壓阻式高固有頻率mems加速度敏感芯片及其制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，該芯片主要包括硅基框架，主梁，微梁，質(zhì)量塊，其中質(zhì)量塊通過(guò)主梁和微梁與硅基框架相連；質(zhì)量塊一端設(shè)置有微梁，微梁上設(shè)有應(yīng)變電阻，質(zhì)量塊另一端設(shè)置有對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)主梁，主梁一端與質(zhì)量塊相連，另一端與硅基框架相連，應(yīng)變電阻通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)連接成惠斯通電橋。主梁的勁度系數(shù)遠(yuǎn)大于微梁的勁度系數(shù)（通常大幾十到上千倍），應(yīng)變電阻為多晶硅納米膜電阻。本發(fā)明具有固有頻率高、靈敏度高、過(guò)載能力強(qiáng)、溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)，其制造方法與IC工藝兼容適于大批量生產(chǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片及其制造方法，該芯片對(duì)Z軸方向加速度靈敏，對(duì)X軸和Y軸方向不敏感，屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]MEMS技術(shù)近年來(lái)的迅猛發(fā)展，使得壓阻式加速度傳感器有著巨大的潛力和廣闊的研究平臺(tái)。壓阻式加速度傳感器憑借著其價(jià)格低廉、測(cè)量精準(zhǔn)以及易于集成化批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在微加速度傳感器領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位，在航天、交通、石化、汽車(chē)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前的主流壓阻式加速度傳感器工藝分為兩種:體硅微機(jī)械工藝和表面微機(jī)械工藝。體硅微機(jī)械工藝所使用的工藝手段通常是使用各種腐蝕液對(duì)硅片進(jìn)行腐蝕，比如將硅片整體放入到腐蝕液中或者將腐蝕液噴淋在硅片上，這種工藝手段通常是對(duì)硅片進(jìn)行立體式的腐蝕作用，對(duì)結(jié)構(gòu)的釋放過(guò)程大都基于整個(gè)硅片的厚度。還有一種體硅微機(jī)械工藝技術(shù)是通過(guò)深反應(yīng)離子刻蝕工藝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的立體式設(shè)計(jì)，這種方法工藝成熟，操作簡(jiǎn)單。表面微機(jī)械工藝中通常使用的工藝手段則是在硅片表面對(duì)硅片進(jìn)行多次的淀積和刻蝕成形，并結(jié)合犧牲層技術(shù)，形成所需的結(jié)構(gòu)。
[0004]體硅MEMS工藝制作的加速度傳感器通常為懸臂梁式，是利用堿性溶液對(duì)單晶硅腐蝕的各向異性的特點(diǎn)來(lái)形成質(zhì)量塊以及懸臂梁結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、工藝成熟以及設(shè)備簡(jiǎn)單等，還可以將深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)加入到體硅加工過(guò)程中，從而使結(jié)構(gòu)的釋放過(guò)程更簡(jiǎn)單。表面微機(jī)械工藝制作的加速度傳感器通常是通過(guò)薄膜技術(shù)以及犧牲層技術(shù)來(lái)形成質(zhì)量塊以及敏感梁結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是易于集成化和小型化。
[0005]當(dāng)前壓阻式MEMS加速度傳感器普遍存在以下問(wèn)題:
(I)傳感器的靈敏度與固有頻率相互制約，即結(jié)構(gòu)靈敏度的提高，必然伴隨著彈性結(jié)構(gòu)勁度系數(shù)的降低，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)固有頻率的降低。
[0006](2)大多數(shù)壓阻式加速度傳感器的應(yīng)變電阻由單晶硅材料制作，溫度系數(shù)較大，一般采用Pn結(jié)隔離不適合在高溫下工作。
[0007]本結(jié)構(gòu)芯片中應(yīng)變電阻采用多晶硅納米薄膜電阻，多晶硅納米薄膜是指膜厚接近以或小于100納米的多晶硅膜，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)它有極佳的壓阻特性和良好的溫度特性。
