基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于（111）單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)及制作方法，所述加速度計(jì)包括（111）單晶硅基底和集成于單晶硅基底一面的固支板、微梁與力敏電阻。該單晶硅基底上所有功能部件均位于所述單晶硅基底的一面，所述單晶硅基底的另一面不參與工藝制作，加工后的芯片具有尺寸小、工藝簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，適合大批量生產(chǎn)。同時(shí)，所述加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)了高g值、高頻響、高帶寬的測(cè)量要求，大大改善了加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)測(cè)量特性。
【專利說(shuō)明】基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)及制作
方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于硅微機(jī)械傳感器領(lǐng)域，涉及一種基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)及制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展與深入，汽車碰撞試驗(yàn)、航空航天、工業(yè)自動(dòng)控制、特別是軍事等領(lǐng)域?qū)Ω遟值加速度計(jì)的需求量逐年增加。硅微機(jī)械加速度計(jì)以其低成本、高性能、可量產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)著高g值加速度計(jì)的主要市場(chǎng)。為了能夠真實(shí)再現(xiàn)加速度計(jì)在碰撞瞬間輸入信號(hào)的變化細(xì)節(jié)，要求加速度計(jì)不但要具備高量程，同時(shí)還要具有較高的諧振頻率和工作帶寬。
[0003]目前，高g值加速度計(jì)的核心部件一般為硅懸臂梁結(jié)構(gòu)及布置在懸臂梁上的敏感電阻。傳統(tǒng)高g值加速度計(jì)一般由(100)雙拋硅片通過(guò)正反雙面微機(jī)械加工結(jié)合鍵合工藝制作而成，這種方法會(huì)導(dǎo)致制造成本提高，芯片尺寸較大，工藝復(fù)雜，鍵合工藝還會(huì)引入不必要的殘余應(yīng)力。為了解決上述問(wèn)題，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所科研人員通過(guò)優(yōu)化懸臂梁結(jié)構(gòu)和改進(jìn)工藝，首次成功使用普通(111)單拋片通過(guò)單硅片單面加工制造出懸臂梁式高g值加速度計(jì)，縮小了芯片尺寸、降低了制作成本，簡(jiǎn)化了制作工藝，最大化提高了加速度計(jì)量程。但由于受到懸臂梁自身結(jié)構(gòu)的限制，這種基于懸臂梁式的加速度計(jì)無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高工作帶寬。
[0004]鑒于此，本發(fā)明提出了一種基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)及制作方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)及制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中雙面微機(jī)械加工結(jié)合鍵合工藝制作過(guò)程中存在的制造成本提高，芯片尺寸較大，工藝復(fù)雜，引入不必要的殘余應(yīng)力的問(wèn)題，以及單面加工過(guò)程中，由于受到懸臂梁自身結(jié)構(gòu)的限制，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高工作帶寬的問(wèn)題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)，所述基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)包括:(111)單晶硅基底、固支板、微梁和力敏電阻；其中，所述固支板三邊固支于所述(111)單晶硅基底內(nèi)；所述固支板在單晶硅基底表面上的一邊為非固支邊，所述固支板的兩側(cè)面與所述(111)單晶硅基底之間具有一定間距的間隙；所述微梁對(duì)稱地分布于所述固支板兩側(cè)；且所述微梁橫跨所述間隙，一端與所述彈性板的非固支邊相連接，另一端與所述(111)單晶硅基底相連接；所述微梁縱截面的形狀為矩形；所述力敏電阻位于所述微梁上，且相互連接成惠斯通全橋電路。
[0007]優(yōu)選地，所述固支板為矩形立方結(jié)構(gòu)，所述固支板的側(cè)面與〈211〉晶向垂直。
[0008]優(yōu)選地，所述微梁為直拉直壓微梁，所述微梁的長(zhǎng)度方向均為〈211〉晶向，且所述微梁的長(zhǎng)度方向與所述固支板的側(cè)面相垂直。
[0009]優(yōu)選地，所述微梁的數(shù)量為四個(gè)，分別兩兩對(duì)稱地分布于所述固支板的兩側(cè)。
