專利名稱：“h”形梁的電容式加速度傳感器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子機械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，特別是涉及一種“H”形梁的電容式加速度傳感器及制備方法。
背景技術(shù)：
信息處理技術(shù)取得的進展以及微處理器和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件。最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。 加速度傳感器顧名思義就是測量運動物體加速度值的傳感器件，它是最傳統(tǒng)的傳感器之一。依照檢測方法的不同，MEMS加速度傳感器可以分成電容式、壓阻式、壓電式、聲表面波式、隧道式等等。電容式加速度傳感器包括固定電極和位于質(zhì)量塊上的可動電極。當(dāng)質(zhì)量塊在外界加速度信號作用下發(fā)生位移時，可動電極和固定電極間的距離或相互重疊面積發(fā)生改變，從而使它們之間的電容值發(fā)生改變。通過C/V轉(zhuǎn)換電路，就可以檢測到與外界加速度值成比例的電壓變化。電容式加速度傳感器具有檢測精度高，受溫度變化影響小等優(yōu)點。電容式加速度傳感器可以分為三明治式和梳齒式兩大類。三明治式電容加速度傳感器可以得到更高的檢測精度，制作三明治結(jié)構(gòu)電容式加速度傳感器的方法主要是體硅微機械加工方法。在三明治結(jié)構(gòu)電容式加速度傳感器中，雙面完全對稱梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)是最為重要的敏感結(jié)構(gòu)部件，它的設(shè)計和制作工藝是整個傳感器的關(guān)鍵工藝之一。在梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)中，如果梁只是集中在質(zhì)量塊的一個表面，質(zhì)量塊的質(zhì)心和梁不是在一個平面上，橫向加速度會引起梁的彎曲，從而導(dǎo)致傳感器的交叉靈敏度升高。因此，雙面全對稱梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的制作方法非常關(guān)鍵。在現(xiàn)有電容式三明治結(jié)構(gòu)加速度傳感器的加工方法中，雙面全對稱梁-質(zhì)量塊敏感結(jié)構(gòu)的制作方法有濃硼摻雜自停止法、異質(zhì)自停止法和雙層鍵合硅梁法。采用濃硼摻雜自停止的方法(具體參見文獻H Seidel1H Riedel1R Kolbeck1GMueck, WKupke,M Koeniger, Capacitive Silicon Accelerometer with HighlySymmetrical Design, Sensorsand ActuatorsA:Physical, Vol. 21, pp. 312-315),在制作全對稱梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)時，當(dāng)KOH腐蝕形成梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)結(jié)束時是采用濃硼摻雜層作為腐蝕自停止層，所以摻雜的深度決定梁的厚度，這種方法的缺點是摻雜濃度不均勻?qū)е铝汉穸炔痪鶆蛞约芭饟诫s工藝中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會影響器件的靈敏度和線性度等性能。在雙面平行對稱梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)制作上，可以采用異質(zhì)自停止方法，如以二氧化硅梁工藝為例，它的流程是對硅片氧化后在氧化層上制作出梁的圖形，然后通過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3 μ m，所以使用二氧化硅梁的加速度傳感器抗沖擊性能很差。
采用雙層鍵合硅梁方法，形成雙面平行對稱梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)(具體參見文獻WS. Henrion, et. al, Sensors structure with L-shaped spring legs, US PatentNo. 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梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，再將這樣兩個梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)硅片通過鍵合工藝形成雙面全對稱結(jié)構(gòu)。由于要采用鍵合工藝才能得到全對稱梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，再要進行鍵合形成三明治結(jié)構(gòu)，所以工藝非常復(fù)雜，成本相對較聞。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種具有高度法向的對稱性的“H”形梁的電容式加速度傳感器，以提高器件抗側(cè)向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊的能力，降低交叉
靈敏度。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種工藝簡單的制備“H”形梁的電容式加速度傳感器的方法。為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種制備“H”形梁的電容式加速度傳感器的方法，其至少包括I)基于各向異性腐蝕法在具有雙器件層的含氧硅基片的兩表面進行刻蝕，使兩表面分別成凹陷狀；2)基于光刻及各向異性腐蝕法在兩表面的凹陷處分別形成多個防過載凸點；3)基于光刻及各向異性腐蝕法在已形成防過載凸點的結(jié)構(gòu)兩表面再分別形成阻尼調(diào)節(jié)槽；4)基于光刻及干法刻蝕對已形成阻尼調(diào)節(jié)槽的結(jié)構(gòu)兩表面分別進行刻蝕、且刻蝕自停止于埋氧化層，由此在兩表面分別形成邊框與質(zhì)量塊分別連接“H”形彈性梁的一根梁的結(jié)構(gòu)，且使防過載凸點與阻尼調(diào)節(jié)槽處于相應(yīng)質(zhì)量塊上、“H”形彈性梁與所述含氧硅基片的體硅層之間滿足條件y[2(a + b + c) < h,4ld < h.
