CN116835521A - 一种低噪声mems加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低噪声MEMS加速度计，通过大尺寸质量块、多组串联折叠梁、带空腔的上下玻璃盖板结构，增大了敏感质量、降低了谐振频率、提高了品质因子，实现了低热机械噪声的加速度计；同时，本发明提出的基于三角形电极的位移‑电容传感阵列，优化了单位面积内的电极排布方式，提高了电容传感灵敏度。本发明通过深反应离子刻蚀技术实现了低噪声的质量‑弹簧振子结构，通过热压键合和胶键合的方式实现了玻璃‑硅‑玻璃的三明治加速度计结构，提高了MEMS加速度计的性能。

Description

一种低噪声MEMS加速度计

技术领域

本发明属于微机电技术领域，特别涉及一种低噪声MEMS加速度计。

背景技术

微机电系统(MEMS，Micro Electro Mechanical System)包括微传感器、微驱动器和相应的处理电路，是在微电子和微机械技术基础上发展起来的新学科。它采用集成电路兼容的批量加工技术制造，构成的原件尺寸在毫米-微米量级范围内，相比传统机械器件具有体积小、重量轻、可靠性高、易于集成等优点，极大地提高了系统的自动化、智能化和可靠性水平。MEMS加速度计是利用微机械加工技术，将加速度信号转换为惯性力完成物理量检测的惯性仪表。相较于传统加速度计，MEMS加速度计具有体积小、成本低、抗过载能力强、可批量加工生产等优点。目前，MEMS加速度计不仅成为微型惯性测量组合的核心元件，也迅速扩大到其他民用领域。传统的MEMS加速度计主要应用于汽车电子、商业电子等低精度场景，器件本底噪声较高，无法满足地震预警、油气勘探等高精度任务需求。当对低噪声MEMS加速度计的研发较少，如何设计一款可以进行微震信号检测的低噪声MEMS加速度计，是现阶段需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低噪声MEMS加速度计，该加速度计实现了大敏感质量区、低谐振频率和高品质因子的整体结构，减小了器件的热机械噪声；在传统蛇形折叠梁基础上，实现了带中间框架的E形折叠梁结构，减小了寄生模式影响，抑制了交叉轴串扰；提出了基于三角形电极的位移-电容传感阵列，通过交叉放置两组电极，使得电极排布更加紧密，提高了整个有效检测周期内的电容检测灵敏度。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种低噪声MEMS加速度计，包括一个带类U型空腔的上玻璃层、一个质量-弹簧振子硅层、一个带大面积矩形空腔的下玻璃层和两组马蹄形磁铁；上玻璃层上表面有一层金属上电极阵列、上内部焊盘、上金属密封圈和用于所述上玻璃层和所述质量-弹簧振子结构层键合的焊料层；质量-弹簧振子硅层包括大尺寸敏感质量区、与敏感质量区相连的带中间框架的E形折叠梁结构和与折叠梁相连的振子外框架，振子硅层上表面有一层金属层结构，包括与所述上玻璃层表面的金属上电极阵列组成位移-电容传感器的三角形下电极阵列、用于电磁反馈的金属线圈、用于信号传输的下内部焊盘、下金属密封圈和外部焊盘；马蹄形磁铁包括磁轭、马蹄形磁铁和磁极片；加速度计的敏感质量区、E形折叠梁结构、外框架的厚度相同，并且均处于同一上表面。低噪声MEMS加速度计的结构包括上玻璃基底层、上玻璃金属层、上玻璃焊料层、硅基底层、绝缘层1、欧姆接触层、金属层1、绝缘层2、金属层2和下玻璃基底层。所述上、下玻璃基底层均为带空腔的硼硅玻璃；所述上玻璃金属层包括金属上电极阵列、上内部焊盘、上金属密封圈；上玻璃焊料层为用于所述上玻璃层和所述质量-弹簧振子结构层键合的焊料锡；所述硅基底层包括质量-弹簧振子结构和外框架；所述金属层1包括零电位层和信号走线；所述金属层2包括三角形下电极阵列、金属线圈、下内部焊盘、下金属密封圈、外部焊盘和信号走线。

