專利名稱：振動傳感器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種振動傳感器及其制造方法。
背景技術：
圖觀至圖37示出了通常所使用的相關技術的振動傳感器的重要部分。圖觀示出了振動傳感器組件的重要部分的配置，圖四至圖37示出了制造過程。以下將描述制造過程。首先，如圖四所示，在η型單晶硅襯底1上形成氧化硅膜10a，然后對其進行圖案化。通過下切入氧化膜IOa移除的部分而在襯底1中形成凹槽，并且通過選擇性外延生長在凹槽中生長具有IO18CnT3的硼濃度的P+單晶硅，以形成P+單晶硅層11。接下來，在P+單晶硅層11的表面上生長具有3X IO19CnT3或更高的硼濃度的P++單晶硅12a。P+單晶硅層11和P++單晶硅層1 稍后將分別成為振動梁下的間隔和振動梁。接下來，如圖30中所示，在包括P++單晶硅層1 的表面的整個襯底表面上形成氧化硅膜10b，然后對其進行圖案化。在氧化膜IOb移除的部分凹槽D中將形成襯底1的殼體接地(shell grounding)部分。接下來，如圖31中所示，在整個襯底表面上形成氮化硅膜13(也形成在凹槽D 中)，然后對其進行圖案化。P++單晶硅層12a(振動梁)之上或上方的氧化硅膜IOb和氮化硅膜13將成為振動梁之上的間隔。電容由氧化硅膜IOb與氮化硅膜13組合的厚度和振動梁的面積來確定。因此，可以通過適當調整上述厚度和面積來獲得用于驅動振動梁和檢測的電容的最佳值。接下來，如圖32中所示，在整個表面上形成P++多晶硅14，然后對其進行圖案化以形成用于蝕刻犧牲層的蝕刻液引入孔E。P++多晶硅14稍后將成為殼體和電極引出互連。 可以通過使用P+單晶硅層11或P++單晶硅層12a，或者通過在選擇性外延生長之前向硅襯底1執(zhí)行雜質擴散，來形成互連。優(yōu)選的是，通過使互連與硅襯底1之間的寄生電容最小化的方法來形成互連。接下來，如圖33中所示，通過蝕刻液引入孔E引入氫氟酸，從而移除氮化硅膜13 和氧化硅膜10b。在殼體接地部分中，氮化硅膜13作為橫向的蝕刻停止層，這是因為對氮化硅的蝕刻速率緩慢。接下來，如圖34中所示，使用堿溶液(例如，胼、Κ0Η、或TMAH)來移除P+單晶硅層 11。此時，由于高雜質濃度，既不會蝕刻P++單晶硅層1 也不會蝕刻P++多晶硅層14。蝕刻期間，可以通過向η型硅襯底1施加IV至2V的電壓來保護其不被堿溶液蝕刻。振動梁縱向上的蝕刻利用單晶硅在<111>方向上的蝕刻速率低的事實而停止。接下來，如圖35中所示，通過濺射、蒸發(fā)、CVD、外延生長等形成密封部件15(例如， 通過噴濺形成SiO2部件、玻璃部件等部件)來封閉蝕刻液引入孔Ε，從而形成非常小的真空室5。
該步驟之前，可以通過例如通過熱氧化等在振動梁的表面和定義真空室5的內表面上形成氧化硅膜的方法，使得殼體與振動梁之間的電絕緣更穩(wěn)定。該情況下，密封部件15 可以由導電材料制成。接下來，如圖36中所示，通過對P++多晶硅層14進行圖案化來形成從振動梁和殼體延伸的互連、以及焊盤電極。最后，如圖37中所示，通過從背面使硅襯底1變薄來形成隔膜2。圖38A是示出通過對P++多晶硅層14進行圖案化而形成為從振動梁和外殼延伸的互連20、以及焊盤Al電極21的平面視圖。圖38B是相關技術的振動傳感器的電路圖。在圖38B中，參考標號Vb表示偏置電壓(恒定電壓)；Vi表示驅動電壓(AC) ；Rl和R2表示導線電阻；以及R3表示襯底電阻。參考標號Cl表示振動梁/殼體電容；C2表示寄生電容；以及C3和C4表示互連/襯底電容。 噪聲電流隨著電阻R3和電容C2-C4的變小而減小。由于這些電路參數(shù)的值均由互連形成方法、圖案等所確定，因此，可以確定互連形成方法、圖案等來使這些電路參數(shù)的值最小化。如根據(jù)圖38B所理解的那樣，如果振動梁/殼體電容Cl恒定，則輸出電流的幅度與(C1+C2) · Vi · ω成比例，其中ω是電壓Vi的頻率。另一方面，如果電容Cl在頻率ω處共振，則增加幅度幾乎與ACl · Vb · ω成比例的電流，其中ACl是由共振引起的電容Cl的變化。共振頻率根據(jù)該電流的增加來檢測。[現(xiàn)有技術文獻][專利文獻][專利文獻 1] JP-A-2005-037309上述器件具有以下問題。在圖觀的相關技術的振動傳感器中，由于振動梁垂直于襯底1而振動，并且振動梁、激勵電極和振動檢測電極疊置，因此制造工藝包括許多工藝步驟。由于必須形成除了振動梁之外的用于激勵振動器或檢測需要形成在真空室中的振動的電極，并且這些電極需要相互絕緣，因此利用靜電力的結構必然會變得復雜。在堆疊結構中，振動梁和反電極(counter electrode)在垂直方向上彼此相對，它們需要單獨的處理步驟。因此，要使用微加工技術制造具有堆疊結構的振動傳感器，掩模的數(shù)量增加，并且工藝步驟的數(shù)量相應增加，從而導致交付時間延長以及制造成本增加。增加的工藝步驟的數(shù)量可以引起工藝精度相關變化的積累，從而導致特性的降低。這是引起產(chǎn)量降低的因素。此外，在利用靜電力之處，振動梁、驅動電極、和檢測電極之間的距離通常需要為亞微米級(最大約Ιμπι)。但是，為了增大振動傳感器關于應變(strain)的頻率變化因子 (應變靈敏度因子(gauge factor))，必須增大振動梁的長度1并減小其厚度t。這導致這樣的問題，即，振動梁緊貼電極，從而使該器件不工作。該問題不僅僅由于水的表面張力而發(fā)生在犧牲層蝕刻期間，還發(fā)生在制造之后(工作期間)。振動梁的共振頻率f與應變ε s之間保持以下等式[公式1]
