CN1920576A - 基于(111)硅的微机械加速度传感器及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于(111)硅的微机械加速度传感器及其制造方法，该传感器是由一片(111)单晶硅基板和上、下基板各一片构成，(111)硅基板上的惯性质量块是由同一基板上的至少一对弹性悬梁连接到固定边框，在外来加速度作用下可作垂直于基板表面方向的运动，并引起其与上、下基板上的平板电极间的电容发生变化，以检测外来加速度。所述弹性悬梁相对于(111)硅基板为上下对称，其制造和尺度控制是由硅化学各向异性腐蚀和高深宽比干法刻蚀工艺组合实现的，(111)硅基板与上基板、下基板通过对准键合连接。该传感器实现闭环检测，具有结构对称性好、工艺可控性好、检测精度高、易于多轴集成等特点，应用于石油地震勘探等领域。

Description

基于(111)硅的微机械加速度传感器及制造方法

技术领域

本发明涉及一种基于(111)硅的微机械加速度传感器及其制作方法，采用微电子机械加工技术制作，属于微电子机械系统(MEMS)领域。

背景技术

加速度传感器，在惯性导航、姿态控制、振动测量、石油勘探等领域有广泛而重要的应用。利用微电子机械加工技术(Micro-machining Technology)制作的微机械加速度传感器，具有体积小、成本低、可批量生产、环境适应性好等特点。

目前的微机械加速度传感器在检测方面主要采用开环和闭环方式，闭环工作的传感器具有更高的动态范围、更高的检测精度。RobertH.Bullis等人提出一种三明治结构的微机械加速度传感器(“Capacitive accelerometer with mid-plane proof mass”，美国专利5008774)，其中，用于电容检测的加速度质量块由两个硅片键合形成，而对称分布的悬挂支撑梁(hinge)是通过重掺杂硼(B)实现自终止腐蚀而制造出来，这些梁位于惯性质量块中部。该惯性质量块可上下运动，通过测量由此运动引起的与上下基板检测电极间的电容变化，以获得加速度信息。该传感器可以闭环工作。在Gessner等人提出的微机械加速度传感器(“Micromechanical accelerometerand method of manufacture thereof”，美国专利5504032)，由5块硅片组成，中央可动惯性质量块与硅片的连接梁利用双面各向异性腐蚀形成。该传感器可工作在闭环方式。Warren等人提出的力平衡式微机械加速度传感器(“Method for forming an electrostaticallyforce balanced silicon accelerometer”，美国专利5503285)，惯性质量块是由两块互补的(Complementary)硅质量块键合而成，悬挂支撑梁在离子注入的硅上由自终止腐蚀形成。Selvakumar等人提出的应用于地震勘探的加速度传感器的设计与制造方法(“Sensordesign and process”，美国专利6871544)中，其传感器由4块硅片组成，中央可动惯性质量块是由2块硅片键合而成，并且制有真空抽气通道；弹性梁同样是在两硅片上分别形成的。

从上述微机械加速度传感器的结构设计，尤其是制作工艺上可以看出，普遍存在工艺比较复杂的不足，惯性质量块的制作均需要多硅片键合，这要求高精度的键合对准，高掺杂(或离子注入)腐蚀终止法制作悬挂支撑梁会引入较高的应力。这些不仅增加的工艺成本，而且会增加微机械结构的非对称性，增加了闭环控制的复杂性，对传感器的稳定性、温度特性等都有负面作用。另外，这种多硅片键合制作惯性质量块的方法和结构设计，很难实现单片的三轴集成，在三分量应用场合，通常需采用三轴组装的方式，在定位精度、定位成本、长期稳定可靠性等方面都存在大量挑战。

发明内容

为解决上述的问题，本发明提供一种基于(111)硅的微机械加速度传感器及制造方法，该传感器是由一片(111)单晶硅基板和上、下基板各一片构成，并且

a)在(111)硅基板上有惯性质量块、至少一对弹性悬梁、边框；该弹性悬梁相对于(111)硅基板为上下对称，且每根弹性悬梁的一端连接于惯性质量块上，另一端连接于边框上；

b)惯性质量块可以在弹性悬梁的支撑下作垂直于(111)硅基板表面方向的运动；

c)(111)硅基板是有边框与上基板及下基板键合连接的；

d)上基板的下表面上有上平板电极，该上平板电极与(111)硅基板间为电绝缘隔离，并与惯性质量块及空气间隙共同构成上电容；同时，下基板的上表面上有下平板电极，该下平板电极与(111)硅基板间为电绝缘隔离，并与惯性质量块及空气间隙共同构成下电容；