Ia和c為兩根梁的寬度，b為兩根梁之間的間隙，d為梁與質(zhì)量塊連接處的連接寬度，h為體娃層厚度；5)基于光刻、干法刻蝕及各向異性腐蝕法來釋放“H”形彈性梁與質(zhì)量塊；6)基于鍵合工藝，將第一電極結(jié)構(gòu)層、包含已釋放的“H”形彈性梁與質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)及第二電極結(jié)構(gòu)層同時予以鍵合；7)基于紅外對準在已鍵合的結(jié)構(gòu)的第一電極結(jié)構(gòu)層與第二電極結(jié)構(gòu)層形成電極引出通孔；8)在已形成通孔的結(jié)構(gòu)上制備電極。優(yōu)選地，所述干法刻蝕為感應(yīng)耦合等離子刻蝕或深反應(yīng)離子刻蝕。優(yōu)選地，光刻時對準〈110〉晶向。優(yōu)選地，在步驟I)中所形成的凹陷的深度不超過3 μ m。優(yōu)選地，防過載凸點的高度不超過I μ m。
優(yōu)選地，在質(zhì)量塊的四側(cè)均連接有“H”形彈性梁。本發(fā)明還提供一種“H”形梁的電容式加速度傳感器，其至少包括第一電極結(jié)構(gòu)層、中間結(jié)構(gòu)層及第二電極結(jié)構(gòu)層；其中，第一電極結(jié)構(gòu)層與第二電極結(jié)構(gòu)層分別設(shè)置有電極引出通孔；所述中間結(jié)構(gòu)層包括形成在具有雙器件層的含氧硅基片的邊框、雙面對稱的質(zhì)量塊、及一根梁連接邊框、另一根梁連接質(zhì)量塊且雙面對稱的“H”形彈性梁，其中，在兩質(zhì)量塊的兩面對稱地設(shè)有防過載凸點及阻尼調(diào)節(jié)槽，且“H”形彈性梁與所述含氧硅基片的體硅層之間滿足條件4l{a+b + c)<h,
42d < h.a和c為兩根梁的寬度，b為兩根梁之間的間隙，d為梁與質(zhì)量塊連接處的連接寬度，h為體娃層厚度。如上所述，本發(fā)明的“H”形梁的電容式加速度傳感器及制備方法，具有以下有益效果I、通過可動質(zhì)量塊上、下兩面的平行全對稱“H”形彈性梁的設(shè)計，通過電感耦合等離子刻蝕或者深反應(yīng)離子刻蝕形成初始全對稱“H”形彈性梁結(jié)構(gòu)，使得彈性梁的形狀更可控、制作工藝兼容性更強。2、防過載凸點直接制作在質(zhì)量塊表面，無需在極板上制作防過載凸點，可以簡化鍵合工藝。3、在質(zhì)量塊上下表面設(shè)計阻尼調(diào)節(jié)槽，可有效減少傳感器的熱機械噪聲。4、采用SOI埋層二氧化硅層作為釋放梁結(jié)構(gòu)的自停止層，使得全對稱“H”形彈性梁結(jié)構(gòu)厚度精確可控。5、三層硅片一次性鍵合，無需先中間結(jié)構(gòu)層與第一電極結(jié)構(gòu)層鍵合，而后再與第二電極結(jié)構(gòu)層鍵合，工藝更加簡單。6、中間電極引線孔圖形在完成三層鍵合后進行紅外光刻對準，省去了鍵合預(yù)對準的復(fù)雜工藝過程。7、雙器件層SOI硅片中間可動電極的引出是分別從SOI硅片的上、下器件層引出，將SOI硅片中相互隔離的器件層通過外圍連接導(dǎo)通。


