專利名稱：一種壓阻式mems加速度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)械電子技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于SOI的高量程壓阻式MEMS加速度計。
背景技術(shù)：
基于硅微機(jī)械加工技術(shù)制作的加速度計具有體積小、重量輕、能耗低、集成度高和批量制作帶來的成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用在如汽車、沖擊測試、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、地震波檢測、軍用慣性技術(shù)導(dǎo)航等領(lǐng)域。爆炸、沖擊測試以及一些非常特殊的應(yīng)用，需要檢測的加速度可以高達(dá)幾萬g甚至幾十萬g，要求加速度計不僅具有高的靈敏度，還要具有高的諧振頻率和較大的帶寬，從而可以快速準(zhǔn)確地響應(yīng)被測沖擊加速度。其中壓阻式高量程加速度計具有結(jié)構(gòu)簡單，芯片制作相對容易；線性度高，接口電路易于實(shí)現(xiàn)，易于與外圍電路連接，動態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)在沖擊環(huán)境的加速度測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于壓阻式高量程加速度計其懸臂梁厚度直接決定了該加速度計的靈敏度、諧振頻率等相關(guān)參數(shù)，利用單晶硅作為圓片，通過干法刻蝕硅時，其刻蝕深度圓片內(nèi)誤差較大，使得圓片內(nèi)不同位置的單芯片懸臂梁厚度有所偏差，導(dǎo)致加速度計的生產(chǎn)一致性無法得到保證，且圓片片間誤差也比較大，進(jìn)一步增加了單芯片性能誤差。利用SOI技術(shù)可以解決上述難點(diǎn)，SOI (SiIicon-On-Insulator,絕緣襯底上的娃)技術(shù)是在頂層娃和襯底娃之間引入了一層絕緣埋層。用SOI材料作為MEMS的加工基片，通過干法硅刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)敏感結(jié)構(gòu)。SOI技術(shù)以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)克服了體微機(jī)械加工技術(shù)工藝可靠性和重復(fù)性較差的缺點(diǎn)，并利用中間絕緣埋層良好的電隔離特性，充分發(fā)揮了硅集成技術(shù)的優(yōu)勢，降低了器件功耗、減小了加工誤差、簡化了加工工藝，同時也減小了器件尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有壓阻式加速度計不能同時滿足靈敏度高、諧振頻率高的問題，同時解決了現(xiàn)有壓阻式加速度計交叉軸靈敏度大以及加工工藝的一致性不好等問題，設(shè)計的一種基于SOI的壓阻式高量程加速度計。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種壓阻式MEMS加速度計，其特征在于它由第一質(zhì)量塊、第二質(zhì)量塊以及玻璃襯底通過鍵合工藝連接組成，第一質(zhì)量塊上表面設(shè)有埋氧層，埋氧層上表面設(shè)有頂層硅，第一質(zhì)量塊中設(shè)有懸臂梁深孔，懸臂梁深孔與頂層硅配合形成懸臂梁，頂層硅上懸臂梁的位置制有相應(yīng)的壓敏電阻及相連的鋁引線，第二質(zhì)量塊與玻璃襯底之間設(shè)有淺腔，第二質(zhì)量塊中制有加強(qiáng)鏈深腔，加強(qiáng)鏈深腔底部形成加強(qiáng)鏈，第二質(zhì)量塊下部淺腔位置設(shè)有一對過載保護(hù)塊。本發(fā)明提供的一種壓阻式MEMS加速度計，當(dāng)Z軸向有加速度時，第一、二質(zhì)量塊敏 感結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊受力，引起懸臂梁發(fā)生彎曲變形，使得懸臂梁末端的壓敏電阻產(chǎn)生應(yīng)變，從而壓敏電阻的阻值發(fā)生變化，最后通過壓敏電阻構(gòu)成的惠斯通電橋輸出信號，即能檢測到Z軸向的加速度。該SOI壓阻式高量程加速度計采用SOI硅片和單晶硅為主材料進(jìn)行加工。該SOI壓阻式高量程加速度計結(jié)構(gòu)從工藝上可分為三層襯底層，中間結(jié)構(gòu)層和蓋帽層。懸臂梁、加強(qiáng)梁、質(zhì)量塊、壓敏電阻構(gòu)成中間結(jié)構(gòu)層；襯底層構(gòu)成沖擊底面；蓋帽層實(shí)現(xiàn)沖擊結(jié)構(gòu)的保護(hù)。