CN114236178A - 一种全对称的mems全硅摆式加速度计及惯性导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于加速度计领域，涉及一种全对称的MEMS全硅摆式加速度计及惯性导航系统。加速度计为上下对称结构，包括：底支撑硅层、中间硅层、顶支撑硅层，以及介于中间硅层与底支撑硅层的底层隔离硅层，介于中间硅层与和顶支撑硅层之间的顶层隔离硅层；各硅层通过硅硅键合方式固连，通过氧化绝缘层进行电气绝缘；底支撑硅层和顶支撑硅层结构相同且镜像对称的硅层，底层隔离硅层和顶层隔离硅层结构相同且镜像对称的隔离硅层；隔离硅层用于隔离中间硅层和硅层之间的寄生电容，底支撑硅层、底层隔离硅层、顶层隔离硅层和顶支撑硅层都为中心对称结构；中间硅层沿自身的两个弹性梁的中垂线对称。
Description
技术领域
本发明属于加速度计领域，涉及一种全对称的MEMS全硅摆式加速 度计及惯性导航系统。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统)器件是一种 微纳器件，主要包括传感器和执行器，在航空航天领域、国防科技领域、 工业生产领域和日常生活等领域发挥重要的作用。
高精度MEMS加速度计凭借其在体积、成本、功耗，以及可靠性等 方面的优势，在工业及军事领域有着广泛的应用需求。目前，主要应用于 振动监测、微重力测量、惯性导航、地震波检测重要领域。高精度MEMS 加速度计按照检测原理可以大致分为电容式、隧道电流式和谐振式三大 类。其中电容式MEMS高精度加速度计由于其拥有较高的灵敏度、稳定 的直流特性、低噪声、低温漂、低功耗等诸多优点，因而是一种极具潜力 的MEMS高精度加速度计解决方案。
三明治结构的差分电容式加速度计是一种常见的电容硅微加速度计， 常见采用三明治结构的差分电容式MEMS高精度加速度计中间硅层多采 用单硅层片结构，即多为摆式结构。该类结构常采用阳极键合和硅硅键合 两类技术进行封装：由于阳极键合本身存在电压影响、键合应力、材料失 配应力以及离子污染等问题，在高精度加计产品制备过程中，存在很多难 题。硅硅键合技术由于是同种材料键合，且键合不需要施加电压，因此有 诸如温度性能好、产品一致性好、长期稳定性好等优势。
硅硅键合采用亲水键合工艺将三个硅片键合在一起，各层之间采用氧 化层进行绝缘，分别形成硅微加计的上电极、中间硅层和下电极。但是采 用这种方法制备方式制备MEMS加速度计的电容由有效电容和寄生电容 两部分组成，寄生由氧化层厚度和刻蚀面积决定，通常由于氧化层厚度波 动、线宽尺寸等波动，造成寄生电容不一致，进而影响两侧电容的对称性， 影响硅微加计的性能。除此之外由于结构上的非对称设计，造成加工过程 中(如键合应力导致的圆片翘曲)内应力不对称，无法实现对等抵消，尤 其是在随温度变化时，不对称结构因为热膨胀产生的伸缩量不一样，进而 产生不对称的偏移量，影响硅微加计两侧电容大小，影响硅微加计的性能。
针对以上寄生电容不对称的问题，采用寄生电容隔离技术，将寄生电 容与有效电容分离，进而通过寄生电容接地，消除寄生电容带来的影响， 提升MEMS加速度计的精度、稳定性和可靠性。针对结构不对称，通常 是尽可能寻求对称设计，但是往往受设计自身的限制，以及加工工艺的限 制，很难做到完全对称。
发明内容
本发明的目的是：设计一种全对称的MEMS全硅摆式加速度计及惯 性导航系统，采用硅硅键合技术实现各层之间的连接，采用隔离硅层消除 寄生电容，同时将底支撑硅层、顶支撑硅层以及隔离硅层实现对称设计， 可以使影响两侧电容变化因素相互抵消，该类型硅微加速度计具有优良的 长期稳定性和及其优异的温度性能。
本发明提供一种全对称的MEMS全硅摆式加速度计，为上下对称结 构，包括：底支撑硅层、中间硅层、顶支撑硅层，以及介于中间硅层与底 支撑硅层的底层隔离硅层，介于中间硅层与和顶支撑硅层之间的顶层隔离 硅层；各硅层通过硅硅键合方式固连，通过氧化绝缘层进行电气绝缘；
底支撑硅层和顶支撑硅层结构相同且镜像对称的硅层，底层隔离硅层 和顶层隔离硅层结构相同且镜像对称的隔离硅层；
隔离硅层用于隔离中间硅层和硅层之间的寄生电容，
底支撑硅层、底层隔离硅层、顶层隔离硅层和顶支撑硅层都为中心对 称结构；
中间硅层沿自身的两个弹性梁的中垂线对称。