[0010]優(yōu)選地，所述單晶硅基底的上表面、所述微梁的上表面與所述固支板的非固支邊位于同一平面。
[0011]優(yōu)選地，所述力敏電阻通過(guò)離子注入方法形成于所述微梁上，所述力敏電阻的長(zhǎng)度與所述微梁的長(zhǎng)度相同，所述力敏電阻沿長(zhǎng)度方向上的對(duì)稱軸與所述微梁沿長(zhǎng)度方向上的對(duì)稱軸相重合。
[0012]本發(fā)明還提供一種基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的制作方法，包括以下步驟:
[0013]I)提供一單晶硅片；
[0014]2)采用離子注入的方法在所述單晶硅片上制作力敏電阻，然后制作表面鈍化保護(hù)層；
[0015]3)利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝在所述單晶硅片上間隔的制作多個(gè)釋放窗口，所述釋放窗口勾勒出所需的微梁和固支板的輪廓；所述釋放窗口的深度與所述微梁的厚度一致；
[0016]4)在所述釋放窗口內(nèi)沉積鈍化材料作為側(cè)壁鈍化保護(hù)層；
[0017]5)利用反應(yīng)離子刻蝕工藝去除所述釋放窗口底部的鈍化保護(hù)層，然后再利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝?yán)^續(xù)向下刻蝕出所述微梁的釋放犧牲間隙，所述釋放犧牲間隙的深度與所述固支板的寬度一致；
[0018]6)通過(guò)所述釋放犧牲間隙利用濕法刻蝕工藝沿〈110〉晶向橫向腐蝕所述單晶硅片，釋放所述微梁和所述固支板，所述微梁的縱截面形狀為矩形；
[0019]7)去除所述單晶硅片表面殘余的鈍化保護(hù)層，制作歐姆接觸區(qū)域和引線孔；
[0020]8)在所述單晶硅片表面制作引線和焊盤。
[0021]優(yōu)選地，所述單晶硅片為η型(111)單晶硅片。
[0022]優(yōu)選地，在步驟2)中，通過(guò)向所述單晶硅片進(jìn)行硼離子注入的方法制作所述力敏電阻，注入傾斜角度為7°?10°，所述力敏電阻的方塊電阻值為85歐姆?92歐姆。
[0023]優(yōu)選地，在步驟4)中，利用LPCVD工藝依次沉積低應(yīng)力氮化硅和TEOS氧化硅，或者直接利用LPCVD工藝沉積低應(yīng)力氮化硅的方法制作側(cè)壁鈍化保護(hù)層。
[0024]如上所述，本發(fā)明的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)及制作方法，具有以下有益效果:所發(fā)明的加速度計(jì)采用表面形成有力敏電阻的直拉直壓微梁和三邊固支的固支板的組合結(jié)構(gòu)作為加速度計(jì)的核心敏感元件；通過(guò)硅深反應(yīng)離子刻蝕形成直拉直壓微梁結(jié)構(gòu)及三邊固支的固支板截面輪廓；最后通過(guò)直拉直壓微梁底部橫向刻蝕將直拉直壓微梁及三邊固支的固支板的組合結(jié)構(gòu)釋放，完成整個(gè)加速度計(jì)的一體化制作。由于本發(fā)明的加速度計(jì)在(111)單晶硅基底上通過(guò)單面加工形成集敏感結(jié)構(gòu)與檢測(cè)單元的一體式結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的加速度計(jì)靈敏度與一階諧振頻率二次方的乘積(性能系數(shù))遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的高g值加速度計(jì)。通過(guò)優(yōu)化所述加速度計(jì)各組成部分的尺寸，特別是四根直拉直壓微梁結(jié)構(gòu)尺寸，在保證加速度計(jì)靈敏度足夠高的同時(shí)，本發(fā)明的加速度計(jì)的一階諧振頻率可達(dá)數(shù)兆赫茲，大大提高了加速度計(jì)的工作帶寬，大大改善了傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量特性。此夕卜，本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)可使用單拋硅片單面微加工制作，具有尺寸小、工藝簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，適合大批量生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1顯示為本發(fā)明的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2顯示為本發(fā)明的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)中固支板的縱截面三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖3顯示為本發(fā)明的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)中微梁的縱截面三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖4顯示為本發(fā)明的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的制作方法的流程圖。
