CN112093771A - 一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法 - Google Patents

一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及传感器技术领域，具体是一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法，所述单轴高冲击加速度传感器包括有SOI晶圆衬底、硅梁和惯性质量块，所述SOI晶圆衬底设置有方形槽，所述SOI晶圆衬底上设置有惠斯通电桥，所述惠斯通电桥的桥臂上设置有制作在硅梁上的应变电阻，本发明体积小、灵敏度高、可以承受高载荷，SOI晶圆衬底中间带有氧化层，拓宽单轴高冲击加速度传感器使用的温度范围；解决传统制备工艺PN结因高温而导致器件失效问题，一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法，采用反应离子刻蚀机对压阻区进行光刻，解决现有离子注入方式会产生侧向效应拓宽压阻区面积的问题，采用SOI衬底能够提高单轴高冲击加速度传感器使用寿命。

Description

一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体是一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法。
背景技术
随着武器智能化程度提高，精确打击武器越来越受到各个国家的重视，高冲击传感器可以使这些武器具有自动识别目标类型的功能，从而在武器爆炸引信中起到至关重要的作用。国外对此研究开展的比较早，已推出各种量程、类型的高冲击加速度传感器。但是高量程的高冲击传感器对我国实施禁运和技术封锁，现有高冲击加速度传感器的类型包括有压阻式、压电式和热对流式，其中压电式加速度传感器的零漂严重，热对流式加速度传感器的温漂现象明显，测量均误差较大，使用压阻式加速度传感器线性度、灵敏度好、量程高，使用较为宽泛，但受温度影响较明显，但是压阻式加速度传感器在温度较高的时候，高温条件下PN结会发生电击穿失效，导致传感器失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的技术方案是：一种单轴高冲击加速度传感器，所述单轴高冲击加速度传感器包括有SOI晶圆衬底、硅梁和惯性质量块，所述SOI晶圆衬底设置有用于容纳惯性质量块的方形槽，所述硅梁设置在方形槽的内侧一边，所述SOI晶圆衬底上设置有惠斯通电桥，所述惠斯通电桥的桥臂上设置有制作在硅梁上的应变电阻。
进一步的，所述SOI晶圆衬底包括有氧化层和贴合在氧化层两侧的硅层。
进一步的，所述SOI晶圆衬底的两侧均贴合有玻璃层，SOI晶圆衬底上浇筑有导电树脂，所述玻璃层设置有凹槽，所述凹槽和方形槽封闭形成用于容纳惯性质量块的空腔。
进一步的，进一步的，所述SOI晶圆衬底的侧边设置有若干个用于连接惠斯通电桥的引脚，所述SOI晶圆衬底表面氧化形成SiO2薄膜保护层。
进一步的，一种单轴高冲击加速度传感器的制造方法，包括有以下步骤：
1)首选SOI晶圆衬底，采用RCA清洗工艺，完成清洗备用；
2)将步骤1清洗过后的SOI晶圆衬底放入氧化炉热氧化在衬底表面形成50～500nm厚的SiO2薄膜保护层；
3)光刻，用反应离子刻蚀机去除SOI晶圆衬底表面的SIO2以及顶层硅，刻蚀至SOI晶圆中间氧化层，形成若干个用于容纳惠斯通电桥桥臂的压阻区；
4)光刻，用反应离子刻蚀机去除压阻区两端表面的SIO2层；
5)用电子束蒸发机在步骤4加工后的SOI晶圆衬底表面沉积1～10μm厚的金属Al，光刻，用离子束刻蚀机将Al层图形化，以使得所有压阻区连接成惠斯通电桥；
6)将步骤5加工后的半成品放入高温退火炉中400℃～800℃高温退火0.5～3h，形成欧姆接触；
7)用等离子体增强化学的气相沉积法在步骤6样品表面生长0.1μm～1μm厚的Si3N4，光刻，用RIE去除Si3N4膜层中的部分区域，形成若干个与所有引脚一一电性连接的引线区；