加速度计的敏感轴方向为水平方向，当敏感轴方向输入加速度信号时，所述敏感质量区受到惯性力的作用发生位移，E形折叠梁串联结构随之形变，总是一边拉伸一边压缩，形成与惯性力反向的弹力，使所述质量-弹簧振子结构趋于稳定，将输入加速度信号转换为所述敏感质量区的位移信号。

弹簧梁结构包括关于所述敏感质量区对称的带中间框架的串联E形折叠梁。E形折叠梁是在传统蛇形折叠梁的基础上增加中间连接梁改进得到，多组折叠梁串联，并通过中间框架连接，形成了振子的弹簧结构。

敏感质量区的上表面溅射了三角形下电极阵列，采用特殊的三角形形状，包含两组交叉放置的电极阵列。上玻璃的上表面溅射了传统矩形上电极阵列，上下电极形成基于三角形电极的电容传感器，实现敏感质量区的位移检测。

反馈驱动器采用电磁反馈方式，两组马蹄形磁铁分别设置在器件的上下方，形成外部磁路，在电磁线圈中通入电流，根据导电线圈在磁场中受到洛伦兹力的原则，可以完成电磁方式的闭环反馈。

低噪声MEMS加速度计的加工工艺，包括如下步骤：

S1：在上玻璃晶圆正面制作空腔、金属上电极阵列和焊料层；

S2：在下玻璃晶圆正面制作空腔和胶合层；

S3：在硅晶圆正面制作三角形下电极阵列、金属线圈、下内部焊盘、下金属密封圈和外部焊盘；

S4：在硅晶圆正面进行深反应离子刻蚀，刻穿形成质量-弹簧振子结构；

S5：利用热压键合、胶键合的方式分别实现硅晶圆与上玻璃晶圆、下玻璃晶圆的键合。

步骤S1中对上玻璃晶圆进行激光刻蚀，刻蚀出空腔，减小器件的滑膜阻尼；接着溅射金属对准标记，与激光刻蚀的十字标记对准，用于后续版图的定位；接着利用光刻溅射后剥离的方式形成上玻璃的金属上电极阵列，与硅层三角形下电极阵列形成电容传感器；最后通过电镀的方式形成厚焊料，形成上下电极之间的电容间隙，并为后续信号传输和热压键合做准备；

步骤S2对下玻璃晶圆进行激光刻蚀，刻蚀出空腔；接着溅射金属对准标记；最后旋涂光刻胶，为下玻璃与硅的胶键合做准备；

步骤S3中包括对准标记层、绝缘层1、欧姆接触层、金属层1、绝缘层2、金属层2的制作，其中涉及光刻、RIE、PECVD、溅射等工艺；

步骤S4中对硅晶圆进行深反应离子刻蚀，为避免切边效应同时提高刻蚀速率，先在硅晶圆背面溅射一层铝薄膜；刻蚀2/3深度后，利用光刻胶贴片继续刻蚀，直至全部刻穿；最后溶解光刻胶和铝层，释放硅体结构。

步骤S5中包括两次晶圆级键合，由于胶键合温度较低，因此首先进行上玻璃晶圆与硅晶圆之间的热压键合，接着进行硅晶圆与下玻璃晶圆之间的胶键合。

经过上述步骤，低噪声MEMS加速度计加工完成。

本发明的有益效果为：本方案设计了一种低噪声MEMS加速度计，可以实现较低的热机械噪声，低噪声通过大敏感质量区、低谐振频率、高品质因子实现。大敏感质量区通过大尺寸硅质量块实现；低谐振频率通过多组串联折叠梁实现；高品质因子通过在上下玻璃盖板刻蚀空腔实现。质量-弹簧振子结构的加工通过深反应离子刻蚀形成质量块与串联折叠梁结构，上下玻璃盖板的加工通过激光刻蚀形成大面积、深尺寸的空腔。相较于传统MEMS加速度计，本发明涉及的低噪声MEMS加速度计还实现了带中间框架的E形折叠梁结构，提高了寄生模式抑制比，减小了寄生模式影响，抑制了交叉轴串扰。此外，本发明实现了基于三角形电极的位移-电容传感阵列，可以增加电极排布密度，提高整个检测周期内的灵敏度。