[0029]圖5顯示為本發(fā)明的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的制作方法各步驟的縱截面結(jié)構(gòu)示意圖。(a)力敏電阻制作；(b)刻蝕直拉直壓微梁結(jié)構(gòu)；(c)直拉直壓微梁結(jié)構(gòu)側(cè)壁鈍化保護(hù)；(d)深刻蝕三邊固支板結(jié)構(gòu)；(e)直拉直壓檢測(cè)梁結(jié)構(gòu)濕法刻蝕釋放；(f)加工引線孔及引線。
[0030]圖6顯示為本發(fā)明的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的SEM實(shí)物圖。
[0031]圖7顯示為本發(fā)明的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)中微梁的SEM實(shí)物圖。
[0032]圖8顯示為本發(fā)明的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)沖擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)輸出電壓與時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0033]圖9顯示為本發(fā)明的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)沖擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)輸出能量與頻率關(guān)系曲線圖。
[0034]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0035]I力敏電阻
[0036]2微梁
[0037]21第一微梁
[0038]22第二微梁
[0039]23第三微梁
[0040]24第四微梁
[0041]3固支板
[0042]4間隙
[0043]5力敏電阻引線孔
[0044]6(111)單晶硅基底
[0045]7引線
[0046]8焊盤
[0047]L1固支板的長(zhǎng)度
[0048]D1固支板的厚度
[0049]W1固支板的寬度
[0050]L2微梁的長(zhǎng)度
[0051]D2微梁的厚度
[0052]W2微梁的寬度
[0053]d相鄰兩微梁之間的間距

【具體實(shí)施方式】
[0054]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0055]請(qǐng)參閱圖請(qǐng)參閱圖1至圖9。需要說(shuō)明的是,本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，雖圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)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。
[0056]實(shí)施例一
[0057]請(qǐng)參閱圖1至圖3，本發(fā)明提供一種基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)。所述基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)至少包括:(111)單晶硅基底6、固支板3、微梁2和力敏電阻I ;其中，所述固支板3三面固支于所述(111)單晶硅基底6內(nèi)；所述固支板3的一對(duì)相對(duì)面為非固支面，所述固支板側(cè)面與所述(111)單晶硅基底6之間具有一定的間隙4 ;所述微梁2對(duì)稱地分布于所述固支板3兩側(cè)；且所述微梁2橫跨所述間隙4，一端與所述彈性板3的非固支面相連接，另一端與所述(111)單晶硅基底6相連接；所述力敏電阻I位于所述微梁2上；所述力敏電阻I相互連接成惠斯通全橋電路。
[0058]具體的，所述基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)是通過(guò)單面加工工藝，將所述固支板3、所述微梁2和所述力敏電阻I集成于所述(111)單晶硅基底6的一個(gè)表面內(nèi)。所述固支板3為矩形立方結(jié)構(gòu)，所述固支板3的下表面與兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面分別與所述(111)單晶硅基底6相連接，所述固支板3的側(cè)面與〈211〉晶向相垂直，所述固支板3的兩個(gè)非固支面均為(211)晶面，所述固支板3的長(zhǎng)度方向?yàn)椤?10〉晶向。所述微梁2為直拉直壓微梁，所述微梁2的長(zhǎng)度方向均為〈211〉晶向，且所述微梁2的長(zhǎng)度方向與所述固支板3的側(cè)面相垂直，即所述固支板3的側(cè)面的法線方向即為〈211〉晶向。所述微梁2的數(shù)量為四個(gè)，四個(gè)所述微梁2分別兩兩對(duì)稱地分布于所述固支板3的兩側(cè)，即所述固支板3非固支邊的兩側(cè)分別分布兩個(gè)所述微梁2，位于所述固支板3同一側(cè)的兩個(gè)所述微梁2之間具有一定的間距，且相互平行分布。四個(gè)所述微梁2的尺寸相同。每個(gè)所述微梁2上設(shè)有一個(gè)所述力敏電阻1，所述力敏電阻I的數(shù)量與所述微梁2的數(shù)量相同，亦為四個(gè)。所述力敏電阻I通過(guò)離子注入方法形成于所述微梁2上，所述力敏電阻I的長(zhǎng)度與所述微梁2的長(zhǎng)度相同，所述力敏電阻I沿長(zhǎng)度方向上的對(duì)稱軸與所述微梁2沿長(zhǎng)度方向上的對(duì)稱軸相重合。四個(gè)所述力敏電阻I的阻值大小相等。
