CN109765404A - 基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片及加工工艺和加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片及加工工艺和加速度计，芯片包括键合在硅基结构两侧的第一、第二石英结构，石英结构包括石英框架、双端固定石英音叉、石英支撑梁和石英质量块，硅基结构包括硅基框架和硅质量块；在石英框架和硅基框架处，以及石英质量块和硅质量块处完全键合，形成第一石英结构、硅基结构、第二石英结构的三明治形式；加工工艺是先进行硅基初加工，再进行硅基和两个石英片双面键合，两个石英片减薄和抛光，然后进行石英振梁电极及石英结构的制作，最后进行硅基结构的释放。本发明具有灵敏度高、成本低等特点。

Description

基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片及加工工艺和 加速度计

技术领域

本发明属于微机械电子(MEMS)数字式加速度计技术领域，具体涉及基于QoS(Quartz on Silicon)工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片及加工工艺和加速度计。

背景技术

传统的石英振梁式加速度计受石英加工工艺的限制，只能采用湿法腐蚀工艺实现一体化石英结构的加工，而湿法腐蚀对于精度控制较差，难以实现微型化高精度复杂结构的精确可靠加工。另外一种解决方法是，采用石英振梁和其它基底材料相结合的分体式结构，石英振梁作为敏感元件，其它基底材料用来加工弹性元件，常用的基底材料有硅和金属等。分体式结构的一般加工流程为：先通过湿法腐蚀石英片获得石英振梁，然后微加工硅片或者线切割金属材料等得到基底弹性部件，最后将制作好的两个部件以胶粘的方式结合到一起。这种方法的缺点在于：石英湿法腐蚀精度较低，难以把结构做小；其次，独立加工后再微装配会引入装配误差，装配一般采用胶粘的方式，而这种方法很难保证两根振梁的状态完全一致，往往由于粘贴导致两根梁之间存在较大的差异，从而大大降低了差动的效果，且胶中含有的水汽等杂质也会对加速度计的精度和稳定性产生影响；此外，分体式加工方法得到的芯片由于两种材料的热膨胀系数差异较大，当外界环境温度变化时，石英振梁轴向产生热应力，导致加速度计输出产生温漂。

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基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片及加工工艺和加速度计，Z向为加速度计芯片的厚度方向，能够获得小而精确的加速度计。

本发明是通过以下技术方案来实现：

基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片，自上而下依次包括第一石英结构、硅基结构和第二石英结构；第一石英结构和第二石英结构结构相同；

第一石英结构包括石英框架、双端固定石英音叉、石英支撑梁和石英质量块；石英支撑梁和双端固定石英音叉平行设置；石英质量块位于石英框架内，石英支撑梁的一端连接石英质量块，另一端连接石英框架；双端固定石英音叉的一端连接石英质量块，另一端连接石英框架；石英框架与石英质量块之间形成石英刻蚀槽；

硅基结构包括硅基框架和硅质量块，硅质量块位于硅基框架内，硅质量块与硅基框架之间形成硅释放槽和硅基刻蚀槽；

硅基框架与两侧的石英框架分别对应并键合连接，硅基质量块与两侧的石英质量块分别对应并键合连接，硅释放槽为第一石英结构和第二石英结构的双端固定石英音叉和石英支撑梁提供可动空间。

优选的，石英支撑梁设置两根，两根石英支撑梁对称布置在双端固定石英音叉的两侧。

优选的，石英框架为矩形框结构，石英质量块为矩形结构，且石英框架和石英质量块的各矩形边对应平行；硅基框架为矩形框结构，硅质量块为矩形结构，且硅基框架和硅质量块各矩形边对应平行。

进一步的，硅基框架的长度和宽度与石英框架的长度和宽度分别相同，硅质量块的长度和宽度与石英质量块的长度和宽度分别相同，硅释放槽的长度与石英支撑梁的长度相同，硅基刻蚀槽的宽度与石英刻蚀槽(8)的宽度相同。

