CN1431517A - Mems压阻式伺服加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

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本发明涉及一种MEMS压阻式伺服加速度传感器。包括三片硅片，三片硅片组成上硅帽、中间硅片和下硅帽的三明治结构，上下两层硅帽上均设反馈电极，中间硅片上设梁式结构，梁上设压敏电阻，组成惠斯登电桥来检测加速度信号，信号调制电路将电桥产生的输出电压变换成反馈电压作用于传感器的静电力反馈极板上形成闭环伺服检测。以及制备这种传感器的方法。降低了电路难度，在不需要高精度集成电路工艺的情况下实现了加速度传感器的伺服控制，提高了检测精度。所采用的三明治结构大大增强了传感器的抗冲击能力，扩大了该传感器的适用范围。可广泛应用于MEMS技术领域。

Description

MEMS压阻式伺服加速度传感器及其制备方法
本发明涉及一种MEMS(微电子机械系统)器件，尤其涉及一种MEMS压阻式伺服加速度传感器。
MEMS加速度传感器是微电子机械系统中较早开发出来的的产品之一。按原理可分为压阻式、电容式、压电式等几种，有关MEMS加速度传感器的工作机理和加工方法有很多的实验研究。参见A MONOLITHIC SILICONACCELEROMETER WITH INTERGRAL AIR DAMPING AND OVERRANGEPROTECTION，Phillip W.Barth，NovaSensor；A SIMPLE HIGH PERFORMANCEPIEZORESISTIVE ACCELEROMETER，James T.Suminto。然而由于加速度传感器测量的是动态信号，受使用环境的影响较大，导致加速度传感器的测量精度较低，通常精度范围在10％-1％之间，极大的限制了加速度传感器的应用，也使MEMS具有的体积小、重量轻、功能丰富以及批量生产成本低等优点没有得到真正的发挥。直到九十年代中后期ADI公司发明了ADXL系列MEMS电容式伺服加速度传感器，才真正使MEMS加速度传感器开始了批量生产和应用。参见UNDERSTANDING ACCELEROMETER SCALE FACTOR ANDOFFSET ADJUSTMENTS，Charles Kitchin，ANALOG DEVICES AN-396。然而，由于ADI公司的产品采用的原理是利用电容变化来检测加速度信号，电容变化的非线性及微小电容检测所带来的杂散信号干扰严重制约了加速度传感器的检测精度，检测电路复杂，由于该产品采用的是表面硅MEMS工艺，抗冲击能力差，这些都限制了MEMS加速度传感器在高精度加速度测量方面的应用。
本发明的目的是提供一种MEMS压阻式伺服加速度传感器，提高测试精度，增强抗冲击能力。以及一种制备这种MEMS压阻式伺服加速度传感器的方法。
本发明的MEMS压阻式伺服加速度传感器包括三片硅片，三片硅片组成上硅帽、中间硅片和下硅帽的三明治结构，上下两层硅帽上均设反馈电极，中间硅片上设梁式结构，梁上设压敏电阻，组成惠斯登电桥来检测加速度信号，信号调制电路将电桥产生的输出电压变换成反馈电压作用于传感器的静电力反馈极板上形成闭环伺服检测。
所述压敏电阻设于所述梁的最大应变区。
上下两层硅帽上均设限位结构。
本发明的制备MEMS压阻式伺服加速度传感器的方法，其步骤包括：
(1)版图设计：设定中间硅片的压阻位置，用p+将压阻引出敏感膜，通过双面光刻腐蚀背腔，再用ICP刻出梁的结构，刻出引线孔后溅射铝形成电气连接，溅射上下硅帽的反馈电极；
(2)用离子注入工艺形成压阻；
(3)扩散浓硼形成p+区；
(4)腐蚀背腔形成感压膜；
(5)刻蚀感压膜形成敏感梁；
(6)刻引线孔，溅射金属，合金，完成芯片的电气连接；
(7)在上下硅帽上溅射金属形成电极；
(8)将上下硅帽和中间结构层键合在一起。
本发明在版图设计中通过ANSYS软件模拟设定中间硅片的压阻位置将压阻位置设定于中间硅片梁的最大应变区。
上述制备中还在上下硅帽上腐蚀出限位结构。
本发明的MEMS压阻式伺服加速度传感器降低了电路难度，在不需要高精度集成电路工艺的情况下实现了加速度传感器的伺服控制，提高了检测精度。所采用的三明治结构大大增强了传感器的抗冲击能力，扩大了该传感器的适用范围。
附图说明：
图1现有MEMS加速度传感器结构示意图
1---固定端  2---压阻  3---悬臂梁  4---质量块
图2本发明的MEMS压阻式伺服加速度传感器结构示意图
5---上硅帽  6---敏感结构  7---下硅帽  8---反馈电极  9---限位块
图3 部分工艺示意图
(a)离子注入形成压阻(b)扩散形成p+连接(c)溅射铝，合金
(d)腐蚀，形成敏感结构
实施方案：
本发明采用三层硅片组成三明治结构，在中间一层硅片采用腐蚀、刻蚀等MEMS工艺制作出梁式结构，经优化设计后在梁的最大应变区采用注入工艺制作出与加速度信号成比例变化的压敏电阻，组成惠斯登电桥来检测加速度信号，再通过信号调制电路将电桥产生的与加速度信号成比例的输出电压变换成反馈电压作用于传感器的静电力反馈极板上，使梁工作在小变形状态，同时在上下两层硅帽上制作限位结构和反馈电极，形成闭环伺服检测。
以下是一具体的实施例：
本发明采用4英寸400微米厚N型<100>双面抛光单晶硅片，电阻率2-4Ωcm。
1、硅片清洗后进行原始氧化300-350nm；
2、采用离子注入工艺制备高精度压阻，注入条件为90-120KeV、1.0×1014cm-2-2.0×1014cm-2，然后进行硼驱入，条件为1000-1500℃，80-120分钟；
3、浓硼扩散形成p+连接，退火后体浓度＞5.0×1018cm-3；
4、KOH腐蚀背腔，形成感压膜；
5、ICP刻蚀感压膜，形成敏感梁；
6、刻引线孔，溅射铝，合金，400-420℃，30分钟；
7、KOH腐蚀硅帽，形成限位结构；
8、键合，划片。
整套工艺要注意各工序之间的兼容性，合理分配各工序的加工次序，避免因为KOH腐蚀时带来的钾离子污染其他工序。

