壓阻式高固有頻率mems加速度敏感芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，該芯片主要包括硅基框架，主梁，微梁，質(zhì)量塊，其中質(zhì)量塊通過主梁和微梁與硅基框架相連；質(zhì)量塊一端設(shè)置有微梁，微梁上設(shè)有應變電阻，質(zhì)量塊另一端設(shè)置有對稱的兩個主梁，主梁一端與質(zhì)量塊相連，另一端與硅基框架相連，應變電阻通過金屬導線連接成惠斯通電橋。主梁的勁度系數(shù)遠大于微梁的勁度系數(shù)（通常大幾十到上千倍），應變電阻為多晶硅納米膜電阻。本實用新型具有固有頻率高、靈敏度高、過載能力強、溫度特性好等優(yōu)點，其制造方法與IC工藝兼容適于大批量生產(chǎn)。
【專利說明】壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型主要涉及一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片及其制造方法，該芯片對Z軸方向加速度靈敏，對X軸和Y軸方向不敏感，屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]MEMS技術(shù)近年來的迅猛發(fā)展，使得壓阻式加速度傳感器有著巨大的潛力和廣闊的研宄平臺。壓阻式加速度傳感器憑借著其價格低廉、測量精準以及易于集成化批量生產(chǎn)等優(yōu)點，在微加速度傳感器領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位，在航天、交通、石化、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應用。
[0003]目前的主流壓阻式加速度傳感器工藝分為兩種:體硅微機械工藝和表面微機械工藝。體硅微機械工藝所使用的工藝手段通常是使用各種腐蝕液對硅片進行腐蝕，比如將硅片整體放入到腐蝕液中或者將腐蝕液噴淋在硅片上，這種工藝手段通常是對硅片進行立體式的腐蝕作用，對結(jié)構(gòu)的釋放過程大都基于整個硅片的厚度。還有一種體硅微機械工藝技術(shù)是通過深反應離子刻蝕工藝技術(shù)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的立體式設(shè)計，這種方法工藝成熟，操作簡單。表面微機械工藝中通常使用的工藝手段則是在硅片表面對硅片進行多次的淀積和刻蝕成形，并結(jié)合犧牲層技術(shù)，形成所需的結(jié)構(gòu)。
[0004]體硅MEMS工藝制作的加速度傳感器通常為懸臂梁式，是利用堿性溶液對單晶硅腐蝕的各向異性的特點來形成質(zhì)量塊以及懸臂梁結(jié)構(gòu)，其特點是操作簡單、工藝成熟以及設(shè)備簡單等，還可以將深反應離子刻蝕技術(shù)加入到體硅加工過程中，從而使結(jié)構(gòu)的釋放過程更簡單。表面微機械工藝制作的加速度傳感器通常是通過薄膜技術(shù)以及犧牲層技術(shù)來形成質(zhì)量塊以及敏感梁結(jié)構(gòu)，其特點是易于集成化和小型化。
[0005]當前壓阻式MEMS加速度傳感器普遍存在以下問題:
[0006](I)傳感器的靈敏度與固有頻率相互制約，即結(jié)構(gòu)靈敏度的提高，必然伴隨著彈性結(jié)構(gòu)勁度系數(shù)的降低，從而導致了結(jié)構(gòu)固有頻率的降低。
[0007](2)大多數(shù)壓阻式加速度傳感器的應變電阻由單晶硅材料制作，溫度系數(shù)較大，一般采用Pn結(jié)隔離不適合在高溫下工作。
[0008]本結(jié)構(gòu)芯片中應變電阻采用多晶硅納米薄膜電阻，多晶硅納米薄膜是指膜厚接近以或小于100納米的多晶硅膜，在實驗中發(fā)現(xiàn)它有極佳的壓阻特性和良好的溫度特性。
[0009]本實用新型是基于以上現(xiàn)狀產(chǎn)生的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明目的:
[0011]本實用新型是一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片及其制造方法，目的是在保證傳感器靈敏度的前提下，提高傳感器的固有頻率和過載能力，改善傳感器的溫度特性，拓寬傳感器工作溫度范圍。
[0012]技術(shù)方案:
[0013]一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，該芯片主要包括硅基框架、主梁、微梁和質(zhì)量塊，其特征在于:質(zhì)量塊通過主梁和微梁與硅基框架相連；質(zhì)量塊一端設(shè)置有微梁，微梁上設(shè)有應變電阻，質(zhì)量塊另一端設(shè)置有對稱的兩個主梁，主梁一端與質(zhì)量塊相連，另一端與硅基框架相連，應變電阻通過金屬導線連接成惠斯通電橋。
[0014]主梁的勁度系數(shù)遠大于微梁的勁度系數(shù)(通常大幾十到上千倍)。