进一步的，硅层的中心位置开设有硅通孔，硅通孔金属电极通过硅通 孔沉积到最接近的隔离硅层的硅电极。
进一步的，隔离硅层还包含隔离环、硅电极，隔离环向两端伸出对称 的一对硅引柱；预设侧的一对硅引柱上沉积有金属铝电极。
进一步的，中间硅层包括键合边框、弹性梁和可动硅结构，键合边框 向两端伸出对称的硅引柱，预设侧的硅引柱上沉积有金属铝电极；键合边 框的内边框与预设侧反向的一侧设置有弹性梁，弹性梁用于连接键合边框 和可动硅结构。
进一步的，隔离硅层通过干法刻蚀形成，各部分相互独立。
进一步的，硅层厚度的范围为200um～400um。
进一步的，氧化绝缘层采用热氧氧化方式制备。
进一步的，氧化绝缘层选择厚度在1～2um之间。
进一步的，固连的制备方式涉及的硅硅键合技术是一种硅与硅之间直 接键合连接的技术。
本发明提供一种惯性导航系统，包括：
上述全对称的MEMS全硅摆式加速度计。
本发明的有益效果
采用四次硅硅键合技术，在底/顶支撑硅层与中间硅层之间加入隔离硅 层，使用中将隔离硅层中的隔离环接地，消除寄生电容对有效电容的影响。 通过顶支撑硅层、底支撑硅层、隔离硅层，以及键合边框采用对称设计和 加工，可以使影响两侧电容变化因素相互抵消，提高MEMS加速度计精 度和稳定性和温度性能。
附图说明
图1是本发明的一种全对称的MEMS全硅摆式加速度计的截面图。
图2是表示顶/底支撑硅层以及硅通孔的分布图。
图3是表示干法刻蚀形成的硅电极、隔离环和硅引线柱的分布图。
图4是表示中间硅层的各部分分布图。
图5为另一种全对称的全硅摆式加计结构的截面图。
图6为硅通孔的排布以及相对位置的分布图。
图中：1-底支撑硅层、2-底层隔离硅层、3-中间硅层、4-顶层隔离硅层、 5-顶支撑硅层、6-氧化绝缘层、7-硅通孔、8-硅通孔金属电极、9-金属铝电 极；2-2上硅电极、3-2中心质量块(可动硅结构)；4-2下硅电极、2-1底 硅引线柱、3-1中间硅引线柱、4-1顶硅引线柱；2-3为底层隔离环、4-3 为顶层隔离环、3-4弹性梁。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图进行清楚、完整地描述。
本方案应用硅硅键合技术、寄生电容屏蔽技术，外加底支撑硅层、顶 支撑硅层以及隔离硅层实现全对称设计，彻底消除键合应力、封装应力、 寄生电容不对称等因素对有效电容的影响。基于该设计制备的全硅摆式加 速度计，产品具有优异的精度和温度特性，以及振动特性。除此之外，特 有的硅通孔+引线柱设计，可以将电信号直接引出，方便器件装配。
本发明提供一种全对称的MEMS全硅摆式加速度计，为上下对称结 构，包括：
底支撑硅层1、中间硅层3、顶支撑硅层5，以及介于中间硅层与底支 撑硅层的底层隔离硅层2，介于中间硅层与和顶支撑硅层之间的顶层隔离 硅层4；
各硅层通过硅硅键合方式固连，通过氧化绝缘层6进行电气绝缘；
底支撑硅层1和顶支撑硅层5结构相同且镜像对称的硅层，底层隔离 硅层2和顶层隔离硅层4结构相同且镜像对称的隔离硅层；
隔离硅层用于隔离中间硅层3和支撑硅层之间的寄生电容，
底支撑硅层1、底层隔离硅层2、顶层隔离硅层4和顶支撑硅层5都 为中心对称结构；
中间硅层沿自身的两个弹性梁3-4几何中心的中垂线对称。
支撑硅层的中心位置开设有硅通孔7，硅通孔金属电极8通过硅通孔 7沉积到最接近的隔离硅层的硅电极。
隔离硅层还包含隔离环、硅电极，隔离环向两端伸出对称的一对硅引 柱；预设侧的一对硅引柱上沉积有金属铝电极。
中间硅层3包括键合边框3-3、弹性梁3-4和可动硅结构3-2，键合边 框3-3向两端伸出对称的硅引线柱3-1，预设侧的硅引柱上沉积有金属铝 电极；键合边框3-3的内边框与预设侧反向的一侧设置有弹性梁3-4，弹 性梁3-4用于连接键合边框3-3和可动硅结构3-2。
隔离硅层通过干法刻蚀形成，各部分相互独立。
硅层厚度的范围为200um～400um。
氧化绝缘层采用热氧氧化方式制备。
氧化绝缘层选择厚度在1～2um之间。
本发明提供一种惯性导航系统，包括：
全对称的MEMS全硅摆式加速度计。一种全对称的MEMS全硅摆式 加速度计，包括底支撑硅层、中间硅层、顶支撑硅层，以及分别介于中间 硅层与底支撑硅层和顶支撑硅层之间的底层隔离硅层和顶层隔离硅层，中 间硅层包括键合边框、弹性梁和可动硅结构，其中