Claims (7)

1、一种MEMS压阻式伺服加速度传感器，包括三片硅片，其特征在于三片硅片组成硅帽、中间硅片和下硅帽的三明治结构，上下两层硅帽上均设反馈电极，中间硅片上设梁式结构，梁上设压敏电阻，组成惠斯登电桥检测加速度信号，信号调制电路将电桥产生的输出电压变换成反馈电压作用于传感器的静电力反馈极板上形成闭环伺服检测。
2、如权利要求1所述的MEMS压阻式伺服加速度传感器，其特征在于所述压敏电阻设于所述梁的最大应变区。
3、如权利要求1所述的MEMS压阻式伺服加速度传感器，其特征在于上下两层硅帽上均设限位结构。
4、一种制备MEMS压阻式伺服加速度传感器的方法，其步骤包括：
(1)版图设计：设定中间硅片的压阻位置，用p+将压阻引出敏感膜，通过双面光刻腐蚀背腔，再用ICP刻出梁的结构，刻出引线孔后溅射铝形成电气连接，溅射上下硅帽的反馈电极；
(2)用离子注入工艺形成压阻；
(3)扩散浓硼形成p+区；
(4)腐蚀背腔形成感压膜；
(5)刻蚀感压膜形成敏感梁；
(6)刻引线孔，溅射金属，合金，完成芯片的电气连接；
(7)在上下硅帽上溅射金属形成电极；
(8)将上下硅帽和中间结构层键合在一起。
5、如权利要求4所述的制备MEMS压阻式伺服加速度传感器的方法，其特征在于在版图设计中通过ANSYS软件模拟设定中间硅片的压阻位置。
6、如权利要求4或5所述的制备MEMS压阻式伺服加速度传感器的方法，其特征在于压阻位置设定于中间硅片梁的最大应变区。
7、如权利要求4所述的制备MEMS压阻式伺服加速度传感器的方法，其特征在于在上下硅帽上腐蚀出限位结构。
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