[0015]應變電阻為多晶硅納米膜電阻。
[0016]優(yōu)點及效果:
[0017]本實用新型有如下優(yōu)點及有益效果:
[0018]本實用新型所述的這種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片及其制造方法，在保證傳感器靈敏度的前提下，提高了傳感器的固有頻率和過載能力，改善了傳感器的溫度特性，拓寬傳感器工作溫度范圍。
[0019]【專利附圖】

【附圖說明】:
[0020]圖1是本實用新型芯片俯視示意圖以及微梁上電阻的分布示意圖；
[0021]圖2是本實用新型芯片縱向剖面示意圖(切面經(jīng)過微梁上的應變電阻)；
[0022]圖3是本實用新型芯片形成質(zhì)量塊厚度工藝的縱向剖面示意圖；
[0023]圖4是本實用新型芯片形成多晶硅結(jié)構(gòu)層工藝的縱向剖面示意圖；
[0024]圖5是本實用新型芯片形成多晶硅納米薄膜電阻工藝的縱向剖面示意圖；
[0025]圖6是本實用新型芯片形成引線孔和金屬導線工藝的縱向剖面示意圖；
[0026]圖7是本實用新型芯片形成鈍化層和正面圖形工藝的縱向剖面示意圖；
[0027]圖8是本實用新型芯片形成純化層和正面圖形工藝的俯視不意圖；
[0028]圖9是本實用新型芯片的另一種結(jié)構(gòu)俯視不意圖；
[0029]圖10是本實用新型芯片的又一種結(jié)構(gòu)俯視示意圖。
[0030]附圖標記說明:
[0031]1.硅基框架，2.主梁，3.微梁，4.質(zhì)量塊，5.應變電阻，6.金屬導線。
[0032]【具體實施方式】:
[0033]本實用新型設(shè)計原理如下:
[0034]當加速度施加在芯片上時，質(zhì)量塊由于慣性作用與硅基框架發(fā)生相對位移，導致微梁上的應變電阻發(fā)生壓阻效應，帶有應變電阻的惠斯通電橋輸出電壓信號。
[0035]當器件受到Z軸方向(即與芯片垂直的方向)加速度作用時，質(zhì)量塊4相對于硅基框架I產(chǎn)生位移。由于本結(jié)構(gòu)主梁尺寸遠大于微梁，導致主梁勁度系數(shù)遠大于微梁(相差幾十倍以上)，所以質(zhì)量塊的位移和固有頻率主要由主梁決定，這樣就可通過調(diào)整主梁2的尺寸控制固有頻率，再通過調(diào)整微梁3的尺寸來控制滿量程時微梁3應變的大小。也就是說通過合理調(diào)節(jié)主梁、微梁和質(zhì)量塊的尺寸，可以在保證本敏感結(jié)構(gòu)靈敏度很高的前提下，提高結(jié)構(gòu)的固有頻率。隨著固有頻率的提高，過載能力必然同時得到相應提高。
[0036]由于本結(jié)構(gòu)主梁尺寸遠大于微梁，導致微梁對質(zhì)量塊的固定作用很小，質(zhì)量塊基本上被主梁固定住，所以芯片的過載能力主要由主梁決定，主梁勁度系數(shù)很大，在Z軸方向施加較大加速度時，主梁上的最大應變?nèi)匀缓苄?，所以本實用新型具備較強的過載能力。
[0037]本實用新型芯片中的應變電阻采用多晶硅納米薄膜電阻，實驗證明，多晶硅納米薄膜電阻在厚度為80?lOOnm，摻雜濃度為3X 102° cm_3附近時具有顯著的隧道壓阻效應，是一種比一般多晶硅材料更優(yōu)越的壓阻材料，應變因子GF可達到34，比普通多晶硅薄膜高25%以上；電阻溫度系數(shù)TCR可小于10_4/°C，比普通薄膜小接近一個數(shù)量級；應變因子溫度系數(shù)TCGF可小于10_3/°C，比普通薄膜小一倍以上。
[0038]下面結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的說明:
[0039]一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，該芯片主要包括硅基框架1、主梁2、微梁3和質(zhì)量塊4，其中質(zhì)量塊4通過主梁2和微梁3與硅基框架I相連；質(zhì)量塊4 一端設(shè)置有微梁3，微梁3上設(shè)有應變電阻5，所述質(zhì)量塊4另一端設(shè)置有對稱的兩個主梁2，主梁2 —端與質(zhì)量塊4相連，另一端與硅基框架I相連，應變電阻5通過金屬導線6連接成惠斯通電橋。
[0040]主梁2的勁度系數(shù)遠大于微梁4的勁度系數(shù)(通常大幾十到上千倍)。
[0041]通過改變本實用新型的主梁2、微梁3、質(zhì)量塊4尺寸，可設(shè)計出不同量程、不同固有頻率的加速度敏感芯片。
[0042]本實用新型所述傳感器芯片的制造工藝步驟如下:
[0043](I)在雙面拋光的單晶硅片正反兩面各刻蝕出一個淺槽，保證芯片封裝后其質(zhì)量塊可以活動；
[0044]( 2 )在硅片正反兩面淀積或氧化形成絕緣層，選其中一面為正面，并在此面淀積一層多晶硅作為結(jié)構(gòu)層；
[0045](3)在多晶硅結(jié)構(gòu)層上淀積或氧化形成絕緣層，再淀積多晶硅納米薄膜，用光刻膠做掩膜，對納米薄膜進行離子注入實現(xiàn)局部硼摻雜，從而形成多晶硅納米薄膜電阻，最后淀積絕緣鈍化層；
[0046](4)刻蝕出引線孔，淀積金屬作為導線，形成測量電路；