底层隔离硅层和顶层隔离硅层包括通过刻蚀形成的与键合边框对应 的隔离环和与可动中间硅层对应的硅电极，所述隔离环分别用于屏蔽底支 撑硅层与中间硅层之间的寄生电容，以及顶支撑硅层与中间硅层之间的寄 生电容。
底支撑硅层、底层隔离硅层、中间硅层、顶层隔离硅层和顶支撑硅层 各层之间采用氧化绝缘层实现绝缘，电容信号分别通过位于底支撑硅层与 顶支撑硅层上的硅通孔、以及硅引出柱引出。进一步的，顶支撑硅层、底 支撑硅层以及隔离硅层，以及键合边框，采用对称设计和加工，及各硅层 沿中心轴对称，同时分布于中间硅层两侧形成对称；进一步的，底支撑硅 层和隔离硅层厚度200um～400um之间，以此达到隔离封装应力并支撑引 线键合的目的，同时该厚度可以降低硅硅键合的难度，保证硅硅键合的成 活率；进一步的，隔离硅层上还包含隔离环、硅电极和引线硅柱，通过 干法刻蚀形成，各部分相互独立；进一步的，氧化绝缘层采用热氧氧化方 式制备，一般选择厚度1～2um之间，保证可以实现良好的硅硅键合，以 及达到降低寄生电容的目的；
实施例1：
图1所示是本发明介绍的一种全对称的MEMS全硅摆式加速度计： 采用湿法刻蚀技术在底支撑硅层1上刻蚀硅通孔7，使之形成带通孔的结 构，其中硅片厚度为300～400um，晶向为100。一般通孔为方孔，孔底尺 寸大于300um，这种设计可以方便湿法刻蚀加工成型，同时可以满足在孔 底直接打金丝的需求，可以有效避免采用金属电极将信号引出至表面而引 起的电极可靠性风险。之后采用硅硅键合方式将该结构与底层隔离硅层2 键合，该硅层厚度在200um～400um之间，氧化层绝缘层6厚度大于1um， 通常选择2um厚度的氧化层，一方面制备难度较低，同时2um厚度氧化 层带来寄生电容较小，对可动电荷有一定的抑制作用。之后在隔离硅层表 面光刻图形化，依次采用干法刻蚀技术刻蚀二氧化硅，刻蚀底支撑硅层， 形成底层隔离环2-3、底支撑硅层电极2-2和底硅引线柱2-1，之后采用二 氧化硅缓释溶液，刻蚀二氧化硅，时间大于20min，使得二氧化硅形成明 显的侧腐蚀，形成如图1所需虚线框内的结构，保证两硅层之间良好的绝 缘。采用相同的工艺加工顶支撑硅层5和顶层隔离硅层4。最终将带底层 隔离硅层2、顶层隔离硅层4的结构与中间硅层3硅硅键合，使之形成一 个整体，各层之间用用氧化绝缘层6实现绝缘。最后在硅通孔7、中间硅 层3，以及硅引线柱以及硅通孔7表面沉积金属铝电极9和金属电极7， 使之可以外部电路连接。金属铝电极采用硬掩膜镀制方式，仅在特定区域 沉积金属铝，铝层厚度控制在1um左右。该结构在两个轴向高度对称，以 此使得结构应力(如热应力、封装应力等)相互抵消。
上述制备方式涉及的硅硅键合技术，是一种硅与硅之间直接键合连接 的技术。实施方式为：选择加工好的氧化片和硅片，采用通用标准清洗液 (RCA1和RCA2，其中浓度比例为NH3.H2O：H2O2：H2O＝1：1：5； HCl：H2O2：H2O＝1：1：5)进行清洗，然后采用氧等离子体活化，之后 进行预键合，预键合在晶圆键合机内部实现。该结构采用三层一次键合技 术，利用特定的对准夹具，实现三层结构一次对准，然后放入键合机内部 施加压力，完成预键合。
预键合完成之后在1100℃氮气保护氛围退火2h。由于采用同种材料 键合，因此整个结构键合应力小，受温度变化影响较小，同时由于高温退 火会使得界面形成牢固的“Si—O—Si”化学键具有极高的可靠性，对于 键合真空度可以根据设计值进行调节，通常可以实现1～800mbar之间的真 空度。图2所示为顶支撑硅层5与硅通孔6，以及金属电极7的分布，硅 通孔为方孔形状，通孔采用LPCVD沉积的氮化硅作为掩蔽层，采用质量 浓度为40％KOH溶液为刻蚀溶液，在70℃～80℃下刻蚀成型。
图3所示为干法刻蚀隔离硅层制备的隔离环2-3、4-3、硅电极2-2、 4-2和硅引线柱2-1、4-1，各结构采用深硅干法刻蚀一次成型，其中硅引 线柱和隔离环连在一起，与硅电极相互独立，相互绝缘。该结构采用中心 对称设计，其中硅电极采用方形设计，键合边框尺寸一致，使得温变应力 以及其他封装应力可以相互抵消，提高器件的温度性能。