8)将步骤7加工后的半成品光刻，ICP刻蚀出方形槽，释放出惯性质量块；
9)在玻璃上腐蚀出与方形槽结构相同的凹槽，与步骤8制的样品进行硅-玻璃阳极键合；
10)将成品进行划片、金丝键合和封装。
本发明通过改进在此提供一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法，与现有技术相比，具有如下改进及优点：
其一：本发明的单轴高冲击加速度传感器，体积小、灵敏度高、可以承受高载荷；
其二：本发明的单轴高冲击加速度传感器的SOI晶圆衬底中间带有氧化层，氧化层绝缘不会受热发生电击穿，能够在高温条件下使用，拓宽单轴高冲击加速度传感器使用的温度范围；
其三，本发明的单轴高冲击加速度传感器的制造方法，采用反应离子刻蚀机对压阻区进行光刻，解决现有离子注入方式会产生侧向效应拓宽压阻区面积的问题，避免影响传感器精度；
其四，本发明的单轴高冲击加速度传感器的制造方法，在SOI晶圆衬底的其表面制作一层Si3N4薄膜保护层，能够提高单轴高冲击加速度传感器使用寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释:
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明步骤3加工后半成品的结构示意图；
图3是本发明步骤4加工后半成品的结构示意图；
图4是本发明步骤5加工后半成品的结构示意图；
图5是本发明步骤7加工后半成品的结构示意图；
图6是本发明步骤8加工后半成品的结构示意图；
图7是本发明步骤9加工后半成品的结构示意图；
图8是本发明的惠斯通电桥；
附图标记说明：
SOI晶圆衬底1，方形槽11，硅梁2，惯性质量块3，玻璃层4，凹槽41，导电树脂5，压阻区6，Al层7，引线区8，引脚9，应变电阻10。
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过改进在此提供一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法：
实施例一：
如图1-图7所示，一种单轴高冲击加速度传感器，所述单轴高冲击加速度传感器包括有SOI晶圆衬底1、硅梁2和惯性质量块3，所述SOI晶圆衬底1设置有用于容纳惯性质量块3的方形槽11，所述硅梁2设置在方形槽11的内侧一边，所述SOI晶圆衬底1上设置有惠斯通电桥，所述惠斯通电桥的桥臂上设置有制作在硅梁2上的应变电阻10，在传感器中，惯性惯性质量块3由硅梁2支撑。硅梁2上制备有应变电阻10，在加速度a作用下，惯性质量块3上下运动，从而使得硅梁2产生与加速度a成正比的形变。硅梁2上产生应力和应变，使硅梁2上应变电阻10的阻值会产生相应的变化，当应变电阻10作为惠斯通电桥的桥臂时，通过惠斯通电桥输出电压的变化，就可实现对加速度的测量，所述惠斯通电桥为现有技术，此处不再详述。
所述SOI晶圆衬底1包括有氧化层和贴合在氧化层两侧的硅层，使用SOI晶圆，使得高冲击加速度传感器在高温120℃条件下，稳定工作。
所述SOI晶圆衬底1的两侧均贴合有玻璃层4，SOI晶圆衬底1上浇筑有导电树脂5，所述玻璃层4设置有凹槽41，所述凹槽41和方形槽11封闭形成用于容纳惯性质量块3的空腔，能够保证惯性质量块3的移动空间。
所述SOI晶圆衬底1的侧边设置有若干个用于连接惠斯通电桥的引脚9，保证单轴高冲击加速度传感器在使用时，其电连接点的稳定性。
实施例二：
如图1-图8所示，一种单轴高冲击加速度传感器的制造方法，包括有以下步骤：
1)首选P型SOI晶圆衬底1，采用RCA清洗工艺，完成清洗备用；使用SOI晶圆，使得高冲击加速度传感器在高温120℃条件下，稳定工作；
2)将步骤1清洗过后的SOI晶圆衬底1放入氧化炉热氧化在衬底表面形成50～500nm厚的SiO2薄膜保护层，引入SiO2可以在制作和使用过程中保护敏感区域不被污染，从而提高高冲击加速度传感器使用精度；
