專利名稱：一種雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器及制作方法，更確切地說(shuō)本發(fā)明涉及一種基于雙器件層SOI硅片的雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器及制作方法。屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微加速度傳感器是一種重要的慣性傳感器，將外界加速度這一物理信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于測(cè)量的電信號(hào)。硅微加速度傳感器的類型較多，按檢測(cè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)分，有角振動(dòng)式和線振動(dòng)式；按檢測(cè)質(zhì)量支承方式來(lái)分，有扭擺式和懸臂梁式；按信號(hào)檢測(cè)方式來(lái)分，有電容式、電阻式和隧道電流式；按控制方式來(lái)分，有開環(huán)和閉環(huán)之分。
電容式加速度傳感器是一種將被測(cè)的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電容器的電容量變化的傳感器。實(shí)現(xiàn)這種功能的方式通常有變間隙式和變面積式兩種。傳感器的可動(dòng)質(zhì)量塊構(gòu)成了可變電容的一個(gè)可動(dòng)電極，當(dāng)質(zhì)量塊受加速度作用而產(chǎn)生位移時(shí)，由可動(dòng)電極和固定電極構(gòu)成的兩個(gè)差分電容的間隙或相對(duì)面積發(fā)生變化，導(dǎo)致兩個(gè)差分電容的電容量發(fā)生變化，將這種變化量用外圍電路檢測(cè)出來(lái)就可測(cè)量加速度的大小。開環(huán)加速度傳感器的接口電路是開環(huán)的，沒(méi)有反饋，容易受外界干擾。閉環(huán)工作加速度傳感器采用反饋功能，把輸出電壓施加到敏感可動(dòng)質(zhì)量塊上，使質(zhì)量塊始終工作在零位附近，從而提高了線性度和抗干擾能力，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
制作電容式微加速度傳感器的方法有表面微機(jī)械加工方法和體硅微機(jī)械加工方法。體硅微機(jī)械加工方法是一種典型的微機(jī)械加工方法。為了形成完整的微結(jié)構(gòu)，往往在加工的基礎(chǔ)上還應(yīng)用到鍵合或粘結(jié)技術(shù)，能夠使得可動(dòng)電極的敏感質(zhì)量加大，檢測(cè)電容量加大，傳感器的分辨率和靈敏度等性能得以提高。高性能加速度傳感器通常采用雙面對(duì)稱彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，其制作方法非常關(guān)鍵，直接影響到電容式加速度傳感器的各項(xiàng)性能。 現(xiàn)有的制作通常是采用異質(zhì)自停止方法、濃硼摻雜自停止方法和雙層鍵合方法。
采用異質(zhì)自停止方法，如以二氧化硅梁工藝為例，它的流程是對(duì)硅片氧化后在氧化層上制作出梁的圖形，然后通過(guò)硅腐蝕釋放出由二氧化硅梁支撐著的梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。 由于二氧化硅很脆，且氧化得到的二氧化硅厚度一般不超過(guò)3 μ m，所以使用二氧化硅梁的加速度傳感器只能使用閉環(huán)檢測(cè)電路，而且抗沖擊性能很差。
采用濃硼摻雜自停止的方法(HSeidel，H Riedel，R Kolbeck, G Mueck, WKupke, M Koeniger, Capacitive Silicon Accelerometer with Highly SymmetricalDesign, Sensors and Actuators A =Physical, Vol. 21, pp. 312-315)，在制作雙面對(duì)稱彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)時(shí)，KOH腐蝕形成彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，濃硼摻雜層起自停止決定梁厚度的作用，同時(shí)也作為輕摻雜區(qū)域KOH腐蝕的掩模。這種方法的缺點(diǎn)是摻雜濃度不均勻?qū)е聫椥粤汉穸炔痪鶆蛞约芭饟诫s工藝中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)影響加速度傳感器的性能，如靈敏度和線性度等。
