CN113184799B - 一种带硅基压阻式传感器的mems器件 - Google Patents

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Abstract

一种带硅基压阻式传感器的MEMS器件，包括MEMS振镜和硅基压阻式传感器，所述MEMS振镜包括反射镜、两个扭转杆和MEMS驱动器，所述反射镜通过所述两个扭转杆固定在所述MEMS驱动器上，所述硅基压阻式传感器基于惠斯通桥结构布局，用于感测所述反射镜的扭转角度，所述硅基压阻式传感器为正方形或者长方形结构，放置在所述扭转杆的固定端位置附近，所述硅基压阻式传感器在所述反射镜扭转的剪切应力作用下产生的电势能梯度方向与应力梯度方向相一致。该MEMS器件能够降低微纳工艺中光刻对准高精度需求，使MEMS振镜整体结构尺寸小型集成化，降低整体器件成本。

Description

一种带硅基压阻式传感器的MEMS器件
技术领域
本发明涉及MEMS器件，特别是涉及一种带硅基压阻式传感器的MEMS器件。
背景技术
随着微纳加工技术的快速发展，MEMS(Microelectromechanical systems)器件基于其小型集成化、功耗低、重量轻、易于批量化生产等优点，已经广泛应用于工业生产、汽车、手机、安防等各个方面。其中，MEMS振镜作为一个重要发展及应用方向，采用MEMS技术把微光反射镜与MEMS驱动器集成在MEMS器件上，能够将传统反射镜面旋转装置芯片化，具有高可靠性、低成本、小尺寸、易集成等优势，主要应用于激光雷达、机器视觉、人脸识别、虚拟/增强现实(VR/AR)、微投影(Micro-projector)等方面。MEMS振镜的工作原理是指，微光反射镜在驱动器作用下不断进行扭转，能够将点/线激光信息投射到目标物表面，完成激光指向、激光矢量化图形扫描。面向激光扫描实际应用需求，MEMS振镜的主要特征参数包括振动频率、扫描角度、镜面尺寸等。其中，MEMS振镜需要能够实时感测其反射镜的扫描角度(幅值和相位信息)，进一步建立闭环反馈控制系统，在空间范围内对激光扫描实现精准控制。
当前，用于感测MEMS振镜扫描角度的技术可划分为两类：即外置式和内置式。一种MEMS振镜模组，其反馈组件配置了基于光电反馈的外置式角度传感器，包括激光器和光电检测电路板等。但是，该外置的光学配套感测设备极大地增加了MEMS振镜模组的整体尺寸和成本。硅基压阻式传感器能够提供较好的灵敏性和线性度,而且，硅材料本身具有更高的应变系数(gauge factor)，能够具有更高的信噪比。另一种内置硅基压阻式角度感测的MEMS振镜模组，其硅基压阻式角度传感器以惠斯通桥(Wheetstone bridge)电路作为结构布局，能够消除环境温度对角度传感器产生的影响，进一步提高感测信号的信噪比。但是，基于惠斯通桥结构的硅基压阻式角度传感器，在微纳加工过程中对四端子处的光刻对准精度要求很高，容易导致惠斯通桥结构中四个电阻阻值不一致，进一步导致感测信号发生偏差。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种带硅基压阻式传感器的MEMS器件。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种带硅基压阻式传感器的MEMS器件，包括MEMS振镜和硅基压阻式传感器，所述MEMS振镜包括反射镜、两个扭转杆和MEMS驱动器，所述反射镜通过所述两个扭转杆固定在所述MEMS驱动器上，所述硅基压阻式传感器基于惠斯通桥结构布局，用于感测所述反射镜的扭转角度，所述硅基压阻式传感器为正方形或者长方形结构，放置在所述扭转杆的固定端位置附近，所述硅基压阻式传感器在所述反射镜扭转的剪切应力作用下产生的电势能梯度方向与应力梯度方向相一致。
进一步地：
所述硅基压阻式传感器的硅基底材料为p型材料，掺杂n型材料作为硅基压阻式传感器的感测材料，掺杂材料与所述硅基底材料的构成p-n结。
在硅材料(100)晶面上，所述硅基压阻式传感器的晶向为<100>或者<010>晶向，对应所述扭转杆的长度方位为<110>晶向。
掺杂的n型材料包括与电极相接处的高浓度掺杂n型材料，所述高浓度掺杂n型材料的浓度为1020至1021atoms/cm3，其余部分所掺杂的n型材料的浓度为1018至1019atoms/cm3。
所述高浓度掺杂n型材料的离子掺杂的深度100-200nm。