e)至少一个基板上分布有过载保护凸点结构。

所述在(111)硅基板的上下表面对称制造的弹性悬梁的各边分别平行于和垂直于(111)硅基板表面上的<110>晶向。

所述(111)硅基板上的惯性质量块的最长边分别平行于和垂直于(111)硅基板表面上的<110>晶向。

所述的弹性悬梁的厚度小于弹性悬梁的宽度，并且远小于惯性质量块厚度。

所述的弹性悬梁的厚度不小于5微米。

上电容和下电容相对于(111)硅基板为上下对称，其空气间隙是上基板下表面的凹部、或下基板上表面的凹部、或(111)硅基板的上下表面的凹部。

所述的惯性质量块上有阻尼通孔阵列。

本发明是通过如下的主要步骤制作来实现的：

a)在(111)硅基板的上表面或上基板的下表面形成凹部，作为电容空气间隙，并形成过载保护凸点；在(111)硅基板的下表面或下基板的上表面形成凹部，作为电容空气间隙，并形成过载保护凸点；

b)在(111)硅基板上对应于前述凹部区域，垂直于硅基板上、下表面进行双面对准刻蚀至所需深度，在对称位置形成沿<110>晶向的上限制沟槽和下限制沟槽；

c)沉积钝化层覆盖(111)硅基板的上下表面，并填充腐蚀上下限制沟槽的底面和侧面；

d)垂直于(111)硅基板下表面刻蚀至所需深度，形成平行于下限制沟槽的沿<110>晶向的腐蚀沟槽，其沿<110>晶向的沟槽侧壁为(110)晶面；同时，该沟槽底面与上表面距离不大于限制沟槽深度；

e)对腐蚀沟槽中的(110)晶面侧壁进行化学各向异性腐蚀，直至其横向腐蚀宽度大于弹性悬梁所需宽度；然后，去除下表面钝化层；

f)在下基板的上表面形成下平板电极；在下基板表面形成下引线电极；

g)将(111)硅片基板的下表面与下基板的上表面对准键合，与(111)基板及空气间隙构成下电容；

h)在(111)硅片基板的上表面形成中引线电极；

i)垂直(111)硅片基板上表面进行贯通基板的深刻蚀，形成惯性质量块、至少一对弹性悬梁、阻尼通孔阵列、边框；

j)在上基板的下表面形成上平板电极；在上基板表面形成上引线电极；

k)将(111)硅片基板的上表面与上基板的下表面对准键合，与(111)基板及上间隙构成上电容；

l)经划片等工艺，实现传感器芯片的分离。

所述上限制沟槽和下限制沟槽的沿(110)方向的长度远远大于其宽度，同时，所述腐蚀沟槽的沿(110)方向的长度远远大于其宽度。

该传感器检测垂直于(111)硅基板表面方向的外来加速度，并且可以闭环检测。

综上所述，根据本发明实现的基于(111)硅的微机械加速度传感器，是由一片(111)单晶硅基板和上、下基板各一片构成的；惯性质量块是由至少一对在同一(111)硅基板上形成的弹性悬梁连接到固定边框，在外来加速度作用下可作垂直于基板表面方向的运动，通过检测其与上、下基板上的平板电极间的电容变化，可获得外来加速度信息。所述的弹性悬梁相对于(111)硅基板为上下对称，其制造和尺度控制是由硅化学各向异性腐蚀和高深宽比干法刻蚀工艺组合实现的；(111)硅基板与上基板及下基板则是通过对准键合连接而形成整体。

本发明涉及的微机械加速度传感器，在结构上的核心部分是在单片(111)单晶硅基板上形成的、由至少一对基板上下表面对称位置的弹性悬梁连接支撑的、可以作垂直于(111)硅基板表面方向运动的惯性质量块。由于是在同一(111)单晶硅基板上制作的，微机械结构各部分，尤其是弹性悬梁及与其连接的惯性质量块和边框等在材料的性质上是完全相同的，可以最大程度减少甚至消除由掺杂等引起的应力及应力梯度对器件性能(如零点稳定性、温度漂移等)的影响。

本发明涉及的微机械加速度传感器的制作方法，结合硅化学各向异性腐蚀和高深宽比干法刻蚀工艺，在同一(111)单晶硅基板上制作出惯性质量块、相对于(111)硅基板上下对称配置的至少一对弹性悬梁等核心微结构，无需进行多片硅基板的对准键合，大大降低了制造工艺难度，有利于提高成品率，降低制作成本。特别是弹性悬梁的制作，充分利用了硅(111)、(110)晶面及钝化层的腐蚀速率的高度差异，或选择性，通过制作沿<110>晶向腐蚀限制沟槽等来对化学各向异性腐蚀行为进行限制和控制，可以很好地保证弹性悬梁在尺度和位置上的对称性，这有利于抑制交叉耦合和提高传感器性能。