[0059]具體的，所述(111)單晶硅基底6的上表面、所述微梁2的上表面與所述固支板3的非固支邊位于同一平面。
[0060]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖1，所述基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的工作原理為:所述基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的敏感檢測(cè)方向?yàn)樗龉讨О?的側(cè)面的法線方向，即〈211〉晶向；當(dāng)所述加速度計(jì)受到沿〈211〉晶向的加速度作用時(shí)，所述固支板3的非固支邊將沿〈211〉晶向產(chǎn)生變形，進(jìn)而帶動(dòng)與所述固支板3的非固支邊相連接的所述微梁2也發(fā)生變形；其中，位于圖1中所述固支板3左側(cè)的第一微梁21和第二微梁22受拉，其上的所述力敏電阻I的阻值增大，位于所述固支板3另一側(cè)的第三微梁23和第四微梁24受壓，位于其上的所述力敏電阻I的阻值減小。所述第一微梁21、第二微梁22、第三微梁23和第四微梁24上的力敏電阻I正好組成惠斯通全橋檢測(cè)電路，因此，通過(guò)檢測(cè)電路的電壓信號(hào)輸出可以獲取加速度的大小。
[0061]所述加速度計(jì)的諧振頻率和靈敏度滿足如下公式:
[0062]Q) s = Gr-(O

L
[0063]式中G為應(yīng)變系數(shù)(壓阻系數(shù)π44/2乘以單晶硅的楊氏模量)，s為傳感器靈敏度，L為力敏電阻的長(zhǎng)度，r為力敏電阻應(yīng)變量與微機(jī)械慣性敏感結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變量之間的比值，ω為一階諧振頻率。由公式(I)可知，在G值和力敏電阻長(zhǎng)度L最優(yōu)情況下，通過(guò)將所述力敏電阻I布置在所述微梁2上可以獲得比傳統(tǒng)壓阻式懸臂梁加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中更高的r值，從而獲得更大的ω、。
[0064]本發(fā)明充分利用直拉直壓檢測(cè)梁具有極高的諧振頻率和極強(qiáng)的抗沖擊能力這一特性，結(jié)合(111)單晶硅片單面加工制作工藝的特點(diǎn)，將所述微梁2和所述固支板3進(jìn)行優(yōu)化組合構(gòu)成加速度計(jì)的核心敏感部件。由于本發(fā)明的加速度計(jì)在所述(111)單晶硅基底6上通過(guò)單面加工形成集敏感結(jié)構(gòu)與檢測(cè)單元的一體式結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)硅-硅(或硅-玻璃)鍵合結(jié)構(gòu)抗沖擊能力差、諧振頻率難以進(jìn)一步提高、制作成本高的不足，既滿足加速度計(jì)高頻帶的要求又具備高抗沖擊能力。
[0065]實(shí)施例二
[0066]請(qǐng)參閱圖4至圖9，本發(fā)明還提供一種基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的制作方法，請(qǐng)結(jié)合實(shí)施例一中的圖1至圖3，以量程為20萬(wàn)g的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)為例，所述微梁2的長(zhǎng)度L2為20 μ m，厚度D2為3 μ m，寬度W2為3 μ m ;所述固支板3長(zhǎng)度L1為468 μ m，寬度W1為156 μ m,厚度D1為30 μ m,相鄰兩個(gè)所述微梁2之間的間距d為86μπι。加工后芯片整體尺寸為1.8X1.8X0.8mm3，加工后所述加速度計(jì)的靈敏度為0.15 μ V/g，諧振頻率為2.57MHz，工作帶寬大于500kHz。
[0067]請(qǐng)參閱圖4至圖5，以量程為20萬(wàn)g的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)為例，基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的制作方法至少包括以下步驟:
[0068]I)提供一 η型(111)晶面的單晶硅片，所述單晶硅片為單面拋光或雙面拋光的單晶硅片，所述單晶硅片的厚度為430 μ m，電阻率為I?10Ω.cm，軸偏切為0±0.1°。
[0069]2)采用硼離子注入的方法在所述單晶硅片正面注入硼離子退火后形成力敏電阻，注入傾斜角度為7°?10°，所述力敏電阻的方塊電阻值為85歐姆?92歐姆。然后制作表面鈍化保護(hù)層:利用LPCVD工藝依次沉積低應(yīng)力氮化硅和TEOS氧化硅，如圖5(a)所示。
[0070]3)利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝(De印-RIE)在所述單晶硅片上間隔的制作多個(gè)釋放窗口，所述釋放窗口勾勒出所需的微梁和固支板的輪廓，刻蝕確定的所述微梁的結(jié)構(gòu)層長(zhǎng)度為20 μ m、厚度為3 μ m、寬度為3 μ m,所述固支板的長(zhǎng)度為468 μ m、厚度為30 μ m,如圖5(b)所示。