所述高浓度掺杂n型材料的尺寸为5μm直径的圆形结构。
所述硅基压阻式传感器的硅基底材料为n型材料，掺杂p型材料作为硅基压阻式传感器的感测材料。
在硅材料(100)晶面上，所述硅基压阻式传感器的晶向为<110>晶向，
对应所述扭转杆的长度方位。
所述硅基压阻式传感器的压阻材料上设置有一层二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(Si3N4)薄膜。
所述硅基压阻式传感器为10×10至30×30μm2的方形结构。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出一种带硅基压阻式传感器的MEMS器件，所述硅基压阻式传感器在惠斯通桥结构布局基础上设置成方形结构，放置在扭转杆的固定端位置附近，其取代传统的对称放置的四个条形结构电阻，在反射镜扭转的剪切应力作用下产生的电势能梯度方向与应力梯度方向相一致，由此，能够有效降低微纳工艺中四个电极的光刻对准高精度需求，避免由于对准误差所导致的惠斯通桥结构中四个电阻的阻值偏差，提高硅基压阻式传感器的感测灵敏性。
优选方案中，通过选取掺杂n型材料作为硅基压阻式传感器的感测材料，而硅基底材料为p型材料，该传感器的感测材料与硅基底材料可以有效形成p-n结，能够增加感测输出信号的屏蔽功能，实现角度感测信号的高信噪比，提高角度信号感测的灵敏性。进一步地，在(100)晶面上硅基压阻式传感器的晶向为<100>或者<010>晶向，n型硅材料获得最大压阻系数，当在惠斯通桥结构的两个电极之间施加直流电源，另外两个电极之间能够输出最大感测信号。
本发明能够降低微纳工艺中光刻对准高精度需求，使MEMS振镜整体结构尺寸小型集成化，降低整体器件成本。
附图说明
图1为本发明实施例的带硅基压阻式传感器的MEMS器件的结构示意图。
图2(a)为本发明实施例的MEMS振镜在谐振运动情况下的模拟仿真效果图，可以看到反射镜以两个扭转杆为中轴进行扭转运动。
图2(b)为本发明实施例的反射镜在扭转过程中扭转杆固定端位置处的剪切应力分布情况的模拟仿真效果图。
图2(c)为本发明实施例的硅基压阻式传感器在扭转杆剪切应力作用下电势分布情况的模拟仿真效果图。
图3(a)为本发明实施例的在(100)晶面上硅基压阻式传感器结构及晶向选择简图。
图3(b)为本发明实施例的硅基压阻式传感器详细结构、掺杂种类及p-n结的示意图。
图4为本发明实施例的MEMS振镜及硅基压阻式角度传感器的工作示意图。
图5(a)为本发明实施例的硅基压阻式传感器电源驱动及信号感测输出示意图。
图5(b)为本发明实施例的MEMS振镜电源信号驱动与角度感测信号输出的示波器实际采集图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1至图5(b)，本发明实施例提供一种带硅基压阻式传感器的MEMS器件，包括MEMS振镜和硅基压阻式传感器1，所述MEMS振镜包括反射镜2、两个扭转杆3、MEMS驱动器4以及固定桩5，所述反射镜2通过所述两个扭转杆3固定在所述MEMS驱动器4上，所述硅基压阻式传感器1基于惠斯通桥结构布局，用于感测所述反射镜2的扭转角度，所述硅基压阻式传感器1为正方形或长方形结构，放置在所述扭转杆3的固定端位置附近，所述硅基压阻式传感器1在所述反射镜2扭转的剪切应力作用下产生的电势能梯度方向与应力梯度方向相一致。
本发明实施例中，所述硅基压阻式传感器在惠斯通桥结构布局基础上设置成方形结构，放置在扭转杆的固定端位置附近，其取代传统的对称放置的四个条形结构电阻，在反射镜扭转的剪切应力作用下产生的电势能梯度方向与应力梯度方向相一致，由此，能够有效降低微纳工艺中四个电极的光刻对准高精度需求，避免由于对准误差所导致的惠斯通桥结构中四个电阻的阻值偏差，提高硅基压阻式传感器的感测灵敏性。
在优选的实施例中，所述硅基压阻式传感器的硅基底材料为p型材料，掺杂n型材料作为硅基压阻式传感器的感测材料，掺杂材料与所述硅基底材料的构成p-n结，参阅图3(b)。
再参阅图3(a)，在优选的实施例中，在硅材料(100)晶面上，所述硅基压阻式传感器的晶向为<100>或者<010>晶向，对应所述扭转杆的长度方位为<110>晶向。
在更优选的实施例中，掺杂的n型材料包括与电极7相接处的高浓度掺杂n型材料，所述高浓度掺杂n型材料的浓度为1020至1021atoms/cm3，其余部分所掺杂的n型材料的浓度为1018至1019atoms/cm3。