附图说明

图1a是本发明低噪声MEMS加速度计的横截面示意图；

图1b是本发明低噪声MEMS加速度计的上玻璃层拆分3D图；

图1c是本发明低噪声MEMS加速度计的硅层拆分3D图；

图1d是本发明低噪声MEMS加速度计的下玻璃层3D图；

图2a是本发明低噪声MEMS加速度计的带中间框架的E形梁振子结构示意图；

图2b是本发明低噪声MEMS加速度计的基于三角形电极的位移-电容传感阵列示意图；

图3a-图3i是本发明低噪声MEMS加速度计的上玻璃晶圆加工流程图；

图4a-图4e是本发明低噪声MEMS加速度计的下玻璃晶圆加工流程图；

图5a-图5t是本发明低噪声MEMS加速度计的中间硅晶圆加工流程图；

图6a-图6b是本发明低噪声MEMS加速度计的三层晶圆键合流程图；

图7a是本发明图3a-图3i、图4a-图4e和图6a-图6b所用材质的说明图；

图7b是本发明图5a-图5t和图6a-图6b所用材质的说明图。

附图标记：1、上玻璃层；2、硅层；3、下玻璃层；4、马蹄形磁铁；5、上电极阵列；6、上内部焊盘；7、上金属密封圈；8、焊料层；9、敏感质量区；10、E形折叠梁结构；11、外框架；12、三角形下电极阵列；13、金属线圈；14、下内部焊盘；15、下金属密封圈；16、外部焊盘；17、磁轭；18、磁铁本体；19、磁极片；101、上玻璃基底层；102、上玻璃金属层；103、上玻璃焊料层；201、硅基底层；202、绝缘层1；203、欧姆接触层；204、金属层1；205、绝缘层2；206、金属层2；301、下玻璃基底层。

具体实施方式

以下所述仅是本发明的优选实施方式，保护范围并不仅局限于该实施例，凡属于本发明思路下的技术方案应当属于本发明的保护范围。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。

本发明设计了一种低噪声MEMS加速度计，如图1a，包括一个带类U型空腔的上玻璃层、一个质量-弹簧振子硅层、一个带大面积矩形空腔的下玻璃层和两组马蹄形磁铁；上玻璃层上表面有一层金属上电极阵列、上内部焊盘、上金属密封圈和用于所述上玻璃层和所述质量-弹簧振子结构层键合的焊料层；质量-弹簧振子硅层包括大尺寸敏感质量区、与敏感质量区相连的带中间框架的E形折叠梁结构和与折叠梁相连的振子外框架，振子硅层上表面有一层金属层结构，包括与所述上玻璃层表面的金属上电极阵列组成位移-电容传感器的三角形下电极阵列、用于电磁反馈的金属线圈、用于信号传输的下内部焊盘、下金属密封圈和外部焊盘；马蹄形磁铁包括磁轭、磁铁本体和磁极片。低噪声MEMS加速度计的结构包括上玻璃基底层、上玻璃金属层、上玻璃焊料层、硅基底层、绝缘层1、欧姆接触层、金属层1、绝缘层2、金属层2和下玻璃基底层，具体拆分效果如图1b、图1c和图1d所示。所述上、下玻璃基底层均为带空腔的硼硅玻璃；所述上玻璃金属层包括金属上电极阵列、上内部焊盘、上金属密封圈；上玻璃焊料层为用于所述上玻璃层和所述质量-弹簧振子结构层键合的焊料锡；所述硅基底层包括质量-弹簧振子结构和外框架；所述金属层1包括零电位层和信号走线；所述金属层2包括三角形下电极阵列、金属线圈、下内部焊盘、下金属密封圈、外部焊盘和信号走线。

