[發(fā)明專利]一種三軸電容式MEMS加速度傳感器及制備方法

有效

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• 申請日: 2015-03-07
• 公開（公告）號: CN104714050B
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發(fā)明（設計）人: 許高斌;陳興;馬淵明
• 申請（專利權）人: 南京中諾斯特傳感器科技有限公司
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125;G01P15/18;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 合肥金安專利事務所34114
• 代理人: 徐偉

1.一種三軸電容式MEMS加速度傳感器，其特征在于：包括SOI硅基片、加速度敏感質量塊單元和玻璃基片；

所述加速度敏感質量塊單元由水平軸向檢測單元和平行板檢測單元兩部分構成；

在SOI硅基片的正面設有水平軸向檢測單元；所述水平軸向檢測單元為定齒偏置式電容傳感器，由水平軸向檢測單元檢測并反饋X軸向的電容信號和Y軸向的電容信號；

在SOI硅基片的背面設有凹槽；在凹槽中設有平行板檢測單元；在凹槽的底部設有連通孔，由該連通孔導通SOI硅基片的正面與凹槽底面；所述平行板檢測單元經連通孔與水平軸向檢測單元固定連接；

在SOI硅基片的背面固定連接有玻璃基片；即平行板檢測單元封裝在SOI硅基片背面的凹槽中，且可沿著SOI硅基片上連通孔的方向滑動，檢測并反饋Z軸向的電容信號；

具體結構如下：

所述SOI硅基片包括相互連接的二氧化硅層（302）和下硅層（201）；其中，前述的凹槽設置在下硅層（201）的底面，且該凹槽呈工字形；

在凹槽的中部設有凹槽側敏感質量塊（202），在凹槽的兩端的寬頭處各設有一個平行板下差分電容（203）；平行板下差分電容（203）為矩形塊，且與凹槽寬頭的形狀相匹配；

所述平行板檢測單元包括：平行板上電極的錨固塊（103）、平行板上電極的金屬壓焊塊（104）、平行板上差分電容（113）、下差分電容的錨固塊（109）、下差分電容的金屬壓焊塊（110）、凹槽側敏感質量塊（202）、平行板下差分電容（203）；其中，

在二氧化硅層（302）的頂面上設有一對平行板上電極的錨固塊（103）；所述兩個平行板上電極的錨固塊（103）分別位于工字型凹槽的兩側，且平行板上電極的錨固塊（103）靠近相鄰的二氧化硅層（302）的側邊；所述平行板上差分電容（113）呈為矩形塊；平行板上電極的錨固塊（103）的寬邊分別與相鄰的平行板上差分電容（113）相連接；在平行板上電極的錨固塊（103）的上表面設有平行板上電極的金屬壓焊塊（104）；即平行板差分電容體（113）固定連接在上硅層的表面；

還包括下差分電容的連通孔（111）、敏感質量塊的連通孔（114）和敏感質量塊矩形通孔（403）；其中，在凹槽兩端寬頭的末端分別開有一個下差分電容的連通孔（111）；所述下差分電容的連通孔（111）內分別配有一個下差分電容連通件（401）；在二氧化硅層（302）的頂面設有四個下差分電容的錨固塊（109）；在下差分電容的錨固塊（109）的頂面分別設有下差分電容的金屬壓焊塊（110）；在下差分電容的錨固塊（109）側壁上分別設有一根延伸臂；所述延伸臂分別延伸至相鄰下差分電容的連通孔（111）的上方；通過下差分電容連通件（401）將下差分電容的錨固塊（109）的延伸臂與位于下差分電容的連通孔（111）另一側的平行板下差分電容（203）固定連接；在凹槽桿身開有兩個敏感質量塊的連通孔（114）；所述敏感質量塊的連通孔（114）位于平行板上差分電容（113）的兩側，且平行板上差分電容（113）靠近同側的凹槽寬頭；所述敏感質量塊的連通孔（114）內分別配有一個敏感質量塊連通件（402）；在位于兩個敏感質量塊的連通孔（114）之間的凹槽底部還設有一個敏感質量塊矩形通孔（403）；

在二氧化硅層（302）的頂面上設有兩個水平軸向檢測單元；所述水平軸向檢測單元分別位于平行板上差分電容（113）的兩側，且相互對稱；其中，

每個水平軸向檢測單元均含有：頂部敏感質量塊錨固塊（101）、頂部敏感質量塊的金屬壓焊塊（102）、X軸向錨固塊（105）、X軸向錨固塊的金屬壓焊塊（106）、Y軸向錨固塊（107）、Y軸向錨固塊的金屬壓焊塊（108）、可動平行板電容上電極（112）、X軸向固定梳齒（115）、X軸向可動梳齒（116）、Y軸向固定梳齒（117）、Y軸向可動梳齒（118）、L型支撐彈簧梁（119）、頂部敏感質量塊（120）、頂部敏感質量塊X軸向凸塊（121）和頂部敏感質量塊Y軸向連桿（122）；