本发明的优越功效在于：

1)该传感器可以实现对垂直于基板表面的外来加速度的闭环检测，具有结构对称性好、工艺可控性好、检测精度高、制作工艺简单易控、成本较低、动态响应好等特点，可应用于石油地震勘探等领域。

2)本发明的核心部分是(111)硅基板上形成的、由至少一对基板上下表面对称位置的弹性悬梁连接支撑的、可以作垂直于(111)硅基板表面方向运动的惯性质量块。由于是在同一(111)单晶硅基板上制作的，微机械结构的各个部分，尤其是弹性悬梁及与其连接的惯性质量块和边框等在材料的性质上是完全相同的，可以最大程度减少甚至消除由于掺杂等引起的应力及应力梯度对器件性能，如零点稳定性、温度漂移等的影响。

3)本发明涉及的微机械加速度传感器的制作方法，结合硅化学各向异性腐蚀和高深宽比干法刻蚀工艺，在同一(111)单晶硅基板上制作出惯性质量块、相对于(111)硅基板上下对称配置的至少一对弹性悬梁等核心微结构，无需进行多片硅基板的对准键合，大大降低了制造工艺难度，有利于提高成品率，降低制作成本。特别是弹性悬梁的制作，充分利用了硅(111)、(110)晶面及钝化层的腐蚀速率的高度差异，或选择性，来对化学各向异性腐蚀行为进行限制和控制，可以很好地保证弹性悬梁在尺度和位置上的对称性，这有利于抑制交叉耦合和提高传感器性能。

4)本发明的微机械加速度传感器，可以与其他加速度传感器实现单片集成，由于微电子机械系统(MEMS)工艺特点，可以保证正交性，有利于实现小型化的三轴集成加速度传感器微系统。

附图说明

图1为本发明的微机械加速度传感器的整体断面示意图；

图2(包括图2a、图2b)为本发明的微机械加速度传感器中的(111)硅基板的俯视图和断面图；

图3(包括图3a、图3b)为本发明的微机械加速度传感器中的上基板的断面图和下表面示意图；

图4(包括图4a、图4b)为本发明的微机械加速度传感器中的下基板的断面图和上表面示意图；

图5(包括图5a～图5f)为本发明的(111)单晶硅基板的制作工艺流程断面图；

图6(包括图6a～图6e)为本发明的上基板的制作工艺流程断面图；

图7(包括图7a～图7e)为本发明的下基板的制作工艺流程断面图；

图8(包括图8a～图8h)为本发明的基板整合和微结构释放制作工艺流程断面图；

图9(包括图9a～图9c)为单晶硅各向异性化学腐蚀原理说明图；

图10(包括图10a、图10b)为本发明的微机械加速度传感器的基本工作原理说明图；

图11为基于(111)硅的微机械加速度传感器的三轴正交组合示意图。

附图中标号说明

100--(111)硅基板；

101-边框；

102a--(111)硅基板的上表面；      102b--(111)硅基板的下表面；

103--惯性质量块；

103a--惯性质量块的最长边；       103b--惯性质量块的最宽边；

104-弹性悬梁；

104a--弹性悬梁的上表面；          104b--弹性悬梁的下表面；

105--阻尼通孔阵列；               106--中引线电极；

107a--中间锚点；                  107b-角部锚点；

110a-上限制沟槽；                 110b-下限制沟槽；

111a-钝化层；                     111b-钝化层；

113-腐蚀沟槽；

200-上基板；

201a-上表面；                     201b-下表面；

202-电绝缘隔离层；                203-上凹部；

204-过载保护凸点；                205-上平板电极；

206-上引线电极；

300-下基板；

301a-上表面；                     301b-下表面；

302-电绝缘隔离层；                303-下凹部；

304-过载保护凸点；                305-下平板电极；

306-下引线电极；

401-掩膜层；                      500-基板；

600-三基板整合体；

601-Z向的传感器；                 602-Y向的传感器；

603-X向的传感器；

610a-固定电极；                   610b-固定电极；

611a-可动电极；                   611b-可动电极；

612a-弹性梁；                     612b-弹性梁；

613a-固定电极上的电容梳齿；       613b-固定电极上的电容梳齿；

614a-可定电极上的电容梳齿；       614b-可定电极上的电容梳齿；

615a-惯性质量块；                 615b-惯性质量块；

620-分离沟槽。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐明本发明的结构特征和制作过程。

本发明提供一种基于(111)硅的微机械加速度传感器及其制造方法，该传感器是由一片(111)单晶硅基板100和上基板200、下基板300各一片构成，并且

a)在(111)硅基板100上有惯性质量块103、至少一对弹性悬梁104、边框；该弹性悬梁104相对于(111)硅基板100为上下对称，且每根弹性悬梁104的一端连接于惯性质量块103上，另一端连接于边框101上；