[0071 ] 4)在所述釋放窗口內(nèi)沉積鈍化材料作為側(cè)壁鈍化保護(hù)層:利用LPCVD工藝依次沉積低應(yīng)力氮化硅和TEOS氧化硅，或者直接利用LPCVD工藝沉積低應(yīng)力氮化硅，如圖5 (c)所
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[0072]5)利用反應(yīng)離子刻蝕工藝(RIE)去除所述釋放窗口底部的鈍化保護(hù)層，然后再利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝?yán)^續(xù)向下刻蝕出所述微梁的釋放犧牲間隙，所述釋放犧牲間隙的深度與為156 μ m,如圖5(d)所示。
[0073]6)通過(guò)所述釋放犧牲間隙利用KOH溶液或TMAH (TetramethylammoniumHydroxide，四甲基氫氧化銨)溶液沿〈110〉晶向橫向腐蝕所述單晶硅片，釋放所述微梁和所述固支板，所述腐蝕的時(shí)間為20分鐘；優(yōu)選地，本實(shí)施例中，使用質(zhì)量百分濃度為40%、溫度為50°C的KOH溶液沿〈110〉晶向橫向腐蝕所述單晶硅片。在結(jié)構(gòu)釋放過(guò)程中，由于所述微梁要腐蝕釋放的結(jié)構(gòu)尺寸特別小(3 μ m)，橫向釋放時(shí)間比較短，又所述微梁的下表面為(111)晶面，橫向釋放時(shí)所述微梁下表面腐蝕速率接近于0，橫向釋放時(shí)所述微梁下表面基本保持原貌，釋放過(guò)程中所述微梁的截面始終保持為矩形，使得所述微梁各方向的尺寸可精確控制，所述微梁的制造成品率高。同時(shí)，由于微梁下要腐蝕釋放的結(jié)構(gòu)尺寸特別小(3 μ m),且腐蝕方向?yàn)闈穹ǜg速率最快的〈110〉晶向，而所述固支板暴露出來(lái)的兩個(gè)側(cè)面為(211)面,橫向釋放時(shí)固支板的側(cè)面腐蝕速率較慢；同時(shí),又兩個(gè)所述側(cè)面尺寸很大(長(zhǎng)度468 μ m,深度156 μ m)，因此在較短的腐蝕釋放時(shí)間內(nèi)(20分鐘)，所述固支板的兩個(gè)側(cè)面幾乎保持原貌不變，橫向刻蝕引起的所述固支板側(cè)面的損耗較小，如圖5(e)所示。
[0074]7)利用緩沖氧化娃刻蝕劑(BOE, Buffered Oxide Etchant)腐蝕多余的TEOS氧化硅，然后再利用150°C濃度為85%的磷酸腐蝕液腐蝕掉多余的氮化硅；制作歐姆接觸區(qū)域，并使用緩沖氧化硅刻蝕劑在所述歐姆接觸區(qū)域內(nèi)腐蝕出引線孔；
[0075]8)在所述單晶硅片正面濺射鋁薄膜，光刻引線和焊盤；腐蝕鋁引線，并合金化，如圖5(f)所示。
[0076]圖6、圖7分別是本實(shí)施例制作的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)和微梁的SEM實(shí)物圖片。由圖6可知，所述位于所述微梁上的力敏電阻通過(guò)在其兩側(cè)的力敏電阻引線孔5內(nèi)填充金屬，并通過(guò)引線7連接至焊墊8。圖8和圖9分別為本發(fā)明的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)沖擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)輸出電壓與時(shí)間關(guān)系曲線圖和輸出能量與頻率關(guān)系曲線圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明的加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)了高g值、高頻響、高帶寬的測(cè)量要求，大大改善了加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)測(cè)量特性。同時(shí)，該單晶硅片上所有功能部件均位于所述單晶硅片的一面，所述單晶硅片的另一面不參與工藝制作，加工后的芯片具有尺寸小、工藝簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，適合大批量生產(chǎn)。
[0077]綜上所述，本發(fā)明提供一種基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)及制作方法，所述加速度計(jì)采用表面形成有力敏電阻的直拉直壓微梁和三邊固支的固支板的組合結(jié)構(gòu)作為加速度計(jì)的核心敏感元件；通過(guò)硅深反應(yīng)離子刻蝕形成直拉直壓微梁結(jié)構(gòu)及三面固支的固支板截面輪廓；最后通過(guò)直拉直壓微梁底部橫向刻蝕將直拉直壓微梁及三邊固支的固支板的組合結(jié)構(gòu)釋放，完成整個(gè)加速度計(jì)的一體化制作。由于本發(fā)明的加速度計(jì)在(111)單晶硅襯底上通過(guò)單面加工形成集敏感結(jié)構(gòu)與檢測(cè)單元的一體式結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的加速度計(jì)靈敏度與一階諧振頻率二次方的乘積(性能系數(shù))遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的高g值加速度計(jì)。通過(guò)優(yōu)化所述加速度計(jì)各組成部分的尺寸，特別是四根直拉直壓微梁結(jié)構(gòu)尺寸，在保證加速度計(jì)靈敏度足夠高的同時(shí)，本發(fā)明的加速度計(jì)的一階諧振頻率可達(dá)數(shù)兆赫茲，大大提高了加速度計(jì)的工作帶寬，大大改善了傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量特性。此外，本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)可使用單拋硅片單面微加工制作，具有尺寸小、工藝簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，適合大批量生產(chǎn)。