进一步的，石英支撑梁设置两根，两根石英支撑梁分别位于石英质量块相对的两矩形边的延长线上。

优选的，第一石英结构的厚度为10-50μm。

优选的，硅基结构的厚度为100-500μm。

所述的芯片的Z向敏感石英振梁加速度计。

所述的基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片的加工工艺，包括以下步骤：

第一步，硅基的加工：在硅晶圆上制作刻蚀掩膜，将硅晶圆刻蚀穿透，刻蚀出硅释放槽；

第二步，在刻蚀好的硅基两侧面上分别键合一石英片；

第三步，两个石英片减薄和抛光至同一厚度；

第四步，石英结构电极及掩膜的制作：包括在减薄抛光后的石英片上进行第一石英结构和第二石英结构的石英振梁电极的制作和石英结构掩膜的制作；

第五步，在两个石英片上干法刻蚀第一石英结构和第二石英结构；

第六步，硅基结构的释放：湿法腐蚀硅基结构，刻蚀出硅基刻蚀槽，使硅质量块与硅基框架分割开。

优选的，键合采用直接键合、中介层键合或共晶键合的方式实现。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明结构上采用石英结构-硅基结构-石英结构的三明治形式，芯片的敏感方向为芯片厚度方向(Z方向)，当受到来自芯片厚度方向的加速度时，石英质量块和硅质量块受到惯性力的作用，带动双端固定石英音叉发生弯曲，对称的两侧石英结构中一侧石英结构上的双端固定石英音叉被拉伸，频率升高，另一侧双端固定石英音叉被压缩，频率降低，两根石英音叉梁的频率差与加速度成比例关系，测量频率的差值从而得到加速度的大小数值。敏感结构区采用全石英结构，硅质量块与硅基框架没有连接，完全隔离了硅基框架带来的温度影响，避免两种材料不一致带来的温度影响；且提供了硅质量块，可以提高加速度计的灵敏度。本发明实现了石英振梁加速度传感器难以实现的Z向(厚度方向)差动，且具有灵敏度高，抗干扰能力强，成本低等特点。

进一步的，本发明石英框架、石英质量块、硅基框架和硅质量块均设置成矩形结构，便于加工。

进一步的，由于Z方向石英很薄，可以获得很高的灵敏度。

本发明采用上述芯片的Z向敏感石英振梁加速度计，可以做到体积小、精度高、灵敏度高。

本发明加工工艺采用硅基加工-键合-石英结构加工工艺，实现了硅和石英不同材料的键合，且石英片可以通过减薄实现超薄石英片，从而实现石英结构的高精度干法刻蚀加工；本发明加工工艺完成了硅和石英一体化加工，避免了装配误差，降低了成本。

附图说明

图1为本发明芯片示意图。

图2为本发明芯片爆炸示意图。

图3为本发明石英结构示意图。

图4为本发明硅基结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参照图1和2，基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片，自上而下依次包括第一石英结构1、硅基结构2和第二石英结构3，第一石英结构1与硅基结构2及硅基结构2与第二石英结构3均键合连接，第一石英结构1和第二石英结构3结构完全相同。所述的第一石英结构1的典型厚度为10-50μm，根据设计和工艺需要灵活变化。

参照图3，所述的第一石英结构1包括石英框架4、双端固定石英音叉5、石英支撑梁6和石英质量块7；石英框架4为最外侧固定结构，其他结构均为可动结构。两根石英支撑梁6对称布置在双端固定石英音叉5的两侧，且两根石英支撑梁6和双端固定石英音叉5三者平行放置；石英质量块7位于石英框架4内，石英支撑梁6和双端固定石英音叉5的一端分别连接石英质量块7，另一端分别连接石英框架4，从而将石英质量块7通过双端固定石英音叉5和两个石英支撑梁6固定到石英框架4上，共同形成“悬臂梁”形式。石英框架4与石英质量块7和两根石英支撑梁6之间形成石英刻蚀槽8。本实施例中，石英框架4为矩形框结构，石英质量块7矩形结构，且石英框架4和石英质量块7的各矩形边对应平行，石英支撑梁6位于石英质量块7一矩形边的延长线上。