采用雙層鍵合方法，形成雙面對(duì)稱彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)(W. S. Henrion, et. al,Sensors structure with L-shaped spring legs, US Patent No. 5, 652, 384)。其工藝可以采用KOH腐蝕結(jié)合干法深刻蝕釋放的方法。首先從背面用KOH將硅片腐蝕到剩余梁的厚度，然后用干法深刻蝕從正面釋放出彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。將兩個(gè)這樣的彈性梁-質(zhì)量塊背靠背鍵合起來(lái)可以得到雙面對(duì)稱結(jié)構(gòu)。這種方法的工藝非常復(fù)雜，成本相對(duì)較高。
本發(fā)明提出的一種雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器，屬于變間隙式加速度傳感器，其特征在于以雙器件層SOI硅片為基片，利用濕法腐蝕自停止技術(shù)，在濕法腐蝕中一次加工形成加速度傳感器中最為重要的彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，質(zhì)量塊上下兩面的彈性梁雙面對(duì)稱且平行。本發(fā)明提供的方法簡(jiǎn)化了微加速度傳感器的制作工藝，提高了器件的成品率和一致性，在提高器件靈敏度的同時(shí)也降低了交叉軸靈敏度，是一種非常實(shí)用的高精度電容式微加速度傳感器。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器。所述的微加速度傳感器基于雙器件層SOI(IOO)單晶硅片包括質(zhì)量塊、電容間隙、阻尼調(diào)節(jié)槽、過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)、彈性梁、固定上電極、固定下電極和質(zhì)量塊電極引出通孔，其特征之一在于
(1)雙器件層SOI硅片為彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的基片；
(2)固定上電極、固定下電極分別位于質(zhì)量塊的上下兩邊；
(3)彈性梁為直梁，其一端與質(zhì)量塊相連，另一端與支撐框架相連；
(4)過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)制作在質(zhì)量塊的上下兩面。
(5)阻尼調(diào)節(jié)槽制作在質(zhì)量塊的上下兩面。
(6)質(zhì)量塊電極引出通孔的位置在支撐框架之上。
本發(fā)明所提供的一種電容式微加速度傳感器結(jié)構(gòu)，特征之二在于微加速度傳感器中質(zhì)量塊上下兩面的彈性梁對(duì)稱且平行，在雙器件層SOI(IOO)單晶硅片的各向異性腐蝕過(guò)程中，能夠一次加工，同時(shí)形成具有雙層對(duì)稱彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。由此制作的電容式微加速度傳感器，器件具有高度法向?qū)ΨQ性，提高了器件抗側(cè)向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊的能力，降低了交叉靈敏度。
本發(fā)明所提供的一種電容式微加速度傳感器結(jié)構(gòu)，特征之三在于利用質(zhì)量塊的八個(gè)角處的直彈性梁，無(wú)需采用凸角補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)就可保證最終的質(zhì)量塊為矩形結(jié)構(gòu)，使得預(yù)期的器件結(jié)構(gòu)在完成各向異性腐蝕后，能完整保留，不被破壞，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。質(zhì)量塊的每個(gè)角處可以分布1根彈性梁或者2根彈性梁，但不僅限于此。
如圖2所示，本發(fā)明提出的彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)中，彈性梁分布在質(zhì)量快上層和下層的四個(gè)角，上層的彈性梁與下層對(duì)應(yīng)位置的彈性梁相互對(duì)稱且平行。