3)光刻，用反应离子刻蚀机去除SOI晶圆衬底1表面的SIO2以及顶层硅，刻蚀至SOI晶圆中间氧化层，如图2所示，形成若干个用于容纳惠斯通电桥桥臂的压阻区6，(常规处理压阻区6方式是采用离子注入方式在硅片直接制作压阻区6，无法在高温条件下使用，高温条件下PN结失效，导致传感器失效；而且离子注入会产生侧向效应，使得压阻区6结构不规整，影响传感器精度)；
4)光刻，用反应离子刻蚀机去除压阻区6两端表面的SIO2层；如图3所示；
5)用电子束蒸发机在步骤4加工后的SOI晶圆衬底1表面沉积1～10μm厚的金属Al，光刻，如图4所示，用离子束刻蚀机将Al层7图形化，以使得所有压阻区6连接成惠斯通电桥；
6)将步骤5加工后的半成品放入高温退火炉中400℃～800℃高温退火0.5～3h，形成欧姆接触；
7)用等离子体增强化学的气相沉积法在步骤6样品表面生长0.1μm～1μm厚的Si3N4，光刻，用RIE去除Si3N4膜层中的部分区域，形成若干个与所有引脚9一一电性连接的引线区8；如图5所示；
8)将步骤7加工后的半成品光刻，ICP刻蚀出方形槽11，释放出惯性质量块3，如图6所示；
9)在玻璃上腐蚀出与方形槽11结构相同的凹槽41，与步骤8制的样品进行硅-玻璃阳极键合，如图7所示；
10)将成品进行划片、金丝键合和封装。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种单轴高冲击加速度传感器，其特征在于：所述单轴高冲击加速度传感器包括有SOI晶圆衬底(1)、硅梁(2)和惯性质量块(3)，所述SOI晶圆衬底(1)设置有用于容纳惯性质量块(3)的方形槽(11)，所述硅梁(2)设置在方形槽(11)的内侧一边，所述SOI晶圆衬底(1)上设置有惠斯通电桥，所述惠斯通电桥的桥臂上设置有制作在硅梁(2)上的应变电阻(10)。
2.根据权利要求1所述的一种单轴高冲击加速度传感器，其特征在于：所述SOI晶圆衬底(1)包括有氧化层和贴合在氧化层两侧的硅层。
3.根据权利要求1所述的一种单轴高冲击加速度传感器，其特征在于：所述SOI晶圆衬底(1)的两侧均贴合有玻璃层(4)，SOI晶圆衬底(1)上浇筑有导电树脂(5)，所述玻璃层(4)设置有凹槽(41)，所述凹槽(41)和方形槽(11)封闭形成用于容纳惯性质量块(3)的空腔。
4.据权利要求1所述的一种单轴高冲击加速度传感器，其特征在于：所述SOI晶圆衬底(1)的侧边设置有若干个用于连接惠斯通电桥的引脚(9)，所述SOI晶圆衬底(1)表面氧化形成SiO2薄膜保护层。
5.根据权利要求1～4所述的一种单轴高冲击加速度传感器的制造方法，其特征在于：包括有以下步骤：
1)首选SOI晶圆衬底(1)，采用RCA清洗工艺，完成清洗备用；
2)将步骤1清洗过后的SOI晶圆衬底(1)放入氧化炉热氧化在衬底表面形成50～500nm厚的SiO2薄膜保护层；
3)光刻，用反应离子刻蚀机去除SOI晶圆衬底(1)表面的SIO2以及顶层硅，刻蚀至SOI晶圆中间氧化层，形成若干个用于容纳惠斯通电桥桥臂的压阻区(6)；
4)光刻，用反应离子刻蚀机去除压阻区(6)两端表面的SIO2层；
5)用电子束蒸发机在步骤4加工后的SOI晶圆衬底(1)表面沉积1～10μm厚的金属Al，光刻，用离子束刻蚀机将Al层(7)图形化，以使得所有压阻区(6)连接成惠斯通电桥；
6)将步骤5加工后的半成品放入高温退火炉中400℃～800℃高温退火0.5～3h，形成欧姆接触；
7)用等离子体增强化学的气相沉积法在步骤6样品表面生长0.1μm～1μm厚的Si3N4，光刻，用RIE去除Si3N4膜层中的部分区域，形成若干个与所有引脚(9)一一电性连接的引线区(8)；
8)将步骤7加工后的半成品光刻，ICP刻蚀出方形槽(11)，释放出惯性质量块(3)；
9)在玻璃上腐蚀出与方形槽(11)结构相同的凹槽(41)，与步骤8制的样品进行硅-玻璃阳极键合。
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