[0008]本發(fā)明是基于以上現(xiàn)狀產(chǎn)生的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明目的:
本發(fā)明是一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片及其制造方法，目的是在保證傳感器靈敏度的前提下，提高傳感器的固有頻率和過(guò)載能力，改善傳感器的溫度特性，拓寬傳感器工作溫度范圍。
[0010]技術(shù)方案: 一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，該芯片主要包括硅基框架、主梁、微梁和質(zhì)量塊，其特征在于:質(zhì)量塊通過(guò)主梁和微梁與硅基框架相連；質(zhì)量塊一端設(shè)置有微梁，微梁上設(shè)有應(yīng)變電阻，質(zhì)量塊另一端設(shè)置有對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)主梁，主梁一端與質(zhì)量塊相連，另一端與硅基框架相連，應(yīng)變電阻通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)連接成惠斯通電橋。
[0011]主梁的勁度系數(shù)遠(yuǎn)大于微梁的勁度系數(shù)(通常大幾十到上千倍)。
[0012]應(yīng)變電阻為多晶硅納米膜電阻。
[0013]一種如上所述壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片的制造方法，其特征在于主要工藝步驟如下:
(1)在雙面拋光的單晶硅片正反兩面各刻蝕出一個(gè)淺槽，保證芯片封裝后其質(zhì)量塊可以活動(dòng)；
(2)在硅片正反兩面淀積或氧化形成絕緣層，選其中一面為正面，并在此面淀積一層多晶硅作為結(jié)構(gòu)層；
(3)在多晶硅結(jié)構(gòu)層上淀積或氧化形成絕緣層，再淀積多晶硅納米薄膜，用光刻膠做掩膜，對(duì)納米薄膜進(jìn)行離子注入實(shí)現(xiàn)局部硼摻雜，從而形成多晶硅納米薄膜電阻，最后淀積絕緣鈍化層；
(4)刻蝕出引線(xiàn)孔，淀積金屬作為導(dǎo)線(xiàn)，形成測(cè)量電路；
(5)淀積鈍化保護(hù)層，并干法刻蝕出結(jié)構(gòu)正反面圖形；
(6)在硅片反面采用深反應(yīng)離子刻蝕釋放結(jié)構(gòu)，完成加速度敏感芯片制造。
[0014]優(yōu)點(diǎn)及效果:
本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
本發(fā)明所述的這種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片及其制造方法，在保證傳感器靈敏度的前提下，提高了傳感器的固有頻率和過(guò)載能力，改善了傳感器的溫度特性，拓寬傳感器工作溫度范圍。
[0015]【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
圖1是本發(fā)明芯片俯視示意圖以及微梁上電阻的分布示意圖；
圖2是本發(fā)明芯片縱向剖面示意圖(切面經(jīng)過(guò)微梁上的應(yīng)變電阻)；
圖3是本發(fā)明芯片形成質(zhì)量塊厚度工藝的縱向剖面示意圖；
圖4是本發(fā)明芯片形成多晶硅結(jié)構(gòu)層工藝的縱向剖面示意圖；
圖5是本發(fā)明芯片形成多晶硅納米薄膜電阻工藝的縱向剖面示意圖；
圖6是本發(fā)明芯片形成引線(xiàn)孔和金屬導(dǎo)線(xiàn)工藝的縱向剖面示意圖；
圖7是本發(fā)明芯片形成鈍化層和正面圖形工藝的縱向剖面示意圖；
圖8是本發(fā)明芯片形成鈍化層和正面圖形工藝的俯視示意圖；
圖9是本發(fā)明芯片的另一種結(jié)構(gòu)俯視示意圖；
圖10是本發(fā)明芯片的又一種結(jié)構(gòu)俯視示意圖。
[0016]附圖標(biāo)記說(shuō)明:
1.硅基框架，2.主梁，3.微梁，4.質(zhì)量塊，5.應(yīng)變電阻，6.金屬導(dǎo)線(xiàn)。
[0017]【具體實(shí)施方式】:
本發(fā)明設(shè)計(jì)原理如下:
當(dāng)加速度施加在芯片上時(shí)，質(zhì)量塊由于慣性作用與硅基框架發(fā)生相對(duì)位移，導(dǎo)致微梁上的應(yīng)變電阻發(fā)生壓阻效應(yīng)，帶有應(yīng)變電阻的惠斯通電橋輸出電壓信號(hào)。
[0018]當(dāng)器件受到Z軸方向(即與芯片垂直的方向)加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊4相對(duì)于硅基框架I產(chǎn)生位移。由于本結(jié)構(gòu)主梁尺寸遠(yuǎn)大于微梁，導(dǎo)致主梁勁度系數(shù)遠(yuǎn)大于微梁(相差幾十倍以上)，所以質(zhì)量塊的位移和固有頻率主要由主梁決定，這樣就可通過(guò)調(diào)整主梁2的尺寸控制固有頻率，再通過(guò)調(diào)整微梁3的尺寸來(lái)控制滿(mǎn)量程時(shí)微梁3應(yīng)變的大小。也就是說(shuō)通過(guò)合理調(diào)節(jié)主梁、微梁和質(zhì)量塊的尺寸，可以在保證本敏感結(jié)構(gòu)靈敏度很高的前提下，提高結(jié)構(gòu)的固有頻率。隨著固有頻率的提高，過(guò)載能力必然同時(shí)得到相應(yīng)提高。