其中，①如圖加所示，彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊上層相鄰的兩根彈性梁分別與質(zhì)量塊呈T形排布，質(zhì)量塊下層相鄰的兩根彈性梁也分別與質(zhì)量塊呈T形排布，質(zhì)量塊上層、下層各四根彈性梁。
②如圖2b所示，彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)呈H形排布，質(zhì)量塊上層、下層各四根彈性MTTC。
③如圖2c所示，彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)呈井形排布，質(zhì)量塊上層、下層各八根彈性MTTC。
本發(fā)明的目的之二在于提供所述的雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)的電容式微加速度傳感器的制作方法，其特征之一在于采用SOI埋層二氧化硅層作為釋放彈性梁結(jié)構(gòu)的自停止層，提供一種梁結(jié)構(gòu)厚度精確可控的制作方法。
本發(fā)明所述的制作方法特征之二在于提供了一種實(shí)現(xiàn)三層硅片鍵合的方法，大大平衡了彈性梁上由于高溫鍵合產(chǎn)生的熱應(yīng)力，不僅僅簡(jiǎn)化了工藝同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)固定上電極或固定下電極與質(zhì)量塊之間間隙可小于3 μ m，使制造出來(lái)的電容式微加速度傳感器表現(xiàn)出較高的靈敏度。
本發(fā)明所述的制作方法特征之三在于提供兩種阻尼調(diào)節(jié)槽的制作方法，一種采用兩步光刻法、另一種通過(guò)設(shè)計(jì)阻尼槽寬度，利用各向異性腐蝕自停止形成V型阻尼調(diào)節(jié)槽。
本發(fā)明所述的制作方法特征之四在于中間電極引線孔圖形在三層鍵合完成后進(jìn)行紅外光刻對(duì)準(zhǔn)，省去了鍵合預(yù)對(duì)準(zhǔn)的復(fù)雜工藝過(guò)程。
制作的工藝步驟簡(jiǎn)單描述如下
由于設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)微小(微米量級(jí))，并應(yīng)用到硅的各向異性腐蝕，所以要保證梁的截面形狀一致以及矩形的質(zhì)量塊，光刻時(shí)必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)<110>晶向。
1.彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的制作
(1)利用各向異性腐蝕方法，在經(jīng)過(guò)氧化的(100)雙拋雙器件層SOI硅片上、下表面制作小于3μπι的電容間隙；
(2)去除剩下區(qū)域的氧化層，二次氧化形成氧化硅，雙面光刻，在質(zhì)量塊上下兩表面通過(guò)各向異性腐蝕方法制作過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)(不超過(guò)Ιμπι)；
(3)去除剩下區(qū)域的氧化層，氧化形成氧化硅，雙面光刻，用各項(xiàng)異性腐蝕方法，在硅片上下表面腐蝕出雙面對(duì)稱彈性梁-質(zhì)量塊圖形，腐蝕停止層是SOI的埋層氧化層，并形成阻尼調(diào)節(jié)槽；
(4)去除剩下區(qū)域的氧化層，通過(guò)熱氧化，用氧化硅覆蓋彈性梁的上表面、兩個(gè)側(cè)面以及質(zhì)量塊上下表面；
(5)再次對(duì)硅片進(jìn)行雙面光刻，制作出進(jìn)行各向異性腐蝕的窗口 ；
(6)用各向異性腐蝕方法進(jìn)行硅片腐蝕，直至雙面對(duì)稱彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)形成。 在腐蝕完成彈性梁結(jié)構(gòu)時(shí)，SOI的埋層氧化硅層作為腐蝕的停止層，實(shí)現(xiàn)了腐蝕梁工藝的自停止。
(7)去除剩下區(qū)域的腐蝕掩蔽用氧化層，得到彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。
2.固定上電極和固定下電極直接通過(guò)雙拋硅片的熱氧化制作二氧化硅絕緣層。
3.通過(guò)硅硅直接鍵合方法實(shí)現(xiàn)層于三層硅片的鍵合，將固定上電極、彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)和固定下電極鍵合在一起。
