[發明專利]一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片及其制備方法

有效

• 申請號: 201710919747.0
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107907710B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 蔣維樂;于明智;趙立波;賈琛;李支康;王久洪;趙玉龍;蔣莊德
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01P15/12
• 分類號: G01P15/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

1.一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片，其特征在于，包括外框(1)、固定島(2)、敏感梁(5)、內支撐梁(3)、外支撐梁(8)、質量塊(4)以及金屬引線(7)，固定島(2)和質量塊(4)設置在外框(1)內，以外框(1)的中心為平面坐標系XOY的原點，以外框(1)所在平面為XOY平面，固定島(2)設置在外框(1)的中心位置，在平面坐標系XOY的坐標軸的正半軸和負半軸方向均設有質量塊(4)，所有質量塊(4)關于固定島(2)對稱，固定島(2)與質量塊(4)之間通過內支撐梁(3)連接，質量塊(4)與外框(1)之間通過外支撐梁(8)連接，所有內支撐梁(3)和外支撐梁(8)均沿外框(1)所在平面的坐標軸設置，每個質量塊(4)對應設置兩個敏感梁(5)，兩個敏感梁(5)分別對稱設置在質量塊(4)對應的外支撐梁(8)的兩側，每個敏感梁(5)的兩端分別與質量塊(4)和外框(1)連接，敏感梁(5)具有壓敏電阻條，每個質量塊(4)對應的兩個敏感梁(5)上的壓敏電阻條與金屬引線(7)連接并形成半開環惠斯通全橋電路；

所述質量塊(4)分為兩個區域，分別為矩形區域(4-1)和等腰梯形區域(4-2)，矩形區域(4-1)和等腰梯形區域(4-2)同軸設置，等腰梯形區域(4-2)的下底與矩形區域的長邊相連且長度相等，上底靠近固定島(2)設置，上底的中部與內支撐梁(3)連接；

矩形區域(4-1)靠近外框(1)設置，且在靠近外框(1)一側開設有凹槽(4-1-2)，凹槽(4-1-2)沿矩形區域(4-1)寬邊方向的軸線開設，外支撐梁(8)伸入凹槽(4-1-2)內并與凹槽(4-1-2)底部的中部連接。

2.根據權利要求1所述的一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片，其特征在于，所述等腰梯形區域(4-2)上開設有關于等腰梯形區域(4-2)的軸線對稱的通孔(4-2-1)，通孔(4-2-1)用于為質量塊(4)減重。

3.根據權利要求1所述的一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片，其特征在于，所述半開環惠斯通全橋電路包括三條線路，分別為第一線路(7-1)、第二線路(7-2)和第三線路(7-3)，第一線路(7-1)、第二線路(7-2)和第三線路(7-3)的一端設置在質量塊(4)上且相互聯通，另一端延伸至外框(1)并在端部設置焊盤(6)，第一線路(7-1)和第二線路(7-2)分別沿質量塊(4)對應的兩個敏感梁(5)上的壓敏電阻條設置，第三線路(7-3)沿外支撐梁(8)設置，第一線路(7-1)和第二線路(7-2)關于第三線路(7-3)對稱。

4.根據權利要求1所述的一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片，其特征在于，所述外框(1)、固定島(2)、敏感梁(5)、內支撐梁(3)、外支撐梁(8)和質量塊(4)通過N型(100)晶面的SOI硅片制備而成。

5.根據權利要求4所述的一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片，其特征在于，所述壓敏電阻條沿敏感梁(5)上的[011]或[0ī1]晶向制作。

6.根據權利要求1所述的一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片，其特征在于，所述外框(1)的背面連接有玻璃板(19)，固定島(2)的背面與玻璃板(19)連接，敏感梁(5)、內支撐梁(3)、外支撐梁(8)和質量塊(4)的背面與玻璃板(19)之間具有間隙。