b)惯性质量块103可以在弹性悬梁104的支撑下作垂直于(111)硅基板100表面方向的运动；

c)(111)硅基板100是有边框101与上基板200及下基板300键合连接的；

d)上基板的下表面201b上有上平板电极205，该上平板电极205与(111)硅基板100间为电绝缘隔离层202，并与惯性质量块103及空气间隙共同构成上电容；同时，下基板的上表面301a上有下平板电极305，该下平板电极305与(111)硅基板100间为电绝缘隔离302，并与惯性质量块103及空气间隙共同构成下电容；

e)至少一个基板上分布有过载保护凸点结构204/304。

所述在(111)硅基板100的上表面102a、下表面102b对称制造的弹性悬梁104的各边分别平行于和垂直于(111)硅基板100表面上的<110>晶向。

所述(111)硅基板100上的惯性质量块103的最长边103a分别平行于和垂直于(111)硅基板100表面上的<110>晶向。

所述的弹性悬梁104的厚度小于弹性悬梁的宽度103b，并且远小于惯性质量块厚度。

所述的弹性悬梁的厚度不小于5微米。

上电容和下电容相对于(111)硅基板100为上下对称，其空气间隙是上基板下表面201b的凹部、或下基板上表面301a的凹部、或(111)硅基板100的上下表面102a/102b的凹部。

所述的惯性质量块103上有阻尼通孔阵列105。

本发明是通过如下的主要步骤制作来实现的：

a)在(111)硅基板100的上表面102a或上基板200的下表面201b形成凹部，作为电容空气间隙，并形成过载保护凸点204；在(111)硅基板100的下表面102b或下基板300的上表面301a形成凹部，作为电容空气间隙，并形成过载保护凸点304；

b)在(111)硅基板100上对应于前述凹部区域，垂直于硅基板上表面102a、下表面102b进行双面对准刻蚀至所需深度，在对称位置形成沿<110>晶向的上限制沟槽110a和下限制沟槽110b；

c)沉积钝化层覆盖(111)硅基板100的上下表面102a/102b，并填充腐蚀上下限制沟槽110a/110b的底面和侧面；

d)垂直于(111)硅基板100下表面102b刻蚀至所需深度，形成平行于下限制沟槽110b的沿<110>晶向的腐蚀沟槽113，其沿<110>晶向的沟槽侧壁为(110)晶面；同时，该沟槽底面与上表面距离不大于限制沟槽深度；

e)对腐蚀沟槽113中的(110)晶面侧壁进行化学各向异性腐蚀，直至其横向腐蚀宽度大于弹性悬梁104所需宽度；然后，去除下表面钝化层；

f)在下基板300的上表面301a形成下平板电极305；在下基板300表面形成下引线电极306；

g)将(111)硅片基板100的下表面102b与下基板300的上表面301a对准键合，与(111)基板100及空气间隙构成下电容；

h)在(111)硅片基板100的上表面102a形成中引线电极106；

i)垂直(111)硅片基板100上表面102a进行贯通基板的深刻蚀，形成惯性质量块103、至少一对弹性悬梁104、阻尼通孔阵列105、边框101；

j)在上基板200的下表面201b形成上平板电极205；在上基板200表面形成上引线电极206；

k)将(111)硅片基板100的上表面102a与上基板200的下表面201b对准键合，与(111)基板100及上间隙构成上电容；

l)经划片等工艺，实现传感器芯片的分离。

所述上限制沟槽110a和下限制沟槽110b的沿(110)方向的长度远远大于其宽度，同时，所述腐蚀沟槽113的沿(110)方向的长度远远大于其宽度。

该传感器检测垂直于(111)硅基板100表面方向的外来加速度，并且可以闭环检测。

请参阅附图1、2、3、4所示，附图1为本发明的微机械加速度传感器的整体断面示意图，该传感器由(111)硅基板100、上基板200和下基板300组成，是本实施例的首选结构。图2a是(111)硅基板100的俯视图，图2b是(111)硅基板100沿A-A’截线的断面图；图3a是上基板200的俯视图，图3b是上基板200沿B-B’截线的断面图；图4a是下基板300的俯视图，图4b是下基板300沿C-C’截线的断面图。

如图2a、2b所示，(111)硅基板100的上表面102a下表面102b形成有平行于<110>晶向形成的弹性悬梁104，(上表面的104a和下表面的104b)，这些弹性悬梁104经由中间锚点107a和角部107b将惯性质量块103与边框101连接起来，惯性质量块103上有垂直于(111)硅基板100的阻尼通孔阵列105，(111)硅基板100的上表面102a上形成的中引线电极106。弹性悬梁104的厚度不小于5微米，但远小于惯性质量块103的厚度。惯性质量块103的最长边103a、最宽边103b分别平行于和垂直于<110>晶向。