参照图4，所述的硅基结构2为由硅基框架9、硅释放槽10、硅质量块11和硅基刻蚀槽12构成的支撑结构，硅基框架9为最外侧固定结构，硅质量块11位于硅基框架9内，硅质量块11与硅基框架9之间形成硅释放槽10和硅基刻蚀槽12，从而硅质量块11与硅基框架9之间被硅释放槽10和硅基刻蚀槽12完全分割开。本实施例中，硅基框架9为矩形框结构，硅质量块11为矩形结构，且硅基框架9和硅质量块11各矩形边对应平行。

所述的硅基结构2的长度和宽度分别与第一石英结构1的长度和宽度相同；硅基框架9和石英框架4对应，尺寸相同；硅释放槽10与双端固定石英音叉5及两侧石英支撑梁6长度相同，与石英质量块7宽度加石英刻蚀槽8宽度之和相同；硅基质量块11与石英质量块7对应，尺寸相同；硅基刻蚀槽12与石英刻蚀槽8宽度相同。

所述的第一石英结构1与硅基结构2在石英框架4和硅基框架9处，以及石英质量块7和硅质量块11处完全键合到一起；所述第二石英结构3与硅基结构2在另一侧以上述同样的方式键合到一起，保证第一石英结构1和第二石英结构3完全对称于硅基结构2，并形成第一石英结构1、硅基结构2和第二石英结构3组成的三明治形式。

所述的第一石英结构1、第二石英结构3的双端固定石英音叉5和石英支撑梁6完全悬空于硅释放槽10上方。

本发明加速度计芯片的工作原理为：

本发明芯片的敏感方向为芯片厚度方向(即图3中垂直纸面方向)，当受到来自芯片厚度方向(即Z方向)的加速度时，石英质量块7和硅质量块11产生与加速度方向相反的惯性力，带动双端固定石英音叉5发生弯曲，对称的两侧石英结构中一侧石英结构上的双端固定石英音叉5受到拉应力，频率升高，另一侧双端固定石英音叉5受到压应力，频率降低，两根石英音叉梁的频率差与加速度成比例关系，测量频率的差值从而得到加速度的大小数值。

所述的一种基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片的加工工艺，包括以下步骤：

第一步，硅基的加工：在硅晶圆上制作刻蚀掩膜，将硅晶圆ICP刻蚀穿透，刻蚀出硅释放槽10，即刻蚀出石英结构中可动结构双端固定石英音叉5和石英支撑梁6的可动空间；

第二步，刻蚀好的硅基和两个石英晶圆片(石英片)双面键合，采用直接键合、中介层键合或共晶键合等方式实现；

第三步，两个石英片减薄和抛光，以硅基在中间作为辅助材料防止石英片因为厚度减薄而破碎，两个石英片均需减薄和抛光至同一尺寸；举例说明，假设石英片厚度为100μm，硅片为100-500μm；首先，石英片同时分别由100μm减薄到15-55μm厚度(厚度根据设计和工艺需要确定)，然后进行机械抛光，从而获得10-50μm厚度的双面抛光石英片；最终形成10-50μm厚度石英片、100-500μm厚度硅基和10-50μm厚度石英片的三明治结构；

第四步，石英结构电极及掩膜的制作，包括在减薄抛光后的石英片上进行第一石英结构1和第二石英结构3的石英振梁电极的制作和石英结构掩膜的制作；

第五步，在两个石英片上干法刻蚀第一石英结构1和第二石英结构3；

第六步，硅基结构2的释放：由石英结构作为掩壁，湿法腐蚀硅基结构2，形成硅基刻蚀槽12，使硅质量块11与硅基框架9完全分割开成为可动结构，为石英结构提供大的敏感质量块。

