改变二硫化钼薄膜的制备工艺参数可大范围调控制得的二硫化钼薄膜的压阻系数，使得传感器芯片灵敏度可大范围调节。
附图说明
图1为本发明芯片的整体结构示意图。
图2为图1的A-A截面图。
图3为本发明芯片加工方法的示意图，其中图(a)为磁控溅射沉积二硫化钼薄膜图；图(b)为蒸镀沉积金属电极和焊盘图；图(c)为释放芯片结构并与硼玻璃键合图。
图4为本发明芯片的工作原理图。
图5为本发明芯片二硫化钼薄膜受到压力时阻值随压力的变化趋势图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参照图1和图2，一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片，包括硅基底1，硅基底1下面和硼玻璃2正面在留有键合余量的情况下键合，硅基底1包括中部设有的质量块5以及与质量块5相连呈十字分布的第一悬臂梁6-1、第二悬臂梁6-2、第三悬臂梁6-3、第四悬臂梁6-4，质量块5与硼玻璃2之间预留有20-40μm的工作间隙，形成空腔3，空腔3保证质量块5在传感器正常工作时能够始终悬空；在第一悬臂梁6-1、第二悬臂梁6-2、第三悬臂梁6-3、第四悬臂梁6-4靠近质量块5的一端利用射频磁控溅射的方法镀有第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4，使得质量块5受到加速度时，第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4处在第一悬臂梁6-1、第二悬臂梁6-2、第三悬臂梁6-3、第四悬臂梁6-4应变最大的位置，阻值变化最大，适合制造基于二硫化钼薄膜的MEMS加速度传感器芯片；在硅基底1上通过蒸镀沉积的金属引线7将四个二硫化钼薄膜电阻连接成惠斯通全桥电路并与硅基底1上方沉积的焊盘8连接，构成了基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片的电路。
参照图1、图2和图3，所述的一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片的加工方法，包括以下步骤：
1)借助掩膜版，对硅基底1上面进行第一道光刻，留出待沉积二硫化钼薄膜区域,将光刻后的硅基底1置于镀膜腔室中，抽真空,加热电阻丝将样品架上的硅基底1加热至300℃，向镀膜腔室内通入氩气，采用高频射频电源，射频功率为300W，将纯度为99.999％二硫化钼靶材和真空室的其他部分耦合在电源的两极，硅基底1处于靶材对应的位置，与靶材间距为5cm；
从镀膜腔室中取出表面沉积二硫化钼薄膜的硅基底1，用丙酮进行剥离，得到二硫化钼薄膜电阻4，如图3(a)所示；二硫化钼薄膜电阻4包括第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4；
2)利用掩膜版在硅基底1上面进行第二道光刻，留出待沉积电极区域；采用蒸镀技术在待沉积电极区域沉积金属Cr和Au，利用丙酮剥离得到金属电极7和焊盘8，如图3(b)所示，金属电极7和焊盘8将第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4连接得到惠斯通全桥电路；
3)给硅基底1上下面蒸镀金属Al，进行正反面套刻，用丙酮剥离得到Al掩蔽；
4)干法刻蚀释放质量块5和第一悬臂梁6-1、第二悬臂梁6-2、第三悬臂梁6-3、第四悬臂梁6-4，用铝腐蚀液洗去硅片表面剩余的Al；干法刻蚀过程中对质量块5进行了减薄，使得质量块5与硼玻璃2之间预留有20-40μm的工作间隙；
5)将硅基底1的下面与硼玻璃2的正面留有键合余量，进行键合，质量块5与硼玻璃2之间设有空腔3,如图3(c)所示，完成传感器芯片的加工。
本发明芯片的工作原理为：
参照图4，当质量块5受到加速度时，第一悬臂梁6-1、第二悬臂梁6-2、第三悬臂梁6-3、第四悬臂梁6-4会产生形变；参照图5，由于二硫化钼薄膜的压阻效应，当第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4受到应变作用时，其电阻率和阻值发生变化，其阻值变化与其所受应变之间的比例关系为：
其中K为二硫化钼薄膜的等效压阻系数，用来表征压阻效应强弱。ε为二硫化钼薄膜受到的应变。R为第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4的阻值连接成惠斯通全桥电路的总的电阻。ΔR为质量块5受到加速度时第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4的阻值变化量，第一二硫化钼薄膜电阻4-1和第三二硫化钼薄膜电阻4-3的阻值变为R+ΔR、第二二硫化钼薄膜电阻4-2和第四二硫化钼薄膜电阻4-4的阻值变为R-ΔR，连接成惠斯通全桥电路的总的电阻变化量仍为R，但惠斯通电桥失去平衡。