如图3a、3b所示，上基板200的下表面201b形成有上凹部203，上凹部203中的过载保护凸点204结构上平板电极205，上基板200的下表面201b上的电绝缘隔离层202，以及上基板200的上表面201a上有上引线电极206。

如图4a、4b所示，下基板300的上表面301a形成有下凹部303，下凹部303中的过载保护凸点304结构和下平板电极305，下基板300的上表面301a上的电绝缘隔离层302，以及下基板300的下表面301b上有下引线电极306。

请参阅附图所示，为本发明的(111)单晶硅基板的制作工艺流程断面图，其制造工艺流程主要包括以下工艺步骤：

(一)(111)单晶硅基板100的制作工艺流程(参阅附图5a～5f)：

a)选择(111)单晶硅基板100；

b)在(111)硅基板100的上表面102a或上基板200的下表面201b形成上凹部203，作为电容空气间隙，并形成过载保护凸点204；在(111)硅基板100的下表面102b或下基板300的上表面301a上形成下凹部303，作为电容空气间隙，并形成过载保护凸点304；

c)在(111)硅基板100上对应于前述凹部区域，垂直于上表面102a和下表面102b进行双面对准刻蚀至所需深度t0，在对称位置形成沿<110>晶向的长度远远大于宽度的上限制沟槽110a和下限制沟槽110b；

d)在(111)硅基板100的上表面102a和下表面102b形成钝化层111a和111b，同时钝化材料填充上限制沟槽110a和下限制沟槽110b。钝化层111a和111b可以是热氧化硅(SiO₂)薄膜，也可以是沉积Si₃N₄薄膜等，这些钝化材料在化学各向异性腐蚀溶液中的腐蚀速率很小，可以保护基板表面、上下限制沟槽底面和侧面，对腐蚀过程进行控制和限制。

e)垂直于(111)硅基板100下表面102b进行刻蚀至所需深度，形成沿<110>晶向的、平行于下限制沟槽110b的长度远远大于宽度的腐蚀沟槽113，其沿<110>晶向的沟槽侧壁为(110)晶面；同时，该沟槽底面与上表面距离t1不大于限制沟槽深度t0；

f)利用KOH水溶液等碱性腐蚀液对腐蚀沟槽113的(110)晶面侧壁进行化学各向异性腐蚀，直至其横向腐蚀宽度大于弹性悬梁104所需宽度W；然后，去除下表面钝化层111b；

(二)上基板的制作工艺流程(参阅附图6a～6e)：

a)选择硅基板作为上基板200，但并不局限于硅基板，也可选用玻璃基板等。

b)在上基板200的下表面201b，利用KOH水溶液等碱性腐蚀液对硅进行腐蚀，形成上凹部203和过载保护凸点204。但并不局限于碱性腐蚀液的腐蚀，也可利用反应离子深刻蚀(DRIE)工艺对硅进行刻蚀。

c)在上表面201a形成热氧化硅(SiO₂)层，作为电绝缘隔离层202。该绝缘层也可以是沉积Si₃N₄层等。

d)在上凹部203形成铝(Al)材料的上平板电极205。该上平板电极205的材料也可以是金(Au)或其他导电薄膜材料。

e)在上基板200的上表面201a，形成铝材料的上引线电极206。该上引线电极206也可以采用金(Au)或其他导电薄膜材料，也可以选取上基板200的其他位置。

(三)下基板的制作工艺流程(参阅附图7a～7e)：

a)选择硅基板作为下基板300，但并不局限于硅基板，也可选用玻璃基板等。

b)在下基板300的上表面301a，利用KOH水溶液等碱性腐蚀液对硅进行腐蚀，形成下凹部303和过载保护凸点304。但并不局限于碱性腐蚀液的腐蚀，也可利用反应离子深刻蚀(DRIE)工艺对硅进行刻蚀。

c)在上表面301a形成热氧化硅(SiO₂)层，作为电绝缘隔离层302。该绝缘层也可以是沉积Si₃N₄层等。

d)在下凹部303形成铝(Al)材料的下平板电极305。该下平板电极305的材料也可以是金(Au)或其他导电薄膜材料。

e)在下基板300的下表面301b，形成铝材料的下引线电极306。该下引线电极306也可以采用金(Au)或其他导电薄膜材料，也可以选取下基板300上的其他位置。

(四)基板整合和微结构释放制作工艺流程(参阅附图8a～8h)：

a)取已完成制作流程(一)的(111)硅基板100和完成制作流程(三)的下基板300；

b)将(111)硅基板100与下基板300对准，完成第一次键合。与(111)基板100及下间隙构成下电容；

c)在(111)硅片基板100的上表面102a形成铝(Al)材料的中引线电极106。该中引线电极106的材料也可以是金(Au)或其他导电薄膜材料。

d)在(111)硅片基板100的上表面102a、中引线电极106、钝化层111a上形成刻蚀图形掩膜层401。

e)利用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，根据掩膜层401确定的刻蚀，垂直刻蚀(111)硅片基板100，直至穿透整个基板，形成惯性质量块103、弹性悬梁104(上表面的104a和下表面的104b)、边框101、阻尼通孔阵列105等，实现微结构的释放，去除上表面102a上的钝化层111a。完成第一次整合的基板500。