低噪声MEMS加速度计的质量振子-弹簧结构包括大尺寸敏感质量区块、三组串联E形折叠梁和中间框架。加速度计的敏感质量区、E形折叠梁结构、外框架的厚度相同，并且均处于同一上表面。左右两侧的串联E形折叠梁关于敏感质量区对称；中间框架连接在串联的E形折叠梁之间；E形梁在传统蛇形折叠梁的基础上增加中间连接梁改进得到，如图2a。加速度计的敏感轴方向为图中x轴方向。

敏感质量区的上表面溅射了三角形下电极阵列，采用特殊的三角形形状，包含两组相邻交叉放置的电极阵列，根据不同质量块位移选择不同的电极阵列输出，可以提高电容传感的灵敏度；上玻璃的上表面溅射了传统矩形上电极阵列，将上玻璃翻转后，上下电极形成基于三角形电极的位移-电容传感阵列，如图2b，实现敏感质量区的位移检测。

两组马蹄形磁铁分别设置在器件的上下方，形成外部磁路；敏感质量区上表面溅射了金属线圈；当通入电流后，金属线圈在马蹄形磁铁形成的磁场中受洛伦兹力，完成电磁方式的闭环反馈。

当敏感轴方向输入加速度时，所述敏感质量区受到惯性力的作用发生位移，E形折叠梁串联结构随之形变，总是一边拉伸一边压缩，形成与惯性力反向的弹力，使所述质量-弹簧振子结构趋于稳定，最终可以得到其中，x为质量块的位移，m为振子质量，k为振子刚度系数，a为输入加速度的大小，ω₀为系统无阻尼自振角频率。如果能检测到质量块的相对位移，就可以检测到输入加速度的大小。

基于三角形电极的位移-电容传感阵列的原理是将正负电压间隔输入到上玻璃盖上表面电极阵列中，上玻璃盖上下翻转后，敏感质量区上表面的三角形下电极阵列与上玻璃盖上表面两个左右矩形上电极板阵列分别形成差分电容C₁和C₂。当没有输入加速度时，下电极阵列与两上电极阵列的正对面积相等，则对于三角形电极，当下电极移动距离/>时，电容差值为其中，n为每组下电极阵列中电极板的个数，ε为介电常数，l为三角形电极板的高度，w为三角形电极板底部宽度，d为下电极板与两上极板的间距。质量块位移的变化引起电容差值的变化，通过后级电路检测电极板的电荷变化量，则可以得到输入加速度的大小。