其中，可動平行板電容上電極（112）為矩形塊；可動平行板電容上電極（112）的寬度方向的側壁分別與一個頂部敏感質量塊X軸向凸塊（121）的一端相連接；所述頂部敏感質量塊X軸向凸塊（121）呈T型；在頂部敏感質量塊X軸向凸塊（121）的另一端的端面上設有一組Y軸向可動梳齒（118）；在靠近Y軸向可動梳齒（118）的二氧化硅層（302）的頂面上固定連接有Y軸向錨固塊（107）；在朝向Y軸向可動梳齒（118）一側的Y軸向錨固塊（107）側壁上設有一組Y軸向固定梳齒（117）；所述Y軸向固定梳齒（117）與Y軸向可動梳齒（118）相互交叉；在Y軸向錨固塊（107）的頂部設有Y軸向錨固塊的金屬壓焊塊（108）；

所述頂部敏感質量塊（120）為矩形塊；在頂部敏感質量塊（120）的一條長度方向的側壁上設有兩根頂部敏感質量塊X軸向凸塊（121），所述頂部敏感質量塊X軸向凸塊（121）分別與相鄰的頂部敏感質量塊X軸向凸塊（121）相連接；在頂部敏感質量塊（120）的另一條長度方向的側壁上設有X軸向可動梳齒（116）；在靠近X軸向可動梳齒（116）的二氧化硅層（302）的頂面上固定連接有X軸向錨固塊（105）；在朝向X軸向可動梳齒（116）一側的X軸向錨固塊（105）側壁上設有X軸向固定梳齒（115）；所述X軸向固定梳齒（115）與X軸向可動梳齒（116）相互齒合；在X軸向錨固塊（105）的頂部設有X軸向錨固塊的金屬壓焊塊（106）；

在頂部敏感質量塊（120）的兩條寬度方向的側壁上各設有一根頂部敏感質量塊錨固塊（101），所述頂部敏感質量塊錨固塊（101）的底部與二氧化硅層（302）相連接，頂部敏感質量塊錨固塊（101）的頂部設有頂部敏感質量塊的金屬壓焊塊（102）；

可動平行板電容上電極（112）的底面與相鄰的敏感質量塊連通件（402）的端部相連，敏感質量塊連通件（402）的另一端與凹槽側敏感質量塊（202）相連；即兩個水平軸向檢測單元均與凹槽側敏感質量塊（202）相連接；

玻璃基片為一塊玻璃片（400）；所述玻璃片（400）與下硅層（201）的底面形狀相同，且與平行板下差分電容（203）的外側端面、下硅層（201）的底面固定連接；將凹槽側敏感質量塊（202）的Z向移動距離限制在凹槽底部至玻璃片（400）之間；

在水平軸向檢測單元上設有結構釋放孔（301）；

所述結構釋放孔（301）為貫穿的矩形或圓形小孔；結構釋放孔（301）均布于可動平行板電容上電極（112）、頂部敏感質量塊（120）、頂部敏感質量塊X軸向凸塊（121）和頂部敏感質量塊Y軸向連桿（122）的表面，在提高水平軸向檢測單元的機械強度與韌性的同時，一方面降低水平軸向檢測單元的自重，另一方面提高對電容變化量的敏感性。

2.如權利要求1所述三軸電容式MEMS加速度傳感器的制備方法，其特征在于：按如下步驟進行：

步驟1.備片：準備一塊雙面拋光SOI硅基片，所述SOI硅基片由依次連接的上硅層、二氧化硅層（302）和下硅層（201）組成；

步驟2.進行第一次光刻：在SOI硅基片的下層硅（201）的背面沉積一層鋁作為一次深硅刻蝕的掩膜，隨后旋涂正膠，對本步驟所旋涂的光刻膠層進行光刻，刻蝕本步驟所沉積的鋁層，露出光刻區(qū)域的下層硅（201）；隨后，刻蝕下層硅（201），在下層硅（201）的背面形成淺槽；所述淺槽區(qū)域為待刻蝕成為凹槽側可動質量塊（202）的下硅層（201）區(qū)域；