該SOI壓阻式高量程加速度計的制造工藝為首先制作懸臂梁質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，接著制作加強(qiáng)鏈質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，隨后采用硅硅鍵合將懸臂梁質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)鏈質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)鍵合于一體形成中間結(jié)構(gòu)層；在中間結(jié)構(gòu)的懸臂梁末端制作壓敏電阻；通過硅玻靜電鍵合把結(jié)構(gòu)層和襯底鍵合在一起；蓋帽層背面刻蝕出空腔；采用苯并環(huán)丁烯(BCB)鍵合完成結(jié)構(gòu)層和蓋帽層的圓片封裝；刻蝕蓋帽層正面，露出電極。本發(fā)明與現(xiàn)有的高量程加速度計技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)·
(I)本發(fā)明有效的將梁-島式結(jié)構(gòu)與加強(qiáng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了較高的靈敏度與較高的固有頻率。(2)本發(fā)明中加強(qiáng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)有效的提高了加速度計的抗沖擊能力，避免了惡劣環(huán)境下加速度計的失效問題，并能夠承受更高的橫向加速度，降低了交叉軸靈敏度，進(jìn)一步提高了加速度計性能。(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，采用SOI硅片與單晶硅片材料，提高了加速度計產(chǎn)品的一致性和可靠性；加工工藝比較簡單，全部利用公知的MEMS工藝技術(shù)加工，適合大批量生產(chǎn)。


圖I為本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖I的俯視圖，省略了鋁引線3 ;
圖3為A-A首I]視 圖4為本發(fā)明的制造工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和制造工藝做進(jìn)一步的說明。(一)SOI壓阻式高量程加速度計結(jié)構(gòu)
參照圖I、圖2及圖3，本發(fā)明由第一質(zhì)量塊4、第二質(zhì)量塊6以及玻璃襯底10通過鍵合工藝連接組成，第一質(zhì)量塊4上表面設(shè)有埋氧層(sio2絕緣層)1，埋氧層I上表面設(shè)有頂層硅5，第一質(zhì)量塊4中設(shè)有淺腔4b和相連的懸臂梁深孔4c，結(jié)合圖2所示，懸臂梁深孔4c與頂層硅5配合形成懸臂梁9，頂層硅5上懸臂梁深孔4c位置的懸臂梁9上制有相應(yīng)的壓敏電阻2及相連的鋁引線3。第二質(zhì)量塊6與玻璃襯底10之間設(shè)有淺腔6a，第二質(zhì)量塊6中制有加強(qiáng)鏈深腔6b，結(jié)合圖3所示，加強(qiáng)鏈深腔底部區(qū)域形成加強(qiáng)鏈8，第二質(zhì)量塊6下部淺腔6a位置設(shè)有一對過載保護(hù)塊7。所述質(zhì)量塊4、懸臂梁9組成的第一層結(jié)構(gòu)與所述質(zhì)量塊6與加強(qiáng)鏈8組成的第二層結(jié)構(gòu)通過熔融鍵合形成中間敏感結(jié)構(gòu)，如圖2所示，懸臂梁末端分布有壓敏電阻2，用來組成惠斯通電橋。當(dāng)Z軸向有加速度時，組成中間敏感結(jié)構(gòu)層的質(zhì)量塊4、懸臂梁9與質(zhì)量塊6、加強(qiáng)鏈8受力，引起懸臂梁9與加強(qiáng)鏈8發(fā)生彎曲變形，使得懸臂梁末端的壓敏電阻2產(chǎn)生應(yīng)變，從而壓敏電阻2的阻值發(fā)生變化，最后通過壓敏電阻2構(gòu)成的惠斯通電橋輸出信號，即能檢測到Z軸向的加速度。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，第一層為懸臂梁和第一質(zhì)量塊的敏感結(jié)構(gòu)，第二層為加強(qiáng)鏈和第二質(zhì)量結(jié)構(gòu)塊用來提高諧振頻率，利用硅硅鍵合將第一層懸臂梁和第一質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)與第二層加強(qiáng)鏈和第二質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)經(jīng)對準(zhǔn)后鍵合于一體，形成中間硅基敏感結(jié)構(gòu)。所述的中間硅基敏感結(jié)構(gòu)第一層有四條懸臂梁9，中間為質(zhì)量塊5，與懸臂梁9等寬，且懸臂梁9末端分布有構(gòu)成惠斯通電橋的壓敏電阻2。第二層為加強(qiáng)層形狀與第一層相同，與第一層相同位置分別設(shè)有懸臂的加強(qiáng)鏈8，中間同樣也是質(zhì)量塊6。(二)壓阻式MEMS加速度計的制造工藝 圖4中圖(a) —圖(g)為壓阻式MEMS加速度計的主要工藝過程，具體說明為