通过选取掺杂n型材料作为硅基压阻式传感器的感测材料，而硅基底材料为p型材料，该传感器的感测材料与硅基底材料可以有效形成p-n结，能够增加感测输出信号的屏蔽功能，实现角度感测信号的高信噪比，提高角度信号感测的灵敏性。
在(100)晶面上硅基压阻式传感器的晶向为<100>或者<010>晶向，n型硅材料获得最大压阻系数，当在惠斯通桥结构的两个电极之间施加直流电源，另外两个电极之间能够输出最大感测信号。
在更优选的实施例中，所述高浓度掺杂n型材料的离子掺杂的深度100-200nm。
在更优选的实施例中，所述高浓度掺杂n型材料的尺寸为5μm直径的圆形结构。
在另一种实施例中，所述硅基压阻式传感器的硅基底材料为n型材料，掺杂p型材料作为硅基压阻式传感器的感测材料。
在进一步的实施例中，在硅材料(100)晶面上，所述硅基压阻式传感器的晶向为<110>晶向，对应所述扭转杆的长度方位。
在优选的实施例中，所述硅基压阻式传感器的压阻材料上设置有一层二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(Si3N4)薄膜。
在优选的实施例中，所述硅基压阻式传感器为10×10至30×30μm2的方形结构。
本发明实施例能够降低微纳工艺中光刻对准高精度需求，使MEMS振镜整体结构尺寸小型集成化，降低整体器件成本。
以下进一步描述本发明具体实施例。
如图1所示，一种带硅基压阻式传感器的MEMS器件，包括硅基压阻式传感器1、反射镜2、两个扭转杆3、MEMS驱动器4和固定桩5等。其中，反射镜2通过两个扭转杆3进行支撑，两个扭转杆3及MEMS驱动器4整体衔接在固定桩5上面。MEMS振镜的运动机理为：反射镜在MEMS驱动器的作用下，以扭转杆为中轴进行往复扭转摆动，具体运动方式包括谐振式或者静态式两种。反射镜在进行往复扭转摆动过程中，扭转杆固定端位置的切向应力大小，会随着反射镜扭转角度的大小进行变化，具有一一对应关系。角度传感器放置在扭转杆固定端位置附近，通过硅基压阻式传感器感测扭转杆固定端的切向应力大小，来进一步探测反射镜的扭转角度大小。
图2(a)为MEMS振镜在谐振运动情况下的模拟仿真效果图，可以看到反射镜以两个扭转杆为中轴进行扭转运动。图2(b)为反射镜在扭转过程中扭转杆固定端位置处的剪切应力分布情况的模拟仿真效果图，其应力梯度方向，如箭头所指示，即与扭转杆长度方向夹角45度。将硅基压阻式传感器放置在扭转杆的应力梯度变化区域，感测应力变化并输出感测信号。图2(c)为硅基压阻式传感器在扭转杆剪切应力作用下电势分布情况的模拟仿真效果图，硅基压阻式传感器的结构设计为正方形或者长方形结构，在剪切应力作用下，其电势能梯度方向与应力梯度方向相一致。当在电极1和电极2之间施加电压，压阻结构左右两侧电极3和4之间具有更高的电势差，能够产生更高的感测信号输出，即具备更好的灵敏性。
优选采用p-type硅基底作为MEMS振镜结构材料，在p-type硅基底上进一步掺杂n-type材料作为本硅基压阻式传感器材料，这样压阻掺杂部分与硅基底材料的构成信号屏蔽结构，即p-n结，可以有效防止传感器感测信号泄露和受到外部信号影响，如图3(b)所示。再选择n-type材料作为本硅基压阻式传感器材料基础上，通过晶向选择来进一步提升压力传感器的感测灵敏性。通常情况下，压阻传感器感测扭转杆固定端切向应力的灵敏性主要决定于压阻系数π44，在硅材料(100)晶面上，压阻系数π44沿着<100>或者<010>晶向具有最大值。如图3(a)所示，在硅材料(100)晶面上，基于n-type硅基压阻式传感器的晶向(即两个电极7之间方面)沿着<100>或者<010>方向，对应扭转杆的长度方位为<110>晶向。如图3(b)所示，n-type压阻材料与金属电极接触部分，还额外高浓度掺杂n-type来实现欧姆接触。
对于压阻材料，掺杂的n-type浓度在1018至1019atoms/cm3为最佳，高浓度掺杂的n-type大概为1020至1021atoms/cm3范围为最佳；压阻尺寸为10×10至30×30μm2方形结构为最佳效果；高浓度n-type掺杂尺寸5μm直径大小圆形结构即可；离子掺杂的深度100-200nm为最佳。较佳地，压阻材料上面增加一层二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(Si3N4)薄膜，以防止外界条件(湿气等)对压阻材料性能产生影响。