低噪声MEMS加速度计的具体加工步骤包括：

a、在上玻璃晶圆正面制作空腔、金属上电极阵列和焊料层

b、在下玻璃晶圆正面制作空腔和胶合层；

c、在硅晶圆正面制作三角形下电极阵列、金属线圈、下内部焊盘、下金属密封圈和外部焊盘；

d、在硅晶圆正面进行深反应离子刻蚀，刻穿形成质量-弹簧振子结构；

e、利用热压键合、胶键合的方式分别实现硅晶圆与上玻璃晶圆、下玻璃晶圆的键合；

步骤a中的上玻璃晶圆经过激光刻蚀、溅射、电镀等加工步骤制成，具体步骤包括：

S1：上玻璃晶圆1是厚度1mm的BF33玻璃，用作上盖板，如图3a；

S2：通过激光加工的方式在上玻璃晶圆上刻蚀40μm深的对准标记和500μm深的类U型空腔，如图3b；

S3：在上玻璃晶圆正面喷涂光刻胶并图案化，如图3c；

S4：在上玻璃晶圆正面溅射100nm的Cr，并剥离光刻胶，用作对准标记和划片槽，如图3d；

S5：在上玻璃晶圆正面喷涂光刻胶并图案化，如图3e；

S6：在上玻璃晶圆正面溅射50nmTiW、80nmNi、400nmAu，并剥离光刻胶，用作金属上电极阵列、信号走线、上内部焊盘和上金属密封圈，如图3f；

S7：在上玻璃晶圆正面溅射100nm的金属种子层Al，使得整个表面都可以导电，如图3g；

S8：在上玻璃晶圆正面分四次喷涂光刻胶，分别曝光显影，最终形成20μm厚光刻胶并图案化，用铝腐蚀液去除未被保护的Al，如图3h；

S9：在上玻璃晶圆正面上金属密封圈和上内部焊盘位置电镀17μm的Sn焊料，用于热压键合。用丙酮加超声去除光刻胶，并用铝腐蚀液去除剩余的Al，如图3i。

步骤b中的下玻璃晶圆经过激光刻蚀、溅射等加工步骤制成，具体步骤包括：

S10：下玻璃晶圆3是厚度1mm的BF33玻璃，用作下盖板，如图4a；

S11：通过激光加工的方式在下玻璃晶圆上刻蚀40μm深的对准标记和500μm深的大面积空腔，如图4b；

S12：在下玻璃晶圆正面喷涂光刻胶并图案化，如图4c；

S13：在下玻璃晶圆正面溅射100nm的Cr，并剥离光刻胶，用作对准标记和划片槽，如图4d；

S14：在下玻璃晶圆正面旋涂10μm的光刻胶，用于胶键合，如图4e。

步骤c中对硅晶圆进行光刻、RIE、PECVD、溅射等工艺，具体步骤包括：

S15：硅晶圆2厚度为525μm，晶向为1 0 0晶向，用作器件最重要的功能层和结构层，如图5a；

S16：在硅晶圆两面分别旋涂光刻胶并图案化，如图5b；

S17：在硅晶圆两面通过RIE刻蚀2μm，并去胶，用作对准标记和划片槽，如图5c；

S17：在硅晶圆正面通过PECVD沉积500nm厚氧化硅，用作绝缘层1，如图5d；

S18：在硅晶圆正面旋涂光刻胶并图案化，如图5e；

S19：在硅晶圆正面通过RIE在绝缘层1上刻蚀500nm，留出欧姆接触的窗口，如图5f；

S20：在硅晶圆正面通过磁控溅射的方式依次溅射50nmTiW、60nmPt、500nmAu，通过丙酮浸泡加超声的方式，剥离窗口外的金属，退火完成欧姆接触，如图5g；

S21：在硅晶圆正面旋涂光刻胶并图案化，如图5h；

S22：在硅晶圆正面通过磁控溅射的方式依次溅射50nmTiW、60nmPt、400nmAu，通过丙酮浸泡加超声的方式剥离多余金属，退火完成金属层1，如图5i；

S23：在硅晶圆正面通过PECVD沉积650nm厚氧化硅，如图5j；

S24：在硅晶圆正面旋涂光刻胶并图案化，如图5k；

S25：在硅晶圆正面通过RIE刻蚀650nm的氧化硅，用丙酮溶解光刻胶，完成绝缘层2，如图5l；

S26：在硅晶圆正面旋涂光刻并图案化，如图5m；

S27：在硅晶圆正面通过磁控溅射的方式依次溅射50nmTiW、80nmNi、400nmAu，剥离退火后完成金属层2，如图5n；

步骤d中对硅晶圆进行深反应离子刻蚀，具体步骤包括：

S28：在硅晶圆背面溅射500nm的Al，如图5o；

S29：在硅晶圆正面旋涂厚光刻胶并图案化，如图5p；

S30：在硅晶圆正面通过RIE刻蚀500nm，以刻蚀绝缘层1的氧化硅，如图5q；

S31：硅晶圆转移到SPTS 601E设备中完成Bosch工艺循环，做深反应离子刻蚀(DRIE)，如图5r；

S32：当刻蚀到约420μm深度时，将晶圆从刻蚀机中取出，在背面旋涂厚光刻胶8μm，粘在另一片操作晶圆上(起支撑作用)，自然固化3-4天，继续进行DRIE，直到刻穿整个结构，如图5s；

