[發明專利]一種MEMS壓阻式加速度傳感器及其制造方法

在審

• 申請號: 201410263747.6
• 申請日: 2014-06-13
• 公開（公告）號: CN104062462A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 董健;蔣恒;孫笠
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01P15/12
• 分類號: G01P15/12;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;王兵

(一)技術領域

本發明涉及MEMS(微機電系統)傳感器領域中的加速度傳感器及其制造方法，具體涉及一種基于陽極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器及其制造方法。

(二)背景技術

MEMS加速度傳感器由于體積小、質量輕、成本低、可靠性高等優點，在航空航天、環境監測、軍事、汽車等領域備受關注，尤其對器件體積、質量及可靠性有很高要求的航空航天及兵器科學領域有很大的應用前景。MEMS壓阻式加速度傳感器體積小，頻率范圍寬，測量加速度的范圍也寬，直接輸出電壓信號，相比電容式加速度傳感器，不需要復雜的電路接口，大批量生產時價格低廉，可重復生產性好，可直接測量連續的加速度和穩態加速度。然而，應用環境的復雜和惡劣導致MEMS加速度傳感器的可靠性逐漸成為器件設計時主要考慮的問題之一，傳感器長期穩定性和可靠性對于器件應用來說非常重要。基于此，有必要發明一種MEMS壓阻式加速度傳感器芯片，以保證加速度傳感器在應用時的穩定性與可靠性。

(三)發明內容

本發明的目的是提供一種基于陽極鍵合封裝技術、表面微加工、體微加工工藝的MEMS壓阻式加速度傳感器芯片，以保證加速度傳感器在應用時的可靠性。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于陽極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器，所述的傳感器具有第一鍵合玻璃-硅基-第二鍵合玻璃三明治結構；所述的硅基內部形成有壓阻式加速度傳感器懸臂梁，硅基的正面形成有壓阻式加速度傳感器的壓阻區域，所述壓阻式加速度傳感器的壓阻區域位于壓阻式加速度傳感器懸臂梁的上表面根部，并且注入有淡硼形成4根淡硼擴散壓阻，同時淡硼擴散壓阻的內部注入有濃硼形成濃硼歐姆接觸區，所述壓阻式加速度傳感器壓阻區域的上方沉積有二氧化硅層，二氧化硅層上方沉積有第一氮化硅層，所述的二氧化硅層和第一氮化硅層一起作為絕緣鈍化層，所述的絕緣鈍化層開有引線孔，利用金屬導線連通壓阻區域，并且壓阻式加速度傳感器壓阻區域的4根淡硼擴散壓阻通過金屬導線構成惠斯頓全橋連接，所述金屬導線的上方沉積有第二氮化硅層，所述第二氮化硅層的上方沉積有非晶硅，并且，利用非晶硅作為臺階，所述的非晶硅與第一鍵合玻璃鍵合后形成一個真空腔體，所述硅基的正面還形成有濃硼導線，所述濃硼導線的上方連接有金屬管腳，濃硼導線將傳感器工作區與金屬管腳連通，所述硅基的背面與第二鍵合玻璃陽極鍵合。

本發明MEMS壓阻式加速度傳感器，優選所述的硅基為n型(100)硅片；優選所述第二氮化硅層的上方沉積的非晶硅的厚度為2～4μm。

本發明MEMS壓阻式加速度傳感器的工作原理如下：本發明MEMS壓阻式加速度傳感器主要基于硼摻雜后單晶硅的壓阻特性，壓阻式加速度傳感器懸臂梁上的淡硼擴散壓阻受到力的作用后，電阻率發生變化，通過惠斯頓全橋可以得到正比于力變化的電信號輸出，通過測量電信號輸出就能知道所測物理量的大小。本發明中我們向N型(100)晶向硅片注入硼來實現P型壓阻，利用PN結實現壓阻的隔絕，由于壓阻的壓阻系數的各向異性，不同方向的應力對壓阻有不同的影響，為了盡可能增加靈敏度，本發明所述的MEMS壓阻式加速度傳感器壓阻區域的淡硼擴散壓阻的排布方式為：縱向沿硅基的(1,1,0)晶向方向、橫向沿硅基的(1,-1,0)晶向方向分布，縱向壓阻系數、橫向壓阻系數分別為71.8，-66.3。

本發明所述的MEMS壓阻式加速度傳感器為雙懸臂梁設計，所述壓阻式加速度傳感器壓阻區域的淡硼擴散壓阻為4組，每組由兩個平行的淡硼擴散壓阻組成，其中兩組對橋臂淡硼擴散壓阻對稱分布在懸臂梁上表面根部的應力集中區域，另外兩組淡硼擴散壓阻對稱分布在零應力區。當然，根據不同的靈敏度需要也可以采用不同的懸臂梁結構，如單邊單梁、雙邊雙梁、雙邊四梁、四邊四梁、四邊八梁等。并且，所述的淡硼擴散壓阻也可以采用不同的分布方式，4組淡硼擴散壓阻(可以是4根，也可以8根對折型等)通過金屬導線連接構成惠斯頓全橋，本發明壓阻式加速度傳感器金屬管腳的一種連接方式為：第一管腳接壓阻式加速度傳感器輸出負，第二管腳接地，第三管腳接壓阻式加速度傳感器輸出正，第四管腳接電源正極。

本發明還提供了一種所述的MEMS壓阻式加速度傳感器的制造方法，所述的制造方法按如下步驟進行：

a)取硅片作為硅基，雙面拋光，清洗，正面熱氧長一層二氧化硅保護層，正面光刻膠作掩膜光刻出壓阻式加速度傳感器的壓阻區域，然后在壓阻區域注入淡硼，形成淡硼擴散壓阻，去除光刻膠；