f)取已完成制作流程(二)的上基板200。

g)取已完成第一次整合的基板500。

h)将上基板200与基板500对准，完成第二次键合。

i)经划片等工艺，实现传感器芯片的分离。

由以上所述工艺步骤，制作出本发明涉及的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器。

本实施例涉及一种基于(111)硅的微机械加速度传感器的制作方法的关键工艺之一是单晶硅的化学各向异性腐蚀，这是微机械电子系统(MEMS)技术领域的成熟而重要加工手段之一，参阅附图9对其原理进行说明。所谓单晶硅的化学各向异性腐蚀工艺指的是在化学腐蚀溶液中，硅的腐蚀速率与被腐蚀硅表面晶向(晶面方向)有关，这是因为不同结晶表面的原子密度和悬挂键密度不同。硅(111)晶面具有最高的原子密度和最低的悬挂键密度，因此是慢腐蚀晶面；而(100)和(110)晶面则是快腐蚀晶面。例如，在氢氧化钾(KOH)腐蚀溶液中，一般而言，(110)与(111)晶面的腐蚀速率比大于100，甚至在一定条件下可以达到170。单晶硅经化学各向异性腐蚀形成的几何结构，通常是由这些慢腐蚀晶面和快腐蚀晶面构成和决定的。图9a、9b分别是(100)和<110>晶向的单晶硅基板上，以SiO2或Si3N4为掩膜，对各自腐蚀窗口中的硅基板进行化学各向异性腐蚀的结果示意图。如图9c中，首先对(111)晶向的单晶硅基板上的腐蚀窗口进行垂直刻蚀，形成沟槽，如图9d然后再对其硅侧壁进行化学各向异性腐蚀，由于该侧壁为(110)晶面，所以侧向腐蚀很快，而对底面(111)晶面则腐蚀很慢。此外，热氧化硅(SiO2)、Si3N4等钝化材料在其中的腐蚀速率也非常小，可以用作腐蚀掩膜或阻挡材料。单晶硅的化学各向异性腐蚀溶液除KOH水溶液外，还有TMAH(四甲基氢氧化铵)、EPW(邻苯二酚、水和乙二胺混合溶液)等其他碱性水溶液。

在本发明中，(111)硅基板100上的至少一对弹性悬梁104(上表面的104a和下表面的104b)就是利用(111)硅基板的化学各向腐蚀特性进行制作的。沿<110>晶向的上下限制沟槽110a和110b的深度t0可以在刻蚀过程中得到精确控制，而这些限制沟槽中填充的钝化材料(热氧化硅SiO2，或沉积Si3N4等)在随后的、通过同样沿<110>晶向腐蚀沟槽113进行的横向腐蚀过程中起到控制弹性悬梁104厚度的作用。开始的腐蚀过程就如同附图9c一样，但当横向腐蚀前沿到达上下限制沟槽110a和110b后，越过限制沟槽后的腐蚀，在厚度方向，即沿(111)晶面的腐蚀速率是非常缓慢的，这样弹性悬梁104的厚度就可以得到精确控制，而且可以在(111)硅基板100的上下表面同时形成对称的弹性悬梁104微结构。弹性悬梁104的厚度等尺度和位置对称性对于器件的动态响应，如灵敏度、频响等，器件性能都具有重要意义。

由于本发明中，弹性悬梁104及与其连接的惯性质量块103和边框101等在材料的性质上是完全相同的，是从同一(111)硅基板中形成的，可以最大程度减少甚至消除由注入、掺杂等过程引起的晶格损伤、应力及应力梯度对器件性能，如零点稳定性、温度漂移等的影响。

请参阅附图10所示，对本发明涉及的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器的基本工作原理进行说明。如图10a所示为该加速度传感器的微机械结构的局部放大图，惯性质量块103与上平板电极205通过空气介质，构成上平板电容C1；而惯性质量块103与下平板电极305通过空气介质，构成下平板电容C2。C1和C2的初始静态电容值C10和C20，是由惯性质量块103与上下平板电极205和305之间的相对面积、以及惯性质量块103与上下平板电极205和305间的初始距离d10和d20决定。