圖Ia-Il顯示為本發(fā)明的制備“H”形梁的電容式加速度傳感器的方法的流程圖。圖2a顯示為本發(fā)明的“H”形梁的電容式加速度傳感器的立體圖。圖2b顯示為本發(fā)明的“H”形梁的電容式加速度傳感器的中間結(jié)構(gòu)層的俯視圖。圖2c顯示為本發(fā)明的“H”形梁的電容式加速度傳感器的中間結(jié)構(gòu)層A-B向剖視圖。圖2d顯示為本發(fā)明的“H”形梁的電容式加速度傳感器的“H”形梁示意圖。元件標號說明I 第一電極結(jié)構(gòu)層2 中間結(jié)構(gòu)層
3第二電極結(jié)構(gòu)層4質(zhì)量塊5防過載凸點6中間電極7阻尼調(diào)節(jié)槽8“H”形彈性梁9電極引出通孔10電容間隙
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖Ia至圖2d。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。本發(fā)明的制備“H”形梁的電容式加速度傳感器的方法包括以下步驟I、中間結(jié)構(gòu)層，即全對稱“H”形梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)片的制作(I)以雙器件層SOI硅片為基片，如圖Ia所示。(2)硅基片經(jīng)過氧化工藝后，再通過光刻、BOE腐蝕液腐蝕開出KOH腐蝕窗口，然后在硅基片上、下表面利用氫氧化鉀各向異性腐蝕方法使兩表面分別成凹陷狀，以便后續(xù)與第一電極結(jié)構(gòu)層及第二電極結(jié)構(gòu)層鍵合時能具有電容間隙，其中，腐蝕深度Ιμπι，如圖Ib所示。(3)去除已呈凹陷狀的硅基片剩下區(qū)域的氧化層保護層，并再次進行氧化形成氧化硅保護層，隨后通過光刻、BOE腐蝕液腐蝕開出KOH腐蝕窗口，在硅基片上、下表面通過各向異性腐蝕方法制作防過載凸點，其中，防過載凸點的高度為Ιμπι，如圖Ic所示。(4)去除已形成防過載凸點的結(jié)構(gòu)剩下區(qū)域的氧化層保護層，并再次氧化形成氧化硅，通過光刻、BOE腐蝕液腐蝕開出KOH腐蝕窗口，用氫氧化鉀各向異性腐蝕方法，在硅基片上、下表面腐蝕形成阻尼調(diào)節(jié)槽，腐蝕形成V形槽自停止，如圖Id所示。(5)去除已形成阻尼調(diào)節(jié)槽的結(jié)構(gòu)剩下區(qū)域的氧化層，并雙面光刻，以光刻膠作為掩蔽層，應(yīng)用ICP或者DRIE干法刻蝕形成邊框與質(zhì)量塊分別連接“H”形彈性梁的結(jié)構(gòu)，且使防過載凸點與阻尼調(diào)節(jié)槽處于相應(yīng)質(zhì)量塊上、“H”形彈性梁與所述含氧硅基片的體硅層之間滿足條件4l{a+h + c)<h,< h.a和c為兩根梁的寬度，b為兩根梁之間的間隙，d為梁與質(zhì)量塊連接處的連接寬度，h為體硅層厚度，如圖Ie所示，其中，所述邊框作為質(zhì)量塊的錨區(qū)。
(6)去除光刻膠保護層，將硅基片再次進行氧化，然后進行雙面光刻，BOE腐蝕液腐蝕開出KOH腐蝕窗口，如圖If所示。(7)開出腐蝕窗口后，繼續(xù)用上步工藝中的光刻膠做保護層進行ICP或者DRIE干法刻蝕，刻蝕SOI硅基片體硅層，刻蝕深度一定要保證最終全對稱“H”形梁與質(zhì)量塊可以通過各向異性腐蝕釋放，如圖Ig所示。(8)用各向異性腐蝕方法進行硅基片腐蝕，直至“H”形彈性梁與質(zhì)量塊被釋放。