图4为MEMS振镜及硅基压阻式角度传感器的整体工作示意图。当外界驱动电源施加到MEMS振镜的驱动器上面时，反射镜会在驱动器的作用下以谐振式或静态式进行扭转运动。当外界点激光照射在反射镜镜面时，通过反射镜的不断扭转摆动，呈现在屏幕上为一条激光线。同时，对硅基压阻式传感器施加驱动电源，基于扭转杆固定端剪切应力分布导致硅基压阻式传感器的电势分布产生变化，该电势差通过放大器进行放大，即为所需感测信号输出。
实施例的硅基压阻式角度传感器的工作原理如图5(a)所示，当MEMS振镜的反射镜产生扭转运动时，在电极1和2之间施加直流电源，由于剪切应力分布所导致的电极3和4之间的电势差，即为该硅基压阻式角度传感器的信号输出。图5(b)为MEMS振镜电源信号驱动与角度感测信号输出的示波器实际采集图，其中，示出了MEMS振镜的驱动电源信号(正弦波信号)，以及硅基压阻式角度传感器的角度感测信号，其感测信号大小与反射镜扭转角度大小具有一一对应关系。
另外，该方形硅基压阻结构的尺寸大小可以自由选择，四个电极(高掺杂浓度)的尺寸大小也可以对应调整。
在另一种实施例中，也可以选择p型材料作为硅基压阻式传感器的感测材料，而硅基底材料为n型材料，在(100)晶面上电极-1和电极-3的晶向为<110>晶向，当在电极-1和电极-2之间施加直流电源，电极-3和电极-4之间也能够输出最大感测信号。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离发明申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种带硅基压阻式传感器的MEMS器件，包括MEMS振镜和硅基压阻式传感器，所述MEMS振镜包括反射镜、两个扭转杆和MEMS驱动器，所述反射镜通过所述两个扭转杆固定在所述MEMS驱动器上，所述硅基压阻式传感器基于惠斯通桥结构布局，用于感测所述反射镜的扭转角度，其特征在于，所述硅基压阻式传感器为正方形或者长方形结构，放置在所述扭转杆的固定端位置附近，所述硅基压阻式传感器在所述反射镜扭转的剪切应力作用下产生的电势能梯度方向与应力梯度方向相一致，其中，在连接正方形或者长方形结构的所述硅基压阻式传感器的上下两端的电极之间施加电压，连接正方形或者长方形结构的所述硅基压阻式传感器的左右两侧的电极之间的电势差产生感测信号输出。
2.如权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述硅基压阻式传感器的硅基底材料为p型材料，掺杂n型材料作为硅基压阻式传感器的感测材料，掺杂材料与所述硅基底材料的构成p-n结。
3.如权利要求2所述的MEMS器件，其特征在于，在硅材料(100)晶面上，所述硅基压阻式传感器的晶向为<100>或者<010>晶向，对应所述扭转杆的长度方位为<110>晶向。
4.如权利要求2或3所述的MEMS器件，其特征在于，掺杂的n型材料包括与电极相接处的高浓度掺杂n型材料，所述高浓度掺杂n型材料的浓度为1020至1021atoms/cm3，其余部分所掺杂的n型材料的浓度为1018至1019atoms/cm3。
5.如权利要求4所述的MEMS器件，其特征在于，所述高浓度掺杂n型材料的离子掺杂的深度100-200nm。
6.如权利要求4所述的MEMS器件，其特征在于，所述高浓度掺杂n型材料的尺寸为5μm直径的圆形结构。
7.如权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述硅基压阻式传感器的硅基底材料为n型材料，掺杂p型材料作为硅基压阻式传感器的感测材料。
8.如权利要求7所述的MEMS器件，其特征在于，在硅材料(100)晶面上，所述硅基压阻式传感器的晶向为<110>晶向，对应所述扭转杆的长度方位。
9.如权利要求1至3任一项所述的MEMS器件，其特征在于，所述硅基压阻式传感器的压阻材料上设置有一层二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(Si3N4)薄膜。
10.如权利要求1至3任一项所述的MEMS器件，其特征在于，所述硅基压阻式传感器为10×10至30×30μm2的方形结构。
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