7.根據權利要求1-6任意一項所述的一種MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片，其特征在于，所述外框(1)的尺寸為長×寬＝5.4mm×5.4mm；固定島(2)的尺寸為長×寬×厚＝500μm×500μm×315μm；內支撐梁(3)的尺寸為長×寬×厚＝500μm×80μm×300μm；外支撐梁(8)的尺寸為長×寬×厚＝800μm×80μm×300μm；敏感梁(5)的尺寸為長×寬×厚＝70μm×5μm×10μm；質量塊(4)的厚度為300μm；金屬引線(7)的寬度為20μm。

8.一種制備如權利要求1-7任意一項所述的MEMS壓阻式兩軸加速度傳感器芯片的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，對SOI硅片進行雙面氧化，使SOI硅片的正面和背面均生成熱氧二氧化硅層(9)；

步驟2，在步驟1處理完成的SOI硅片正面進行刻蝕，刻蝕掉敏感梁(5)對應區域的熱氧二氧化硅層(9)，露出SOI硅片的器件層(10)，然后再在露出的器件層(10)上進行硼離子輕摻雜，硼離子輕摻雜區域作為敏感梁(5)的壓敏電阻條；

步驟3，再在步驟2處理完成的SOI硅片正面制作一層二氧化硅膜(14)；

步驟4，再在步驟3處理完成的SOI硅片正面進行刻蝕，在敏感梁(5)兩端對應位置刻蝕掉熱氧二氧化硅層(9)和二氧化硅膜(14)，露出SOI硅片的器件層(10)，然后再在露出的器件層(10)上進行硼離子重摻雜，得到歐姆接觸區(15)；

步驟5，再在步驟4處理完成的SOI硅片正面沉積一層導電金屬層，然后對導電金屬層進行刻蝕并形成金屬引線(7)和金屬引線(7)對應的焊盤；

步驟6，再在步驟5處理完成的SOI硅片正面進行刻蝕，直至刻蝕至SOI硅片的埋氧層(11)的正面，以釋放出外框(1)、固定島(2)、敏感梁(5)、內支撐梁(3)、外支撐梁(8)和質量塊(4)處于埋氧層(11)的正面以上的部位；

步驟7，再對SOI硅片的背面進行刻蝕，以釋放出外框(1)、固定島(2)、敏感梁(5)、內支撐梁(3)、外支撐梁(8)和質量塊(4)處于埋氧層(11)的背面以下的部位，并將敏感梁(5)處于埋氧層(11)的背面以下的部位刻蝕掉；

步驟8，再將步驟7處理完成的SOI硅片上外框(1)、固定島(2)、敏感梁(5)、內支撐梁(3)、外支撐梁(8)和質量塊(4)以外區域對應的埋氧層(11)刻蝕掉；

所述步驟7中，對SOI硅片的背面進行刻蝕時，先刻蝕掉外框(1)和固定島(2)對應區域以外的熱氧二氧化硅層(9)，露出SOI硅片的底硅層(12)，再對底硅層(12)刻蝕一定深度，使刻蝕區域的表面低于外框(1)的背面；

再在SOI硅片的背面制作一層氮化硅層(18)；

然后再在SOI硅片的背面進行刻蝕，以釋放出外框(1)、固定島(2)、敏感梁(5)、內支撐梁(3)、外支撐梁(8)和質量塊(4)處于埋氧層(11)的背面以下的部位，并將敏感梁(5)處于埋氧層(11)的背面以下的部位刻蝕掉；

再進行步驟8；

再進行步驟9，步驟9的過程如下：

先對步驟8處理完成的SOI硅片的背面進行刻蝕，刻蝕掉SOI硅片背面的氮化硅層(18)和熱氧二氧化硅層(9)，露出SOI硅片背面的底硅層(12)；

再將正面設置有防靜電吸附層(20)的玻璃板(19)的正面與SOI硅片背面的底硅層(12)進行陽極鍵合，SOI硅片背面的底硅層(12)上與玻璃板(19)陽極鍵合的區域為外框(1)和固定島(2)對應的區域，玻璃板(19)上除與外框(1)和固定島(2)陽極鍵合以外的區域均設置防靜電吸附層(20)。