对于由二硫化钼薄膜电阻组成的惠斯通全桥检测电路，采用恒压源供电，当外界加速度作用到传感器芯片上时，其输出电压可以表示为：
公式2中的Vo、Vi分别为电桥的输出电压和输入电压，R1、R2、R3、R4第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4的阻值，经过代入化简，有如下公式：
根据牛顿第二定律，当悬空的质量块5受到某一方向加速度作用时，质量块5上会产生与加速度同向成正比惯性力，使质量块5产生位移，第一悬臂梁6-1、第二悬臂梁6-2、第三悬臂梁6-3、第四悬臂梁6-4将在质量块5的带动下发生弯曲变形，从而产生应力应变，其中最靠近和最远离质量块5的地方产生的应变最大，因此将四个相同尺寸的第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4沉积于第一悬臂梁6-1、第二悬臂梁6-2、第三悬臂梁6-3、第四悬臂梁6-4靠近质量块5的一端。根据压阻效应公式，相对的二硫化钼薄膜电阻，即第一二硫化钼薄膜电阻4-1与第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第二二硫化钼薄膜电阻4-2与第四二硫化钼薄膜电阻4-4阻值变化相同，相邻的二硫化钼薄膜电阻，例如第一二硫化钼薄膜电阻4-1和第二二硫化钼薄膜电阻4-2阻值变化相反，使得电桥失去平衡，输出电压信号。由于第一二硫化钼薄膜电阻4-1、第二二硫化钼薄膜电阻4-2、第三二硫化钼薄膜电阻4-3、第四二硫化钼薄膜电阻4-4阻值变化量与梁的应变成正比，而第一悬臂梁6-1、第二悬臂梁6-2、第三悬臂梁6-3、第四悬臂梁6-4上产生的应变与质量块5受到的加速度成正比，因此基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片的输出电压与其所受到的加速度成正比，实现了将加速度转化为电信号输出的功能。此外，本发明中使用的压敏电阻为二硫化钼薄膜，压阻系数高，摩擦系数低，耐磨性好，使得传感器灵敏度高且使用寿命长。

Claims (4)

1.一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片，包括硅基底(1)，其特征在于：硅基底(1)下面和硼玻璃(2)正面键合，硅基底(1)包括中部设有的质量块(5)以及与质量块(5)相连呈十字分布的第一悬臂梁(6-1)、第二悬臂梁(6-2)、第三悬臂梁(6-3)、第四悬臂梁(6-4)，质量块(5)与硼玻璃(2)之间预留有工作间隙，形成空腔(3)，空腔(3)保证质量块(5)在传感器正常工作时能够始终悬空；在第一悬臂梁(6-1)、第二悬臂梁(6-2)、第三悬臂梁(6-3)、第四悬臂梁(6-4)靠近质量块(5)的一端沉积有第一二硫化钼薄膜电阻(4-1)、第二二硫化钼薄膜电阻(4-2)、第三二硫化钼薄膜电阻(4-3)、第四二硫化钼薄膜电阻(4-4)；在硅基底(1)上沉积的金属引线(7)将四个二硫化钼薄膜电阻连接成惠斯通全桥电路并与硅基底(1)上方沉积的焊盘(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片，其特征在于：所述的质量块(5)与硼玻璃(2)之间预留有20-40μm的工作间隙。
3.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钼薄膜的加速度传感器芯片的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在硅基底(1)上面进行第一道光刻，射频溅射二硫化钼薄膜，用丙酮剥离得到二硫化钼薄膜电阻(4)，二硫化钼薄膜电阻(4)包括第一二硫化钼薄膜电阻(4-1)、第二二硫化钼薄膜电阻(4-2)、第三二硫化钼薄膜电阻(4-3)、第四二硫化钼薄膜电阻(4-4)；
2)在硅基底(1)上面进行第二道光刻，蒸镀金属Cr和Au，用丙酮剥离得到金属引线(7)和焊盘(8)，金属电极(7)和焊盘(8)将第一二硫化钼薄膜电阻(4-1)、第二二硫化钼薄膜电阻(4-2)、第三二硫化钼薄膜电阻(4-3)、第四二硫化钼薄膜电阻(4-4)连接得到惠斯通全桥电路；
3)在硅基底(1)上下两面蒸镀Al，进行正反面套刻，用丙酮剥离得到Al掩蔽；
4)干法刻蚀，释放质量块(5)和第一悬臂梁(6-1)、第二悬臂梁(6-2)、第三悬臂梁(6-3)、第四悬臂梁(6-4)，Al腐蚀液去除Al；
5)将硅基底(1)的下面与硼玻璃(2)的正面留有键合余量，进行键合，质量块(5)与硼玻璃(2)之间设有空腔(3),完成传感器芯片的加工。
4.根据权利要求3所述的的加工方法，其特征在于：所述的步骤4)干法刻蚀过程中对质量块(5)进行了减薄，使得质量块(5)与硼玻璃(2)之间预留有20-40μm的工作间隙。
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