[0019]由于本結(jié)構(gòu)主梁尺寸遠(yuǎn)大于微梁，導(dǎo)致微梁對(duì)質(zhì)量塊的固定作用很小，質(zhì)量塊基本上被主梁固定住，所以芯片的過(guò)載能力主要由主梁決定，主梁勁度系數(shù)很大，在Z軸方向施加較大加速度時(shí)，主梁上的最大應(yīng)變?nèi)匀缓苄?，所以本發(fā)明具備較強(qiáng)的過(guò)載能力。
[0020]本發(fā)明芯片中的應(yīng)變電阻采用多晶硅納米薄膜電阻，實(shí)驗(yàn)證明，多晶硅納米薄膜電阻在厚度為80?lOOnm，摻雜濃度為3X102° cm_3附近時(shí)具有顯著的隧道壓阻效應(yīng)，是一種比一般多晶硅材料更優(yōu)越的壓阻材料，應(yīng)變因子GF可達(dá)到34，比普通多晶硅薄膜高25%以上；電阻溫度系數(shù)TCR可小于10_4/°C，比普通薄膜小接近一個(gè)數(shù)量級(jí)；應(yīng)變因子溫度系數(shù)TCGF可小于10_3/°C，比普通薄膜小一倍以上。
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明:
一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，該芯片主要包括硅基框架1、主梁2、微梁3和質(zhì)量塊4，其中質(zhì)量塊4通過(guò)主梁2和微梁3與硅基框架I相連；質(zhì)量塊4 一端設(shè)置有微梁3，微梁3上設(shè)有應(yīng)變電阻5，所述質(zhì)量塊4另一端設(shè)置有對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)主梁2，主梁2 —端與質(zhì)量塊4相連，另一端與硅基框架I相連，應(yīng)變電阻5通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)6連接成惠斯通電橋。
[0022]主梁2的勁度系數(shù)遠(yuǎn)大于微梁4的勁度系數(shù)(通常大幾十到上千倍)。
[0023]通過(guò)改變本發(fā)明的主梁2、微梁3、質(zhì)量塊4尺寸，可設(shè)計(jì)出不同量程、不同固有頻率的加速度敏感芯片。
[0024]本發(fā)明所述傳感器芯片的制造工藝步驟如下:
(1)在雙面拋光的單晶硅片正反兩面各刻蝕出一個(gè)淺槽，保證芯片封裝后其質(zhì)量塊可以活動(dòng)；
(2)在硅片正反兩面淀積或氧化形成絕緣層，選其中一面為正面，并在此面淀積一層多晶硅作為結(jié)構(gòu)層；
(3)在多晶硅結(jié)構(gòu)層上淀積或氧化形成絕緣層，再淀積多晶硅納米薄膜，用光刻膠做掩膜，對(duì)納米薄膜進(jìn)行離子注入實(shí)現(xiàn)局部硼摻雜，從而形成多晶硅納米薄膜電阻，最后淀積絕緣鈍化層；
(4)刻蝕出引線(xiàn)孔，淀積金屬作為導(dǎo)線(xiàn)，形成測(cè)量電路；
(5)淀積鈍化保護(hù)層，并干法刻蝕出結(jié)構(gòu)正反面圖形；
(6)在硅片反面采用深反應(yīng)離子刻蝕釋放結(jié)構(gòu)，完成加速度敏感芯片制造。
[0025]實(shí)施例1
一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，其制造工藝如下:
(I)如圖3所示，取雙面拋光單晶硅片，雙面熱生長(zhǎng)均為10nm厚的二氧化硅作為掩膜，用HNA溶液在硅片表面刻蝕淺槽；
(2)如圖4所示，熱生長(zhǎng)第一層二氧化硅作為絕緣層，厚200nm，正面LPCVD淀積一層
2.8um厚的多晶硅作為結(jié)構(gòu)層；
(3)如圖5所示，在多晶硅結(jié)構(gòu)層上LPCVD淀積第二層二氧化硅作為絕緣層，厚lOOnm，再淀積多晶硅納米薄膜，厚90nm，用光刻膠做掩膜，離子注入工藝對(duì)納米薄膜進(jìn)行硼摻雜，從而形成多晶硅納米薄膜電阻，最后淀積第三層二氧化硅作為絕緣層，厚10nm ；
(4)如圖6所示，干法刻蝕出應(yīng)變電阻的引線(xiàn)孔，并通過(guò)常規(guī)微電子工藝形成金屬導(dǎo)線(xiàn)。
[0026](5)如圖7、圖8所示，在金屬導(dǎo)線(xiàn)上方LPCVD淀積第四層二氧化硅作為保護(hù)層，厚10nm,并用干法刻蝕形成芯片正面圖形。
[0027](6)如圖2所示，用干法刻蝕將芯片背面二氧化硅刻蝕出背面圖形，再用光刻膠做掩月旲，深反應(yīng)尚子刻蝕刻芽芯片，從而釋放結(jié)構(gòu)、完成加速度敏感芯片制造。