在腐蝕完成全對稱“H”形梁結(jié)構(gòu)時，雙器件SOI硅片中的埋氧層作為腐蝕的停止層，實現(xiàn)了腐蝕梁工藝的自停止，如圖Ih所示。(8)去除剩下區(qū)域的腐蝕掩蔽用氧化層，得到中間結(jié)構(gòu)層的全對稱“H”形梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，如圖Ii所示。2.第一電極結(jié)構(gòu)層與第二電極結(jié)構(gòu)層分別通過直接雙拋硅片的熱氧化制作二氧化娃絕緣層來形成。3.通過三層同時鍵合工藝，將第一電極結(jié)構(gòu)層、中間結(jié)構(gòu)層和第二電極結(jié)構(gòu)層鍵合在一起，如圖Ij所示。4.通過紅外對準光刻在鍵合的結(jié)構(gòu)上下表面制作中間電極引線通孔腐蝕窗口，如圖4k所示。5.進行硅的各向異性腐蝕，形成可動質(zhì)量塊中間電極的電極引出通孔，隨后進行鍵合的結(jié)構(gòu)的電極引制作，即在鍵合的結(jié)構(gòu)的正反面采用濺射、蒸發(fā)等制作金屬層，其中，金屬層的材料包括但不限于Al，Au，Ni等，如(圖11)所示。經(jīng)過上述步驟，制備形成的“H”形梁的電容式加速度傳感器如圖2a至2d所示，該電容式加速度傳感器至少包括第一電極結(jié)構(gòu)層I、中間結(jié)構(gòu)層2及第二電極結(jié)構(gòu)層3。其中，第一電極結(jié)構(gòu)層I與第二電極結(jié)構(gòu)層2分別設(shè)置有電極引出通孔9，且第一電極結(jié)構(gòu)層I與中間結(jié)構(gòu)層2間、第二電極結(jié)構(gòu)層2與中間結(jié)構(gòu)層2間均具有電容間隙10，該電容間隙10因前述硅基片呈凹陷狀而形成。其中，所述中間結(jié)構(gòu)層2包括形成在具有雙器件層的含氧硅基片的邊框、雙面對稱的質(zhì)量塊4、及一根梁連接邊框、另一根梁連接質(zhì)量塊4且雙面對稱的“H”形彈性梁8。其中，在所述邊框相對于電極弓I出通孔處形成有中間電極6，在質(zhì)量塊的兩面對稱地設(shè)有防過載凸點5及阻尼調(diào)節(jié)槽7、其四邊側(cè)均連接有“H”形彈性梁8，且“H”形彈性梁8與所述含氧娃基片的體娃層之間滿足條件
權(quán)利要求
1.一種制備“H”形梁的電容式加速度傳感器的方法，其特征在于，所述制備“H”形梁的電容式加速度傳感器的方法至少包括 1)基于各向異性腐蝕法在具有雙器件層的含氧硅基片的兩表面進行刻蝕，使兩表面分別成凹陷狀； 2)基于光刻及各向異性腐蝕法在兩表面的凹陷處分別形成多個防過載凸點； 3)基于光刻及各向異性腐蝕法在已形成防過載凸點的結(jié)構(gòu)兩表面再分別形成阻尼調(diào)節(jié)槽； 4)基于光刻及干法刻蝕對已形成阻尼調(diào)節(jié)槽的結(jié)構(gòu)兩表面分別進行刻蝕、且刻蝕自停止于埋氧化層，由此在兩表面分別形成邊框與質(zhì)量塊分別連接“H”形彈性梁的結(jié)構(gòu)，且使防過載凸點與阻尼調(diào)節(jié)槽處于相應(yīng)質(zhì)量塊上、“H”形彈性梁與所述含氧硅基片的體硅層之間滿足條件