[0078]上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)，其特征在于，包括:(111)單晶硅基底、固支板、微梁和力敏電阻；其中， 所述固支板三邊固支于所述(111)單晶硅基底內(nèi)；所述固支板在單晶硅基底表面上的一邊為非固支邊，所述固支板的兩側(cè)面與所述單晶硅基底之間具有一定間距的間隙； 所述微梁對(duì)稱地分布于所述固支板兩側(cè)；且所述微梁橫跨所述間隙，一端與所述彈性板的非固支邊相連接，另一端與所述(111)單晶硅基底相連接；所述微梁縱截面的形狀為矩形； 所述力敏電阻位于所述微梁上，且相互連接成惠斯通全橋電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)，其特征在于:所述固支板為矩形立方結(jié)構(gòu)，所述固支板的側(cè)面與〈211〉晶向垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)，其特征在于:所述微梁為直拉直壓微梁，所述微梁的長(zhǎng)度方向均為〈211〉晶向，且所述微梁的長(zhǎng)度方向與所述固支板的側(cè)面相垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)，其特征在于:所述微梁的數(shù)量為四個(gè)，分別兩兩對(duì)稱地分布于所述固支板的兩側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)，其特征在于:所述單晶硅基底的上表面、所述微梁的上表面與所述固支板的非固支邊位于同一平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)，其特征在于:所述力敏電阻通過(guò)離子注入方法形成于所述微梁上，所述力敏電阻的長(zhǎng)度與所述微梁的長(zhǎng)度相同，所述力敏電阻沿長(zhǎng)度方向上的對(duì)稱軸與所述微梁沿長(zhǎng)度方向上的對(duì)稱軸相重合。
7.一種基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的制作方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)提供一單晶娃片； 2)采用離子注入的方法在所述單晶硅片上制作力敏電阻，然后制作表面鈍化保護(hù)層； 3)利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝在所述單晶硅片上間隔的制作多個(gè)釋放窗口，所述釋放窗口勾勒出所需的微梁和固支板的輪廓；所述釋放窗口的深度與所述微梁的厚度一致； 4)在所述釋放窗口內(nèi)沉積鈍化材料作為側(cè)壁鈍化保護(hù)層； 5)利用反應(yīng)離子刻蝕工藝去除所述釋放窗口底部的鈍化保護(hù)層，然后再利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝?yán)^續(xù)向下刻蝕出所述微梁的釋放犧牲間隙，所述釋放犧牲間隙的深度與所述固支板的寬度一致； 6)通過(guò)所述釋放犧牲間隙利用濕法刻蝕工藝沿〈110〉晶向橫向腐蝕所述單晶硅片，釋放所述微梁和所述固支板，所述微梁的縱截面形狀為矩形； 7)去除所述單晶硅片表面殘余的鈍化保護(hù)層，制作歐姆接觸區(qū)域和引線孔； 8)在所述單晶硅片表面制作引線和焊盤。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的制作方法，其特征在于:所述單晶硅片為η型(111)單晶硅片。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的制作方法，其特征在于:在步驟2)中，通過(guò)向所述單晶硅片進(jìn)行硼離子注入的方法制作所述力敏電阻，注入傾斜角度為7°?10°，所述力敏電阻的方塊電阻值為85歐姆?92歐姆。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于(111)單晶硅片的高諧振頻率高沖擊加速度計(jì)的制作方法，其特征在于:在步驟4)中，利用LPCVD工藝依次沉積低應(yīng)力氮化硅和TEOS氧化硅，或者直接利用LPCVD工藝沉積低應(yīng)力氮化硅的方法制作側(cè)壁鈍化保護(hù)層。
【文檔編號(hào)】G01P15/12GK104316725SQ201410638056
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】李昕欣, 鄒宏碩, 王家疇, 張?chǎng)H 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