4.通過(guò)紅外對(duì)準(zhǔn)光刻在鍵合片上下表面制作質(zhì)量塊電極引線通孔腐蝕窗口，而后進(jìn)行腐蝕，形成質(zhì)量塊電極的引出通孔；
5.鍵合片的電極引出金屬層制作，在鍵合片的正反面制作金屬(濺射，蒸發(fā)等，但不限于此)(Al，Au, Ni等，但不限于此)。
其中，阻尼調(diào)節(jié)槽的兩種制作方法
(1)兩步光刻法
在上述制作彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的第三步中分為兩步進(jìn)行，第一步雙面光刻使彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)先腐蝕，第二步在質(zhì)量塊表面光刻制作出阻尼槽腐蝕窗口，進(jìn)行第二次腐蝕，當(dāng)梁結(jié)構(gòu)腐蝕到SOI埋層二氧化硅時(shí)，停止腐蝕。這樣就得到了彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)和質(zhì)量塊上的阻尼槽，阻尼槽深度等于第二次腐蝕梁結(jié)構(gòu)的深度。
(2)通過(guò)設(shè)計(jì)阻尼槽寬度，利用各向異性腐蝕自停止形成V型阻尼調(diào)節(jié)槽。
通過(guò)設(shè)計(jì)阻尼調(diào)節(jié)槽寬度，使得質(zhì)量塊表面在硅的各向異性腐蝕形成V槽結(jié)構(gòu)而自停止。阻尼調(diào)節(jié)槽的寬度B滿足以下條件B<V^H，H為SOI硅片的器件層硅層的厚度。
總而言之，本發(fā)明提供了一種雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器及制作方法。本發(fā)明還提供了梁結(jié)構(gòu)厚度精確可控的制作方法，采用SOI埋層氧化硅作為腐蝕自停止層，使工藝可控性大大提高。本發(fā)明提供了兩種制作阻尼調(diào)節(jié)槽的方法，工藝簡(jiǎn)單可控。本發(fā)明提供了一種直接三層鍵合后紅外對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)引線孔的制作工藝，省去了鍵合預(yù)對(duì)準(zhǔn)的復(fù)雜工藝流程，簡(jiǎn)化了工藝，提高了器件的成品率和一致性。本發(fā)明所提供的加速度傳感器的性能穩(wěn)定，在提高器件靈敏度的同時(shí)也降低了交叉軸靈敏度。并且可以根據(jù)需要，設(shè)計(jì)不同梁長(zhǎng)度和電容間隙，改變傳感器的靈敏度，靈活性更大。


圖1是本發(fā)明提出的雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器示意圖
圖2是本發(fā)明提出的彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖加質(zhì)量塊上層和下層相鄰的兩根彈性梁分別與質(zhì)量塊呈T形排布，質(zhì)量塊上層、下層各四根彈性梁。
圖2b彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)呈H形排布，質(zhì)量塊上層、下層各四根彈性梁。
圖2c彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)呈井形排布，質(zhì)量塊上層、下層各八根彈性梁。
圖3(a) 圖3(j)是本發(fā)明提出的雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器制作工藝流程示意圖。其中，(a)雙器件層SOI硅片的頂層硅和埋層二氧化硅；(b)在(a)基底上制作電容間隙；(c)制作過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)；(d)形成V型阻尼調(diào)節(jié)槽；(e)熱氧化用覆蓋彈性梁和質(zhì)量塊表面；(f)開出進(jìn)行各向異性腐蝕的窗口 ；(g)中間層的彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)；(h)鍵合；(i)形成質(zhì)量塊電極的引出通孔；(j)引出金屬層。
圖4(a) 圖4(d)是兩步光刻法制作阻尼調(diào)節(jié)槽的工藝流程示意圖。其中，(a)制作電容間隙；(b)制作過(guò)保護(hù)凸點(diǎn)；(c)制作彈性梁-質(zhì)量塊圖形結(jié)構(gòu)；(d)用光刻方法制作阻尼調(diào)節(jié)槽。