本发明加工工艺，硅基结构在两片石英中间，可以支撑石英结构，在减薄抛光时不被损伤，且提供了硅质量块11，可以提高加速度计的灵敏度。

Claims (10)

1.基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片，其特征在于，自上而下依次包括第一石英结构(1)、硅基结构(2)和第二石英结构(3)；第一石英结构(1)和第二石英结构(3)结构相同；

第一石英结构(1)包括石英框架(4)、双端固定石英音叉(5)、石英支撑梁(6)和石英质量块(7)；石英支撑梁(6)和双端固定石英音叉(5)平行设置；石英质量块(7)位于石英框架(4)内，石英支撑梁(6)的一端连接石英质量块(7)，另一端连接石英框架(4)；双端固定石英音叉(5)的一端连接石英质量块(7)，另一端连接石英框架(4)；石英框架(4)与石英质量块(7)之间形成石英刻蚀槽(8)；

硅基结构(2)包括硅基框架(9)和硅质量块(11)，硅质量块(11)位于硅基框架(9)内，硅质量块(11)与硅基框架(9)之间形成硅释放槽(10)和硅基刻蚀槽(12)；

硅基框架(9)与两侧的石英框架(4)分别对应并键合连接，硅基质量块(11)与两侧的石英质量块(7)分别对应并键合连接，硅释放槽(10)为第一石英结构(1)和第二石英结构(3)的双端固定石英音叉(5)和石英支撑梁(6)提供可动空间。

2.根据权利要求1所述的基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片，其特征在于，石英支撑梁(6)设置两根，两根石英支撑梁(6)对称布置在双端固定石英音叉(5)的两侧。

3.根据权利要求1所述的基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片，其特征在于，石英框架(4)为矩形框结构，石英质量块(7)为矩形结构，且石英框架(4)和石英质量块(7)的各矩形边对应平行；硅基框架(9)为矩形框结构，硅质量块(11)为矩形结构，且硅基框架(9)和硅质量块(11)各矩形边对应平行。

4.根据权利要求3所述的基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片，其特征在于，硅基框架(9)的长度和宽度与石英框架(4)的长度和宽度分别相同，硅质量块(11)的长度和宽度与石英质量块(7)的长度和宽度分别相同，硅释放槽(10)的长度与石英支撑梁(6)的长度相同，硅基刻蚀槽(12)的宽度与石英刻蚀槽(8)的宽度相同。

5.根据权利要求3所述的基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片，其特征在于，石英支撑梁(6)设置两根，两根石英支撑梁(6)分别位于石英质量块(7)相对的两矩形边的延长线上。

6.根据权利要求1所述的基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片，其特征在于，第一石英结构(1)的厚度为10-50μm。

7.根据权利要求1所述的基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片，其特征在于，硅基结构(2)的厚度为100-500μm。

8.基于权利要求1-7任一项所述的芯片的Z向敏感石英振梁加速度计。

9.权利要求1所述的基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，硅基的加工：在硅晶圆上制作刻蚀掩膜，将硅晶圆刻蚀穿透，刻蚀出硅释放槽(10)；

第二步，在刻蚀好的硅基两侧面上分别键合一石英片；

第三步，两个石英片减薄和抛光至同一厚度；

第四步，石英结构电极及掩膜的制作：包括在减薄抛光后的石英片上进行第一石英结构(1)和第二石英结构(3)的石英振梁电极的制作和石英结构掩膜的制作；

第五步，在两个石英片上干法刻蚀第一石英结构(1)和第二石英结构(3)；

第六步，硅基结构(2)的释放：湿法腐蚀硅基结构(2)，刻蚀出硅基刻蚀槽(12)，使硅质量块(11)与硅基框架(9)分割开。

10.根据权利要求1所述的基于QoS工艺的Z向敏感石英振梁加速度计芯片的加工工艺，其特征在于，键合采用直接键合、中介层键合或共晶键合的方式实现。