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備“H”形梁的電容式加速度傳感器的方法，其特征在于所述干法刻蝕為感應(yīng)耦合等離子刻蝕或深反應(yīng)離子刻蝕。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備“H”形梁的電容式加速度傳感器的方法，其特征在于光刻時對準〈110〉晶向。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備“H”形梁的電容式加速度傳感器的方法，其特征在于在步驟I)中所形成的凹陷的深度不超過3 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備“H”形梁的電容式加速度傳感器的方法，其特征在于防過載凸點的高度不超過I μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備“H”形梁的電容式加速度傳感器的方法，其特征在于在質(zhì)量塊的四側(cè)均連接有“H”形彈性梁。
7.—種“H”形梁的電容式加速度傳感器，其特征在于，所述“H”形梁的電容式加速度傳感器至少包括 第一電極結(jié)構(gòu)層、中間結(jié)構(gòu)層及第二電極結(jié)構(gòu)層； 其中，第一電極結(jié)構(gòu)層與第二電極結(jié)構(gòu)層分別設(shè)置有電極弓丨出通孔； 所述中間結(jié)構(gòu)層包括基于具有雙器件層的含氧硅基片所形成的邊框、雙面對稱的質(zhì)量塊、及一根梁連接邊框、另一根梁連接質(zhì)量塊且雙面對稱的“H”形彈性梁，其中，在兩質(zhì)量塊的兩面對稱地設(shè)有防過載凸點及阻尼調(diào)節(jié)槽，且“H”形彈性梁與所述含氧硅基片的體硅層之間滿足條件
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的“H”形梁的電容式加速度傳感器，其特征在于在質(zhì)量塊的四側(cè)均連接有“H”形彈性梁。
全文摘要
本發(fā)明提供一種“H”形梁的電容式加速度傳感器及制備方法。該傳感器至少包括第一電極結(jié)構(gòu)層、中間結(jié)構(gòu)層及第二電極結(jié)構(gòu)層；其中，第一電極結(jié)構(gòu)層與第二電極結(jié)構(gòu)層分別設(shè)置有電極引出通孔；所述中間結(jié)構(gòu)層包括形成在具有雙器件層的含氧硅基片的邊框、雙面對稱的質(zhì)量塊、及一根梁連接邊框、另一根梁連接質(zhì)量塊且雙面對稱的“H”形彈性梁，在兩質(zhì)量塊的兩面對稱地設(shè)有防過載凸點及阻尼調(diào)節(jié)槽，且“H”形彈性梁與含氧硅基片的體硅層間滿足條件a和c為兩根梁的寬度，b為兩根梁之間的間隙，d為梁與質(zhì)量塊連接處的連接寬度，h為體硅層厚度。本發(fā)明的制備方法簡單，成品率高；形成的器件具有高度法向的對稱性，抗側(cè)向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊的能力強，交叉靈敏度低。
文檔編號G01P15/125GK102879609SQ201210418979
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者車錄鋒, 周曉峰, 熊斌, 王躍林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所