圖中各數(shù)字代表的含義為
1.固定上電極硅片 2.雙器件層SOI硅片 3.固定下電極硅片 4.質(zhì)量塊 5.過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)6.質(zhì)量塊電極引出金屬層7.阻尼調(diào)節(jié)槽8.彈性梁9.質(zhì)量塊電極引線通孔 10.雙器件層SOI硅片的頂層硅 11.雙器件層SOI硅片的埋層二氧化硅 12.電容間隙13.固定上電極與質(zhì)量塊電極以及固定下電極與質(zhì)量塊電極絕緣層二氧化硅14.質(zhì)量塊電極引線通孔腐蝕窗口 15.固定上電極引出金屬層16.固定下電極引出金屬層17.各向異性腐蝕釋放窗口 18.支撐框架具體實(shí)施方式
通過(guò)下面的雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器制作方法描述，以進(jìn)一步闡述本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明絕非僅限于實(shí)施例。
實(shí)施例1
1.彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的制作
(1)利用各向異性腐蝕方法，在經(jīng)過(guò)氧化的雙拋雙器件層SOI硅片上下表面制作電容間隙12，腐蝕深度lym(圖3b)；
(2)去除剩下區(qū)域的氧化層，二次氧化形成氧化硅，雙面光刻，在質(zhì)量塊上、下兩表面通過(guò)各向異性腐蝕方法制作過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)5 (高1 μ m)，如圖3c ；
(3)去除剩下區(qū)域的氧化層，氧化形成氧化硅，雙面光刻，用各向異性腐蝕方法，在硅片上、下表面刻蝕出雙面對(duì)稱彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)圖形，腐蝕停止層是SOI的埋層氧化層，并形成阻尼調(diào)節(jié)槽7，如圖3d;阻尼調(diào)節(jié)槽的寬度Β<λ/^Η，Η為SOI硅片的器件層硅層的厚度。
(4)去除剩下區(qū)域的氧化層，通過(guò)熱氧化，用氧化硅覆蓋彈性梁的上表面、兩個(gè)側(cè)面以及質(zhì)量塊上、下表面，如圖3e ；
(5)再次對(duì)硅片進(jìn)行雙面光刻，開出進(jìn)行各向異性腐蝕的窗口 17，如圖3f ；
(6)用各向異性腐蝕方法進(jìn)行硅片腐蝕，直至彈性梁8和質(zhì)量塊4形成。在腐蝕完成彈性梁結(jié)構(gòu)時(shí)，SOI的埋層氧化硅層作為腐蝕的停止層，實(shí)現(xiàn)了腐蝕梁工藝的自停止。濕法各向異性腐蝕同時(shí)得到彈性梁8和質(zhì)量塊4，腐蝕深度由硅片的厚度決定。
(7)去除剩下區(qū)域的腐蝕掩蔽用氧化層，得到中間層的彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，如圖 3g。
2.固定上電極硅片1和固定下電極硅片3直接通過(guò)雙拋硅片的熱氧化制作二氧化硅絕緣層。
3.通過(guò)鍵合，將固定上電極硅片1、雙器件層SOI硅片2和固定下電極硅片3鍵合在一起，如圖3h。
4.通過(guò)紅外對(duì)準(zhǔn)光刻在鍵合片上、下表面制作質(zhì)量塊電極引線通孔腐蝕窗口，而后進(jìn)行腐蝕，形成質(zhì)量塊電極的引出通孔，如圖3i。
5.鍵合片的電極引出金屬層制作，在鍵合片的正反面制作Au金屬層，如圖3 j。
實(shí)施例2
在實(shí)施例1中阻尼調(diào)節(jié)槽的制作方法為通過(guò)設(shè)計(jì)阻尼槽寬度，利用各向異性腐蝕自停止形成V型阻尼調(diào)節(jié)槽。本實(shí)施例2中采用兩步光刻法制作阻尼調(diào)節(jié)槽。
(1)利用各向異性腐蝕方法，在經(jīng)過(guò)氧化的雙拋雙器件層SOI硅片上、下表面制作電容間隙12，腐蝕深度1 μ m，如圖如所示；
(2)去除剩下區(qū)域的氧化層，二次氧化形成氧化硅，雙面光刻，在質(zhì)量塊上、下兩表面通過(guò)各向異性腐蝕方法制作過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)(高1 μ m)，如圖4b所示；
(3)去除剩下區(qū)域的氧化層，氧化形成氧化硅，雙面光刻，用各向異性腐蝕方法，在硅片上、下表面腐蝕一定深度，制作出彈性梁-質(zhì)量塊圖形，如圖如所示；