I、如圖4 (a) - (c)所示的是中間敏感結(jié)構(gòu)層第一層制作將SOI硅片4氧化形成埋氧層1，硅硅鍵合頂層硅5，光刻硅片4淺腔圖形4a，BOE打開腐蝕窗口，利用KOH溶液腐蝕形成淺腔4b，接著繼續(xù)光刻懸臂梁深孔4c的圖形，利用ICP刻蝕至埋氧層1，形成懸臂梁9結(jié)構(gòu)的第一質(zhì)量塊4。2、如圖4 (d) — (f)所示的是中間敏感結(jié)構(gòu)第二層制作將雙面拋光的單晶硅6氧化，反面光刻淺腔圖形6a、B0E打開腐蝕窗口、K0H腐蝕形成加強(qiáng)鏈深腔6b，正面光刻加強(qiáng)鏈8圖形，利用ICP刻蝕形成加強(qiáng)鏈8結(jié)構(gòu)的第二質(zhì)量塊6。將第二質(zhì)量塊6氧化，反面光刻過載保護(hù)塊圖形，BOE去除過載保護(hù)塊7之外的氧化層，接著去除過載保護(hù)塊7之上的光刻膠，在光刻膠保護(hù)之下的氧化層即為過載保護(hù)塊7。3、如圖4 (g)所示的是整體中間敏感結(jié)構(gòu)制作將前面所述(a) —(C)制作的中間敏感結(jié)構(gòu)層第一層與(d) — (f)中間敏感結(jié)構(gòu)第二層通過熔融鍵合形成整體中間敏感結(jié)構(gòu)。4、如圖I所示的是最終結(jié)構(gòu)制作在第一質(zhì)量塊4的頂層硅5表面懸臂梁9的位置光刻電阻圖形，制作壓敏電阻2與鋁引線3，將整體敏感結(jié)構(gòu)氧化，在頂層硅表面光刻壓敏電阻2，在頂層硅表面通過離子注入形成壓敏電阻2，接著光刻引線孔，經(jīng)離子注入形成引線孔，接著在頂層硅表面濺鋁，光刻鋁引線，經(jīng)鋁腐蝕形成鋁引線3，接著與玻璃襯底10進(jìn)行娃玻鍵合，形成最終結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種壓阻式MEMS加速度計，其特征在于它由第一質(zhì)量塊(4)、第二質(zhì)量塊(6)以及玻璃襯底(10)通過鍵合工藝連接組成，第一質(zhì)量塊(4)上表面設(shè)有埋氧層(I )，埋氧層(I)上表面設(shè)有頂層硅(5 )，第一質(zhì)量塊(4)中設(shè)有懸臂梁深孔(4c )，懸臂梁深孔(4c )與頂層硅(5)配合形成懸臂梁(9)，頂層硅(5)上懸臂梁(9)的位置制有相應(yīng)的壓敏電阻(2)及相連的鋁引線(3)，第二質(zhì)量塊(6)與玻璃襯底(10)之間設(shè)有淺腔(6a)，第二質(zhì)量塊(6)中制有加強(qiáng)鏈深腔(6b)，加強(qiáng)鏈深腔底部形成加強(qiáng)鏈(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所示的一種壓阻式MEMS加速度計，其特征在于第二質(zhì)量塊(6)下部淺腔(6a)位置設(shè)有一對過載保護(hù)塊(7)。
全文摘要
本發(fā)明一種壓阻式MEMS加速度計，其特征在于它由第一質(zhì)量塊(4)、第二質(zhì)量塊(6)以及玻璃襯底(10)通過鍵合連接組成，第一質(zhì)量塊(4)中設(shè)有懸臂梁(9)，懸臂梁上制有壓敏電阻(2)及鋁引線(3)，第二質(zhì)量塊(6)設(shè)有加強(qiáng)鏈(8)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)將梁-島式結(jié)構(gòu)與加強(qiáng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了較高的靈敏度與較高的固有頻率；加強(qiáng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)有效的提高了加速度計的抗沖擊能力，避免了惡劣環(huán)境下加速度計的失效問題，并能夠承受更高的橫向加速度，降低了交叉軸靈敏度，進(jìn)一步提高了加速度計性能。
文檔編號G01P15/12GK102967729SQ20121034408
公開日2013年3月13日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者王鵬, 郭群英, 汪祖民, 何凱旋, 陳博, 陳璞, 王文婧, 黃斌, 徐棟, 呂東鋒 申請人:華東光電集成器件研究所