如图10b所示，当传感器受到具有沿垂直于基板方向的外来加速度g(附图中以向下方向为例)时，根据牛顿第二定律：F＝M*a，惯性质量块103将受到沿外来加速度g的方向的惯性力，引起弹性悬梁104a和104b向相同方向发生弯曲，惯性质量块103同时发生同方向位移，与上下平板电极205和305之间的距离分别变化为d1和d2，这时，

      d1＞d10，而d2＜d20

同时，|d1-d10|＝|d2-d20|

因此，上下电容C1和C2的值均发生相应变化。根据弹性悬梁104的变形量，即惯性质量块103的位移量与所受惯性力间的物理关系，通过检测C1或C2的电容值的变化都可以获得外来加速度g的信息，如大小、频率等。电容C1和C2的值及其变化的检测可以通过连接端口1-对应于(111)硅基板100上的中引线电极106、2-对应于上基板200上的上引线电极206和3-对应于下基板300上的下引线电极306的接口电路来实现。这就是所谓开环检测方法。

利用开环检测方法，对于传感器结构要求较低，比较方便。实际上，只需要(111)硅基板100与下基板300完成第一次基板整合后的结构，就可以通过检测C2的变化来获得外来加速度g的信息。但是，开环检测在检测的精度、带宽等性能的提高受到较多限制。本发明涉及的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器可以工作在闭环检测方式。如图10b，当受到图中的外来加速度g作用后，惯性质量块103向下基板300方向发生位移，这时，

      d1＞d10，而d2＜d20

同时，|d1-d10|＝|d2-d20|

所谓闭环检测方式，在惯性质量块103与上平板电极205之间施加反馈静电力，其大小足以将惯性质量块103拉回其初始位置。这样，惯性质量块103在外来加速度惯性力与反馈静电力的共同作用下，回复初始位置。闭环系统的输出电压正比于被测加速度，这就是所谓闭环检测方法。电容C1和C2的值及其变化的检测及反馈静电力的施加和控制可以通过在连接端口1、2和3的接口电路来实现。闭环传感器有诸多优点，如精度高、灵敏度高，线性好、量程大，动态特性好，即时间常数小，固有频率高。高精度测量应用，一般要求加速度传感器采用闭环检测方式。本发明涉及的基于(111)硅的微机械加速度传感器能实现闭环检测。

弹性悬梁104的宽度大于其厚度，可以更好地抑制其它方向外来加速度的影响，也即对交叉耦合有较好的抑制作用；同时，惯性质量块103的上下对称配置的一对以上的弹性悬梁104对交叉耦合的抑制也有正面作用。过载保护凸点204和304，在惯性质量块103受到强加速度作用时，可以限制惯性质量块103在垂直于基板表面方向的位移范围，是器件可靠性的有力保障。阻尼通孔阵列105，可以用来对惯性质量块103在运动中的阻尼进行调节和控制，对器件结构的动态响应有重要作用。

如上所述，本发明所涉及的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器，具有结构对称性好、利于闭环控制，精度高等特点。可以在单片(111)硅基板上制作通常需要多硅片制作的传感器关键微结构，而且器件结构的对称性、关键尺度等可以实现精确控制，这都有利于器件结构动态特性的改善和器件性能的提高。

请参阅附图11所示，本发明的另一实施例涉及一种基于(111)硅的微机械加速度传感器三轴正交组合。如前实施例中相同的三基板整合体600上，同时制作出可分别检测三个正交方向外来加速度的传感器组合，即检测Z向加速度的传感器601、检测Y向加速度的传感器602和检测X向加速度的传感器603。为简明起见，图11中，三基板整合体600的上基板并未画出，而只是从(111)硅基板100上方的俯视图。

如前实施例中，传感器601主要包括在(111)硅基板100上的边框101、惯性质量块103、弹性悬梁104(上表面的104a和下表面的104b)、阻尼通孔阵列105。传感器602和603的结构，主要包括在(111)硅基板100上的固定电极610a和610b、可动电极611a和611b、弹性梁612a和612b、固定电极上的电容梳齿613a和613b、可定电极上的电容梳齿614a和614b、惯性质量块615a和615b。620是传感器间的分离沟槽，以保证传感器间的隔离。

传感器601的工作原理在前实施例中已经说明。传感器602和603是典型的电容检测型加速度传感器，但并不局限于这种结构，外来加速度可通过检测电容梳齿612和613间电容变化而获得，只是由于惯性质量块的运动方向不同，而检测不同方向的外来加速度，其原理是相同的。

在本实施例中的传感器601、602、603的制作方法上，传感器601的制作与前实施例相同，传感器602和603的惯性质量块、固定电极及其上梳齿、可动电极及其上梳齿、弹性梁等结构，均可以在刻蚀形成传感器601中的惯性质量块、弹性悬梁、阻尼通孔阵列等的同一工艺步骤中刻蚀形成。因此，三个检测正交外来加速度的微机械加速度传感器组合可以实现集成制造。