權利要求
1.一種振動傳感器，包括 單晶硅襯底；單晶硅振動梁，其設置在單晶硅襯底之上，該振動梁的斷面形狀在垂直于單晶硅襯底表面的方向上比在平行于單晶硅襯底表面的方向上長；殼體，其由硅制成，其圍繞振動梁并與振動梁具有間隙，并且與單晶硅襯底一起形成真空室；激勵模塊，配置來激勵振動梁；振動檢測模塊，配置來檢測振動梁的振動，并且通過測量振動梁的共振頻率來測量出現(xiàn)在振動梁中的應力；板狀第一電極板，其與單晶硅襯底的表面平行布置，第一電極板的一端連接到振動梁；板狀第二電極板和第三電極板，其與單晶硅襯底的表面平行布置，并且與置于其間的振動梁彼此相對；以及粗糙，其形成在振動梁與第二電極板和第三電極板的相對側表面上， 其中，振動梁、以及第一電極板、第二電極板和第三電極板位于與單晶硅襯底表面平行延伸的一個平板狀空間內。
2.根據(jù)權利要求1所述的振動傳感器，其中每個表面上的粗糙以條紋構造或以網(wǎng)格形式形成為分別在平行于單晶硅襯底表面和垂直于單晶硅襯底表面的一個或兩個方向上連續(xù)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的振動傳感器，其中第二電極板被用作用于激勵振動梁的激勵電極，而第三電極板被用作用于檢測振動梁的振動的振動檢測電極。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的振動傳感器，其中第一電極板被用作用于激勵振動梁的激勵電極，而第二電極板或第三電極板被用作用于向振動梁施加直流偏置電壓的偏置電極和用于檢測振動梁的振動的振動檢測電極。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的振動傳感器，其中分別在振動梁的軸的兩側布置多個第二電極板和多個第三電極板；以及其中多個第二電極板中的一部分用作激勵電極，而其他第二電極板用作檢測電極，多個第三電極板中的一部分用作檢測電極，而其他第三電極板用作激勵電極，從而選擇振動梁的振動模式。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的振動傳感器，其中振動梁是雙端固定梁。
7.一種振動傳感器的制造方法，包括(1)在SOI襯底上形成具有高硼或磷濃度的硅層；(2)執(zhí)行圖案化和蝕刻，以在硅層中形成溝槽，從而形成振動梁和電極，以及在同一工藝期間，還在振動梁與電極的相對側表面上形成粗糙；(3)在硅層和溝槽上形成絕緣膜，從而封閉溝槽的頂部；(4)在絕緣膜上形成第一多晶硅層；(5)通過蝕刻在第一多晶硅層中形成開口；(6)在第一多晶硅層上和在開口中形成氧化膜，并且對氧化膜進行圖案化，從而僅保留位于開口中和開口周圍的部分；(7)在第一多晶硅層上形成第二多晶硅層，以填充開口；(8)用氧化膜作為停止層，在第二多晶硅層的位于氧化膜和振動梁之上的部分中形成多個孔或縫隙；(9)通過蝕刻移除氧化膜以及絕緣膜在振動梁周圍的部分；(10)在第二多晶硅層上和在所述多個孔或縫隙中形成第三多晶硅層，以將振動梁密封在真空中；(11)使用絕緣膜作為停止層，通過蝕刻第一多晶硅層、第二多晶硅層、和第三多晶硅層來形成到達各個電極的孔；(12)形成接觸孔，用于與絕緣膜中的電極接觸；以及(13)通過在表面上以及在接觸孔中形成鋁層并且對其進行圖案化來形成電極焊盤。
全文摘要
本發(fā)明提供一種振動傳感器，其包括設置在單晶硅襯底之上的單晶硅振動梁，該振動梁的斷面形狀在垂直于單晶硅襯底表面的方向上比在平行于單晶硅襯底表面的方向上長；由硅制成的殼體，圍繞振動梁具有間隙，并且與單晶硅襯底一起形成真空室；板狀第一電極板，與單晶硅襯底的表面平行布置，第一電極板的一端連接到振動梁；板狀第二和第三電極板，與單晶硅襯底的表面平行布置，并且彼此相對，振動梁置于其間；以及形成在振動梁與第二和第三電極板的相對側表面上的粗糙。
文檔編號G01H11/06GK102401693SQ201110272018
公開日2012年4月4日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權日2010年9月10日
發(fā)明者吉田隆司 申請人:橫河電機株式會社