S33：用丙酮溶解光刻胶，并使用铝腐蚀液去除背面Al层，释放硅晶圆，如图5t；

步骤e中进行三层结构的晶圆级键合，具体步骤包括：

S33：将上玻璃晶圆上下翻转，使上玻璃晶圆的金属层位于硅层正上方，通过十字标记对准，在280℃的温度下通过夹具施加压力保持60min完成热压键合，如图6a；

S34：在下玻璃晶圆旋涂厚光刻胶后，将下玻璃晶圆与硅晶圆键合，在120℃温度下后烘30min，如图6b；

经过键合工艺后，低噪声MEMS加速度计结构全部加工完成。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低噪声MEMS加速度计，包括上玻璃层(1)、硅层(2)、下玻璃层(3)和两组马蹄形磁铁(4)，其特征在于，所述上玻璃层(1)上设有一个U型空腔，所述下玻璃层(3)上设有一个矩形空腔，所述硅层(2)为质量-弹簧振子硅层(2)，

所述上玻璃层(1)的上表面设有一层金属上电极阵列(5)，所述上玻璃层(1)上还设有上内部焊盘(6)、上金属密封圈(7)和焊料层(8)，所述焊料层(8)用于键合上玻璃层(1)和质量-弹簧振子硅层(2)；

所述质量-弹簧振子硅层(2)包括大尺寸敏感质量区(9)、与敏感质量区(9)相连的带中间框架的E形折叠梁结构(10)以及与E形折叠梁结构(10)相连的振子外框架(11)；

所述质量-弹簧振子硅层(2)上表面有一层金属层结构，所述金属层结构包括三角形的下电极阵列，所述下电极阵列与上玻璃层(1)表面的金属上电极阵列(5)组成位移-电容传感器，所述金属层结构还包括用于电磁反馈的金属线圈(13)、用于信号传输的下内部焊盘(14)、下金属密封圈(15)和外部焊盘(16)；

所述马蹄形磁铁(4)包括磁轭(17)、磁铁本体(18)和磁极片(19)；

所述敏感质量区(9)、E形折叠梁结构(10)和振子外框架(11)的厚度相同，并且所述敏感质量区(9)、E形折叠梁结构(10)和振子外框架(11)均处于同一上表面。

2.根据权利要求1所述的一种低噪声MEMS加速度计，其特征在于，所述敏感质量区(9)的敏感轴方向为水平方向。

3.根据权利要求1所述的一种低噪声MEMS加速度计，其特征在于，所述E形折叠梁结构(10)包括关于所述敏感质量区(9)对称的带中间框架的E形折叠梁(10)，所述E形折叠梁(10)包括蛇形折叠梁和中间连接梁，多组所述E形折叠梁(10)串联，并通过中间框架连接，以形成振子的弹簧结构。

4.根据权利要求3所述的一种低噪声MEMS加速度计，其特征在于，所述下电极阵列位于所述敏感质量区(9)的上表面，所述下电极阵列内设有两组交叉放置的电极阵列，所述金属上电极阵列(5)为矩形电极，所述矩形的金属上电极阵列(5)与三角形的下电极阵列配合，形成基于三角形电极的电容传感器，所述电容传感器用于检测敏感质量区(9)的位移。

5.根据权利要求1所述的一种低噪声MEMS加速度计，其特征在于，所述上玻璃层(1)、硅层(2)和下玻璃层(3)组合成反馈驱动器，所述反馈驱动器采用电磁反馈方式，两组所述马蹄形磁铁(4)分别设置在反馈驱动器的上方和下方，以形成外部磁路。

6.一种低噪声MEMS加速度计的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在上玻璃晶圆正面制作空腔、金属电极和焊料层；

S2：在下玻璃晶圆正面制作空腔和胶合层；

S3：在硅晶圆正面制作三角形下电极阵列、金属线圈、下内部焊盘、下金属密封圈和外部焊盘；

S4：在硅晶圆正面进行深反应离子刻蚀，刻穿形成质量-弹簧振子结构；

S5：利用热压键合、胶键合的方式分别实现硅晶圆与上玻璃晶圆、下玻璃晶圆的键合。