(4)再次進(jìn)行雙面光刻，在質(zhì)量塊表面光刻開出阻尼槽腐蝕窗口，進(jìn)行第二次腐蝕，當(dāng)梁結(jié)構(gòu)腐蝕到SOI埋層二氧化硅時(shí)，停止腐蝕。這樣就得到了彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)和質(zhì)量塊上的阻尼調(diào)節(jié)槽，阻尼調(diào)節(jié)槽的深度等于第二次腐蝕梁結(jié)構(gòu)的深度，如圖4d所示。必須強(qiáng)調(diào)的是光刻時(shí)必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)<110>晶向，其它未涉及的步驟均與實(shí)施例1相同。
權(quán)利要求
1.一種具有雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)的電容式微加速度傳感器，其特征在于所述的電容式微加速度傳感器基于雙器件層SOI硅片包括質(zhì)量塊、電容間隙、阻尼調(diào)節(jié)槽、過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)、彈性梁、固定上電極、固定下電極和質(zhì)量塊電極引出通孔；其中，(1)雙器件層SOI(IOO)單晶硅片為彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的基片；(2)固定上電極、固定下電極分別位于質(zhì)量塊的上下兩邊；(3)彈性梁為直梁，其一端與質(zhì)量塊相連，另一端與支撐框架相連；(4)過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)制作在質(zhì)量塊的上下兩面；(5)阻尼調(diào)節(jié)槽制作在質(zhì)量塊的上下兩面；(6)質(zhì)量塊電極引出通孔的位置在支撐框架之上。
2.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)中，彈性梁分布在質(zhì)量塊上層和下層的四個(gè)角，上層的彈性梁與下層對(duì)應(yīng)位置的彈性梁相互對(duì)稱且平行。
3.按權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊上層相鄰的兩根彈性梁分別與質(zhì)量塊呈T形排布，質(zhì)量塊下層相鄰的兩根彈性梁也分別與質(zhì)量塊呈T形排布，且質(zhì)量塊上層、下層各四根彈性梁。
4.按權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)呈H形排布，質(zhì)量塊上層、下層各四根彈性梁。
5.按權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)呈H形排布，質(zhì)量塊上層、下層各八根彈性梁。
6.按權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于所述的彈性梁，無(wú)需采用凸角補(bǔ)償結(jié)構(gòu)就可使最終的質(zhì)量塊為矩形結(jié)構(gòu)，具有高度法向?qū)ΨQ性。
7.制作如權(quán)利要求1或2所述的傳感器的方法，其特征在于包括以下各步驟①在濕法腐蝕中一次加工完成彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的制作(a)利用各向異性腐蝕方法，在經(jīng)過(guò)氧化的(100)雙拋雙器件層SOI硅片上、下表面制作電容間隙；(b)去除剩下區(qū)域的氧化層，二次氧化形成氧化硅，雙面光刻，在質(zhì)量塊上下兩表面通過(guò)各向異性腐蝕方法制作過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)；(c)去除剩下區(qū)域的氧化層，氧化形成氧化硅，雙面光刻，用各項(xiàng)異性腐蝕方法，在硅片上下表面腐蝕出雙面對(duì)稱彈性梁-質(zhì)量塊圖形，腐蝕停止層是SOI的埋層氧化層，并形成阻尼調(diào)節(jié)槽；(d)去除剩下區(qū)域的氧化層，通過(guò)熱氧化，用氧化硅覆蓋彈性梁的上表面、兩個(gè)側(cè)面以及質(zhì)量塊上下表面；(e)再次對(duì)硅片進(jìn)行雙面光刻，制作出進(jìn)行各向異性腐蝕的窗口；(f)用各向異性腐蝕方法進(jìn)行硅片腐蝕，直至雙面對(duì)稱彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)形成。