图4所示为中间硅层上的部件分布，包括中心质量块3-2，键合边框 3-3，弹性梁3-4，以及硅引线柱3-1。中心质量块一般采用湿法刻蚀技术 制备，通过反复运用复合掩膜技术，以及选择合适的刻蚀溶液(如KOH 刻蚀溶液)，可以形成特定类型的结构。
本方案应用硅硅键合技术、寄生电容屏蔽技术，外加底支撑硅层、顶 支撑硅层以及隔离层实现全对称设计，彻底消除有效电容的影响因素，产 品具有优异的精度和温度特性，以及振动特性。除此之外，特有的硅通孔 +引线柱设计，可以将电信号直接引出，方便器件装配。
实施例：
如图5所示，为另一种全对称的全硅摆式加计结构，其结构总体与实 施案例1类似，但是在将屏蔽层信号引出时，采用7-2的硅通孔设计，将 屏蔽层的信号通过硅通孔7-2以及其表面沉积的铝层8-2引出至表面，然 后通过表面的铝层可以将电信号引出。硅通孔的排布以及相对位置见图6 所示。硅通孔加工方式参照实施例1中硅通孔7的加工方式。采用这种该 方式，需要在底支撑层1和顶支撑层5表面生长一次氧化绝缘层6。氧化 绝层6可以保证各硅通孔之间信号相互绝缘。这种方式可以降低五层硅结 构之间在划片过程中由于硅片崩边导致的绝缘性变差的问题，降低加工难 度，提高成活率。
尽管以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明不局限于 上述的具体实施方案和应用领域，上述的实施方案仅仅是示意性的、指导 性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和再 不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以作出多种的形式， 这些均属于本发明的保护之列。
Claims (10)
1.一种全对称的MEMS全硅摆式加速度计，其特征在于，为上下对称结构，包括：底支撑硅层(1)、中间硅层(3)、顶支撑硅层(5)，以及介于中间硅层与底支撑硅层的底层隔离硅层(2)，介于中间硅层与和顶支撑硅层之间的顶层隔离硅层(4)；各硅层通过硅硅键合方式固连，通过氧化绝缘层(6)进行电气绝缘；
底支撑硅层(1)和顶支撑硅层(5)结构相同且镜像对称的硅层，底层隔离硅层(2)和顶层隔离硅层(4)结构相同且镜像对称的隔离硅层；
隔离硅层用于隔离中间硅层(3)和支撑硅层之间的寄生电容，
底支撑硅层(1)、底层隔离硅层(2)、顶层隔离硅层(4)和顶支撑硅层(5)都为中心对称结构；
中间硅层沿自身的两个弹性梁(3-4)几何中心的中垂线对称。
2.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，支撑硅层的中心位置开设有硅通孔(7)，硅通孔金属电极(8)通过硅通孔(7)沉积到最接近的隔离硅层的硅电极。
3.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，隔离硅层还包含隔离环、硅电极，隔离环向两端伸出对称的一对硅引柱；预设侧的一对硅引柱上沉积有金属铝电极。
4.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，中间硅层(3)包括键合边框(3-3)、弹性梁(3-4)和可动硅结构(3-2)，键合边框(3-3)向两端伸出对称的硅引线柱(3-1)，预设侧的硅引柱上沉积有金属铝电极；键合边框(3-3)的内边框与预设侧反向的一侧设置有弹性梁(3-4)，弹性梁(3-4)用于连接键合边框(3-3)和可动硅结构(3-2)。
5.根据权利要求2所述的加速度计，其特征在于，隔离硅层通过干法刻蚀形成，各部分相互独立。
6.根据权利要求2所述的加速度计，其特征在于，硅层厚度的范围为200um～400um。
7.根据权利要求2所述的加速度计，其特征在于，氧化绝缘层采用热氧氧化方式制备。
8.根据权利要求2所述的加速度计，其特征在于，氧化绝缘层选择厚度在1～2um之间。
9.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，固连的制备方式涉及的硅硅键合技术是一种硅与硅之间直接键合连接的技术。
10.一种惯性导航系统，其特征在于，包括：
权利要求1-9任一项所述的全对称的MEMS全硅摆式加速度计。
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