如上所述，本发明所涉及的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器，作为一种Z方向(垂直于基板表面)加速度传感器，可以与其它典型的X方向、Y方向(平行于基板表面)加速度传感器，实现集成制造。三方向加速度传感器的正交性是由微电子机械系统(MEMS)制造工艺的光刻精度决定的，可以得到很好保证，对于降低正交偏差、减小校准成本等都有积极的作用。同时，在相同基板上的集成制作，有利于封装尺寸的减小、接口电路的小型化，最终可以实现小型化的三轴集成加速度传感器微系统。

Claims (10)

1、一种基于(111)硅的微机械加速度传感器，其特征在于：

传感器是由一片(111)单晶硅基板和上、下基板各一片构成，

并且

a)在(111)硅基板上有惯性质量块、至少一对弹性悬梁、边框；该弹性悬梁相对于(111)硅基板为上下对称，且每根弹性悬梁的一端连接于惯性质量块上，另一端连接于边框上；

b)惯性质量块可以在弹性悬梁的支撑下作垂直于(111)硅基板表面方向的运动；

c)(111)硅基板是有边框与上基板及下基板键合连接的；

d)上基板的下表面上有上平板电极，该上平板电极与(111)硅基板间为电绝缘隔离，并与惯性质量块及空气间隙共同构成上电容；同时，下基板的上表面上有下平板电极，该下平板电极与(111)硅基板间为电绝缘隔离，并与惯性质量块及空气间隙共同构成下电容；

e)至少一个基板上分布有过载保护凸点结构。

2、根据权利要求1所述的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器，其特征在于：

所述在(111)硅基板的上下表面对称制造的弹性悬梁的各边分别平行于和垂直于(111)硅基板表面上的<110>晶向。

3、根据权利要求1所述的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器，其特征在于：

所述(111)硅基板上的惯性质量块的最长边分别平行于和垂直于(111)硅基板表面上的<110>晶向。

4、根据权利要求1所述的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器，其特征在于：

所述的弹性悬梁的厚度小于弹性悬梁的宽度，并且远小于惯性质量块厚度。

5、根据权利要求1所述的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器，其特征在于：

所述的弹性悬梁的厚度不小于5微米。

6、根据权利要求1所述的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器，其特征在于：

上电容和下电容相对于(111)硅基板为上下对称，其空气间隙是上基板下表面的凹部、或下基板上表面的凹部、或(111)硅基板的上下表面的凹部。

7、根据权利要求1所述的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器，其特征在于：

惯性质量块上有阻尼通孔阵列。

8、一种基于(111)硅的微机械加速度传感器的制造方法，其特征在于：

其制造方法包括以下步骤：

a)在(111)硅基板的上表面或上基板的下表面形成凹部，作为电容空气间隙，并形成过载保护凸点；在(111)硅基板的下表面或下基板的上表面形成凹部，作为电容空气间隙，并形成过载保护凸点；

b)在(111)硅基板上对应于前述凹部区域，垂直于硅基板上、下表面进行双面对准刻蚀至所需深度，在对称位置形成沿<110>晶向的上限制沟槽和下限制沟槽；

c)沉积钝化层覆盖(111)硅基板的上下表面，并填充腐蚀上下限制沟槽的底面和侧面；

d)垂直于(111)硅基板下表面刻蚀至所需深度，形成平行于下限制沟槽的沿<110>晶向的腐蚀沟槽，其沿<110>晶向的沟槽侧壁为(110)晶面；同时，该沟槽底面与上表面距离不大于限制沟槽深度；

e)对腐蚀沟槽中的(110)晶面侧壁进行化学各向异性腐蚀，直至其横向腐蚀宽度大于弹性悬梁所需宽度；然后，去除下表面钝化层；

f)在下基板的上表面形成下平板电极；在下基板表面形成下引线电极；

g)将(111)硅片基板的下表面与下基板的上表面对准键合，与(111)基板及空气间隙构成下电容；

h)在(111)硅片基板的上表面形成中引线电极；

i)垂直(111)硅片基板上表面进行贯通基板的深刻蚀，形成惯性质量块、至少一对弹性悬梁、阻尼通孔阵列、边框；

j)在上基板的下表面形成上平板电极；在上基板表面形成上引线电极；

k)将(111)硅片基板的上表面与上基板的下表面对准键合，与(111)基板及上间隙构成上电容；

l)经划片等工艺，实现传感器芯片的分离。

9、根据权利要求8所述的一种基于(111)硅的微机械加速度传感器的制造方法，其特征在于：

所述上限制沟槽和下限制沟槽的沿(110)方向的长度远远大于其宽度，同时，所述腐蚀沟槽的沿(110)方向的长度远远大于其宽度。

10、一种基于(111)硅的微机械加速度传感器的检测方法，其特征在于：

该传感器检测垂直于(111)硅基板表面方向的外来加速度，并且可以闭环检测。

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