[0047](5)淀積鈍化保護層，并干法刻蝕出結(jié)構(gòu)正反面圖形；
[0048](6)在硅片反面采用深反應離子刻蝕釋放結(jié)構(gòu)，完成加速度敏感芯片制造。
[0049]實施例1
[0050]一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，其制造工藝如下:
[0051](I)如圖3所示，取雙面拋光單晶硅片，雙面熱生長均為10nm厚的二氧化硅作為掩膜，用HNA溶液在硅片表面刻蝕淺槽；
[0052](2)如圖4所示，熱生長第一層二氧化硅作為絕緣層，厚200nm，正面LPCVD淀積一層2.8um厚的多晶娃作為結(jié)構(gòu)層；
[0053](3)如圖5所示，在多晶硅結(jié)構(gòu)層上LPCVD淀積第二層二氧化硅作為絕緣層，厚10nm,再淀積多晶娃納米薄膜，厚90nm，用光刻膠做掩膜，離子注入工藝對納米薄膜進行硼摻雜，從而形成多晶硅納米薄膜電阻，最后淀積第三層二氧化硅作為絕緣層，厚10nm ;
[0054](4)如圖6所示，干法刻蝕出應變電阻的引線孔，并通過常規(guī)微電子工藝形成金屬導線。
[0055](5)如圖7、圖8所示，在金屬導線上方LPCVD淀積第四層二氧化硅作為保護層，厚10nm,并用干法刻蝕形成芯片正面圖形。
[0056](6)如圖2所示，用干法刻蝕將芯片背面二氧化硅刻蝕出背面圖形，再用光刻膠做掩膜，深反應離子刻蝕刻穿芯片，從而釋放結(jié)構(gòu)、完成加速度敏感芯片制造。
[0057]設(shè)計主梁尺寸(長X寬X高)為1000 μπιΧ1100μπιΧ520 μπι，微梁尺寸為10 ymX25 ymX3.5 μπι，質(zhì)量塊尺寸為3000 μπιΧ4000 μπιΧ520 μπι，按上述工藝得到的傳感器量程為100g，在5V供電的情況下，滿量程輸出為15(Tl70mV，輸出靈敏度約為1.60mV/g，且Z軸方向的靈敏度是X軸、Y軸方向的20倍以上。傳感器固有頻率約為37.5kHz?
[0058]本實用新型加速度芯片結(jié)構(gòu)還可以表現(xiàn)為以下形式，工藝流程基本相同:
[0059]實施例2
[0060]一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，如圖9所示，芯片主要包括硅基框架1、主梁2、微梁3和質(zhì)量塊4，其中質(zhì)量塊4通過主梁2和微梁3與硅基框架I相連；質(zhì)量塊4上下兩端設(shè)置有微梁3，微梁3上設(shè)有應變電阻5，質(zhì)量塊4左右兩端分別設(shè)置有兩個主梁2，主梁2 —端與質(zhì)量塊4相連，另一端與硅基框架I相連，應變電阻5通過金屬導線6連接成惠斯通電橋。
[0061]實施例3
[0062]一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，如圖10所示，芯片主要包括硅基框架1、主梁2、微梁3和質(zhì)量塊4，其中質(zhì)量塊4通過主梁2和微梁3與硅基框架I相連；質(zhì)量塊4上下兩端設(shè)置有微梁3，微梁3上設(shè)有應變電阻5，所述質(zhì)量塊4左右兩端中部分別設(shè)置有一個主梁2，質(zhì)量塊4上下兩端分別設(shè)置有兩個主梁2，主梁2 —端與質(zhì)量塊4相連，另一端與硅基框架I相連，應變電阻5通過金屬導線6連接成惠斯通電橋。
[0063]本實用新型這種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片在航天、交通、石化、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應用。
【權(quán)利要求】
1.一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，該芯片主要包括硅基框架(1)、主梁(2)、微梁(3)和質(zhì)量塊(4)，其特征在于:質(zhì)量塊(4)通過主梁(2)和微梁(3)與硅基框架(1)相連；質(zhì)量塊(4)一端設(shè)置有微梁(3)，微梁(3)上設(shè)有應變電阻(5)，質(zhì)量塊(4)另一端設(shè)置有對稱的兩個主梁(2)，主梁(2)—端與質(zhì)量塊(4)相連，另一端與硅基框架(1)相連，應變電阻(5)通過金屬導線(6)連接成惠斯通電橋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，其特征在于:主梁(2)的勁度系數(shù)遠大于微梁(4)的勁度系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，其特征在于:應變電阻(5)為多晶硅納米膜電阻。
【文檔編號】B81C1/00GK204241503SQ201420695745
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】揣榮巖, 代全, 王健, 張曉民, 衣暢 申請人:沈陽工業(yè)大學