在腐蝕完成彈性梁結(jié)構(gòu)時(shí)，SOI的埋層氧化硅層作為腐蝕的停止層，實(shí)現(xiàn)了腐蝕梁工藝的自停止；(g)去除剩下區(qū)域的腐蝕掩蔽用氧化層，得到彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)；②固定上電極和固定下電極直接通過(guò)雙拋硅片的熱氧化制作二氧化硅絕緣層；③通過(guò)硅硅直接鍵合方法實(shí)現(xiàn)了三層硅片的鍵合，將固定上電極、彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)和固定下電極鍵合在一起；④通過(guò)紅外對(duì)準(zhǔn)光刻在鍵合片上下表面制作質(zhì)量塊電極引線通孔腐蝕窗口，而后進(jìn)行腐蝕，形成質(zhì)量塊電極的引出通孔；⑤鍵合片的電極引出金屬層制作，在鍵合片的正反面制作金屬層；其中，A.阻尼調(diào)節(jié)槽有兩種制作方法(1)兩步光刻法在步驟①?gòu)椥粤?質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的制作中(c)步驟分為兩步進(jìn)行，第一步雙面光刻使彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)先腐蝕，第二步在質(zhì)量塊表面光刻制作出阻尼槽腐蝕窗口，進(jìn)行第二次腐蝕，當(dāng)梁結(jié)構(gòu)腐蝕到SOI埋層二氧化硅時(shí)，停止腐蝕，所制得的調(diào)節(jié)阻尼槽深度等于第二次腐蝕梁結(jié)構(gòu)的深度；(2)通過(guò)設(shè)計(jì)阻尼槽寬度，利用各向異性腐蝕自停止形成V型阻尼調(diào)節(jié)槽；通過(guò)設(shè)計(jì)阻尼調(diào)節(jié)槽寬度，使得質(zhì)量塊表面在硅的各向異性腐蝕形成V形槽結(jié)構(gòu)而自停止，阻尼調(diào)節(jié)槽的寬度B<Vi H，H為SOI硅片的器件層硅層的厚度；B.上述步驟中涉及的光刻必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)<110>晶向。
8.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于雙拋雙器件層SOI硅片上、下表面制作電容間隙小于3 μ m。
9.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于制作的過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)不超過(guò)1μ m。
10.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于步驟⑤制作金屬層時(shí)采用濺射或蒸發(fā)方法， 金屬層為Al、Au或Ni。
全文摘要
本發(fā)明涉及雙面對(duì)稱彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器及制作方法，其特征在于(1)雙器件層SOI硅片為彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的基片；(2)固定上電極、固定下電極分別位于質(zhì)量塊的上下兩邊；(3)彈性梁為直梁，其一端與質(zhì)量塊相連，另一端與支撐框架相連；(4)過(guò)載保護(hù)凸點(diǎn)制作在質(zhì)量塊的上下兩面；(5)阻尼調(diào)節(jié)槽制作在質(zhì)量塊的上下兩面；(6)質(zhì)量塊電極引出通孔的位置在支撐框架之上。利用濕法腐蝕自停止技術(shù)，在濕法腐蝕中一次加工形成加速度傳感器中最為重要的彈性梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)；利用硅硅直接鍵合方法實(shí)現(xiàn)了三層硅片的鍵合，質(zhì)量塊電極引出通孔通過(guò)紅外對(duì)準(zhǔn)光刻在固定上電極制作。在提高器件靈敏度的同時(shí)也降低了交叉軸靈敏度。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102495234SQ201110379369
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者周曉峰, 熊斌, 王躍林, 車錄鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所