步驟3.進行第二次光刻：第二次在SOI硅基片的下層硅（201）的背面再沉積一層鋁作為第二次深硅刻蝕的掩膜，隨后再次旋涂正膠，對本步驟所旋涂的光刻膠層進行光刻，刻蝕本步驟所沉積的鋁層，對淺槽四周的下層硅（201）進行深硅刻蝕，形成背面深槽，所述背面深槽內刻蝕形成凹槽側可動質量塊（202）和兩個平行板下差分電容（203）結構；本步驟中的凹槽側可動質量塊（202）和平行板下差分電容（203）的內側端面均與二氧化硅層（302）相連接；去除本步驟中在下層硅（201）背面沉積的起掩膜作用的鋁層；

步驟4.硅-玻鍵合：利用鍵合技術，將下層硅（201）的底面、平行板下差分電容（203）的外側端面與玻璃片（400）鍵合在一起；其中，玻璃片（400）的內側表面上設有納米吸氣劑，從而實現下層硅（201）與玻璃片（400）之間毫托量級的高真空封裝；

步驟5.進行第三次光刻：在SOI硅基片的上層硅的表面沉積一層鋁作為上層硅刻蝕時的掩膜、隨后涂正膠，對本步驟所形成的光刻膠層進行光刻，刻蝕本步驟中鋁層、然后依次刻蝕上層硅和埋氧層的二氧化硅（302），形成貫穿上層硅和二氧化硅層（302）的敏感質量塊的連通孔（114）和下差分電容的連通孔（111）；其中，敏感質量塊的連通孔（114）與凹槽側可動質量塊（202）相對應，下差分電容的連通孔（111）與平行板下差分電容（203）相對應；

步驟6.沉積高摻雜的多晶硅：將敏感質量塊的連通孔（114）和下差分電容的連通孔（111）分別由高摻雜的多晶硅填充滿，實現上層硅和下層硅（201）的互連，通過化學機械拋光去除并平坦化上層硅表面的多晶硅層；再去除上層硅表面的鋁掩膜；其中，填充在敏感質量塊的連通孔（114）的高摻雜的多晶硅記為敏感質量塊連通件（402），填充在下差分電容的連通孔（111）的高摻雜的多晶硅記為下差分電容連通件（401）；

步驟7.進行第四次光刻：在上層硅的表面淀積一層金屬鋁，然后在金屬鋁層的表面旋涂正膠，對光刻膠進行光刻，對所述的金屬鋁層進行刻蝕，分別形成頂部敏感質量塊的金屬壓焊塊（102）、平行板上電極的金屬壓焊塊（104）、X軸向錨固塊的金屬壓焊塊（106）、Y軸向錨固塊的金屬壓焊塊（108）和下差分電容的金屬壓焊塊（110）；

步驟8.進行第五次光刻：在完成步驟7的SOI硅基片的上層硅的表面沉積氧化層作為上層硅結構層刻蝕的掩膜板，隨后涂正膠并刻蝕氧化層，然后對上層硅刻蝕，分別形成平行板上差分電容（113）、可動平行板電容上電極（112）；X軸向固定梳齒（115）、X軸向可動梳齒（116）、Y軸向固定梳齒（117）、Y軸向可動梳齒（118）、L型支撐彈簧梁（119）、頂部敏感質量塊（120）、頂部敏感質量塊X軸向凸塊（121）和頂部敏感質量塊Y軸向連桿（122）、頂部敏感質量塊錨固塊（101）、平行板上電極的錨固塊（103）、X軸向錨固塊（105）、Y軸向錨固塊（107）和下差分電容的錨固塊（109）；與此同時，在水平軸向檢測單元上刻蝕形成結構釋放孔（301）；

步驟9.結構釋放，獲得成品：利用腐蝕液對上硅層進行垂直刻蝕，將未被頂部敏感質量塊（120）、頂部敏感質量塊X軸向凸塊（121）和頂部敏感質量塊Y軸向連桿（122）、頂部敏感質量塊錨固塊（101）、平行板上電極的錨固塊（103）、X軸向錨固塊（105）、Y軸向錨固塊（107）和下差分電容的錨固塊（109）覆蓋保護的二氧化硅層（302）刻蝕掉，同時刻蝕去除由步驟8制作得到的、起掩膜板作用的氧化層，實現結構釋放，并形成下硅層（201）中凹槽的制作，完成本三軸電容式MEMS加速度傳感器的制備；

所述腐蝕液為氫氟酸，進而將設有結構釋放孔（301）的平行板上差分電容（113）、設有結構釋放孔（301）的可動平行板電容上電極（112）；X軸向固定梳齒（115）、X軸向可動梳齒（116）、Y軸向固定梳齒（117）、Y軸向可動梳齒（118）、L型支撐彈簧梁（119）下方的二氧化硅層（302）刻蝕掉。