[發明專利]一種三軸電容式MEMS加速度傳感器及制備方法

有效

• 申請號: 201510099630.3
• 申請日: 2015-03-07
• 公開（公告）號: CN104714050B
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發明（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

技術領域

本發明屬于傳感器制備技術領域，尤其涉及一種基于SOI技術的、可應用于軍工領域、汽車工業和其他消費類電子產品中的三軸式加速度傳感器，具體為一種三軸電容式MEMS加速度傳感器及制備方法。其技術方案對三軸加速度的檢測。

背景技術

MEMS是未來武器的精華部分、是未來軍用武器裝備中的支撐技術和關鍵技術，國外已搶先將MEMS傳感器應用于導彈和導彈發射系統、智能武器系統中。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）把MEMS技術確認為美國急需發展的新興技術，正在重點推進MEMS傳感器的研究計劃。

MEMS慣性器件可以為制導導彈提供一種經濟的制導系統，采用MEMS慣性系統可以使導彈的可靠性、性能及服務時間提高5~10倍，啞彈的數量級減少一個數量級，應用于靈巧彈頭和鉆地彈頭中的MEMS慣性傳感器，其抗震能力足以使其能夠做到彈頭鉆入地下后，仍能對其進行制導、控制并引爆。

MEMS加速度計是慣性傳感器系列產品的基礎元器件，需要專用的MEMS加工技術，具有較高技術門檻。目前歐美和日本企業基本壟斷了全球的高端加速度計器件市場。又由于加速度計可用于軍事和航空航天等工業，西方國家一直禁止此類技術對中國出口。發展自主知識產權的MEMS傳感器，推進MEMS傳感器技術在軍事領域的迅速應用，是保持軍隊技術優勢、維護國家安全的重要戰略。

本發明利用SOI技術，采用同一加速度敏感質量塊單元來分別檢測X、Y和Z三個軸向的加速度，該三軸MEMS加速度傳感器的制備工藝方面簡單，能和加速度傳感器的信號檢測電路集成在同一芯片上，具有長期穩定性和較好的可靠性，能滿足特種領域對加速度檢測的需求，為實現高精度MEMS加速度傳感器的國產化奠定基礎，打破歐美國家在這一領域的技術壟斷和禁運。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于SOI硅基片的三軸電容式MEMS加速度傳感器，采用一個加速度敏感質量塊單元，對三軸加速度的檢測相互間無交叉干擾，可與信號檢測電路實現單片集成。本發明具體如下：

一種三軸電容式MEMS加速度傳感器，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，所述連通孔與SOI硅基片的正面相互垂直。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，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。

三軸電容式MEMS加速度傳感器的制備方法，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深硅刻蝕的掩膜板，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。所述淺槽區域為待刻蝕成為凹槽側可動質量塊202的下硅層201區域。

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板，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掩膜層。

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。通過納米吸氣劑實現下層硅201與玻璃片400之間毫托量級的高真空封裝。所述納米吸氣劑為二氧化鈦TiO2納米管陣列。