[0028]設(shè)計(jì)主梁尺寸(長(zhǎng)X寬X高)為1000μπιΧ1100μπιΧ520μπι，微梁尺寸為10 μ mX 25 μ mX 3.5 μ m，質(zhì)量塊尺寸為3000 μ mX 4000 μ mX 520 μ m，按上述工藝得到的傳感器量程為100g，在5V供電的情況下，滿(mǎn)量程輸出為15(Tl70mV，輸出靈敏度約為1.6OmV/g，且Z軸方向的靈敏度是X軸、Y軸方向的20倍以上。傳感器固有頻率約為37.5kHz。
[0029]本發(fā)明加速度芯片結(jié)構(gòu)還可以表現(xiàn)為以下形式，工藝流程基本相同:
實(shí)施例2
一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，如圖9所示，芯片主要包括硅基框架1、主梁2、微梁3和質(zhì)量塊4，其中質(zhì)量塊4通過(guò)主梁2和微梁3與硅基框架I相連；質(zhì)量塊4上下兩端設(shè)置有微梁3，微梁3上設(shè)有應(yīng)變電阻5，質(zhì)量塊4左右兩端分別設(shè)置有兩個(gè)主梁2，主梁2 —端與質(zhì)量塊4相連，另一端與硅基框架I相連，應(yīng)變電阻5通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)6連接成惠斯通電橋。
[0030]實(shí)施例3
一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，如圖10所示，芯片主要包括硅基框架1、主梁2、微梁3和質(zhì)量塊4，其中質(zhì)量塊4通過(guò)主梁2和微梁3與硅基框架I相連；質(zhì)量塊4上下兩端設(shè)置有微梁3，微梁3上設(shè)有應(yīng)變電阻5，所述質(zhì)量塊4左右兩端中部分別設(shè)置有一個(gè)主梁2，質(zhì)量塊4上下兩端分別設(shè)置有兩個(gè)主梁2，主梁2 —端與質(zhì)量塊4相連，另一端與硅基框架I相連，應(yīng)變電阻5通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)6連接成惠斯通電橋。
[0031]本發(fā)明這種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片在航天、交通、石化、汽車(chē)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.一種壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，該芯片主要包括硅基框架(I)、主梁(2)、微梁(3)和質(zhì)量塊(4)，其特征在于:質(zhì)量塊(4)通過(guò)主梁(2)和微梁(3)與硅基框架(1)相連；質(zhì)量塊(4)一端設(shè)置有微梁(3)，微梁(3)上設(shè)有應(yīng)變電阻(5)，質(zhì)量塊(4)另一端設(shè)置有對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)主梁(2)，主梁(2)—端與質(zhì)量塊(4)相連，另一端與硅基框架(I)相連，應(yīng)變電阻(5)通過(guò)金屬導(dǎo)線(xiàn)(6)連接成惠斯通電橋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，其特征在于:主梁(2)的勁度系數(shù)遠(yuǎn)大于微梁(4)的勁度系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片，其特征在于:應(yīng)變電阻(5)為多晶硅納米膜電阻。
4.一種如權(quán)利要求1、2或3所述壓阻式高固有頻率MEMS加速度敏感芯片的制造方法，其特征在于:步驟如下: (1)在雙面拋光的單晶硅片正反兩面各刻蝕出一個(gè)淺槽，保證芯片封裝后其質(zhì)量塊可以活動(dòng)； (2)在硅片正反兩面淀積或氧化形成絕緣層，選其中一面為正面，并在此面淀積一層多晶硅作為結(jié)構(gòu)層； (3)在多晶硅結(jié)構(gòu)層上淀積或氧化形成絕緣層，再淀積多晶硅納米薄膜，用光刻膠做掩膜，對(duì)納米薄膜進(jìn)行離子注入實(shí)現(xiàn)局部硼摻雜，從而形成多晶硅納米薄膜電阻，最后淀積絕緣鈍化層； (4)刻蝕出引線(xiàn)孔，淀積金屬作為導(dǎo)線(xiàn)，形成測(cè)量電路； (5)淀積鈍化保護(hù)層，并干法刻蝕出結(jié)構(gòu)正反面圖形； (6)在硅片反面采用深反應(yīng)離子刻蝕釋放結(jié)構(gòu)，完成加速度敏感芯片制造。
【文檔編號(hào)】B81B3/00GK104391133SQ201410661641
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】揣榮巖, 代全, 王健, 張曉民, 衣暢 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)