本发明提供一种弯折形弹性梁的电容式加速度传感器及制备方法。该传感器至少包括:第一电极结构层、中间结构层及第二电极结构层;其中,第一电极结构层与第二电极结构层分别设置有电极引出通孔;所述中间结构层包括:基于具有双器件层的含氧硅基片所形成的边框、双面对称的质量块、及一边连接边框、另一边连接质量块的弯折形弹性梁,其中,在两质量块的两面对称地设有防过载凸点及阻尼调节槽,且处于不同平面的弯折形弹性梁交错分布、在空间上不重叠。由于弯折形弹性梁的弯折次数、梁总长、梁总宽可基于需要来确定,故本发明能制备不同灵敏度的电容式加速度传感器,灵活性大。
1.一种制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法,其特征在于,所述制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法至少包括:1)基于各向异性腐蚀法在具有双器件层的含氧硅基片的两表面进行刻蚀,使两表面分别成凹陷状;2)基于光刻及各向异性腐蚀法在两表面的凹陷处分别形成多个防过载凸点;3)基于光刻及各向异性腐蚀法在已形成防过载凸点的结构两表面再分别形成阻尼调节槽;4)基于光刻及干法刻蚀对已形成阻尼调节槽的结构两表面分别进行刻蚀、且刻蚀自停止于埋氧化层,由此在两表面分别形成与边框及质量块分别连接的弯折形弹性梁的结构,且使防过载凸点与阻尼调节槽处于相应质量块上、使两表面的弯折形弹性梁交错分布、在空间上不重叠;5)基于光刻、干法刻蚀及各向异性腐蚀法来释放弯折形弹性梁与质量块;6)基于键合工艺,将第一电极结构层、包含已释放的弯折形弹性梁与质量块的结构及第二电极结构层同时予以键合;7)基于红外对准在已键合的结构的第一电极结构层与第二电极结构层形成电极引出通孔;8)在已形成电极引出通孔的结构上制备电极。
2.根据权利要求1所述的制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法,其特征在于:所述干法刻蚀为感应耦合等离子刻蚀或深反应离子刻蚀。
3.根据权利要求1所述的制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法,其特征在于:光刻时对准<110>晶向。
4.根据权利要求1所述的制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法,其特征在于:在步骤1)中所形成的凹陷的深度不超过3μm。
5.根据权利要求1所述的制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法,其特征在于:防过载凸点的高度不超过1μm。
6.根据权利要求1所述的制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法,其特征在于:在质量块每一面的四侧均连接有弯折形弹性梁。
7.根据权利要求1所述的制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法,其特征在于:阻尼调节槽的宽度B满足以下条件:ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="233"/>H为含氧硅基片中作为器件层的硅层的厚度。
8.一种利用权利要求1所述的制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法制备的弯折形弹性梁的电容式加速度传感器,其特征在于,所述弯折形弹性梁的电容式加速度传感器至少包括:第一电极结构层、中间结构层及第二电极结构层;其中,第一电极结构层与第二电极结构层分别设置有电极引出通孔;所述中间结构层包括:基于具有双器件层的含氧硅基片所形成的边框、双面对称的质量块、及一边连接边框、另一边连接质量块的弯折形弹性梁,其中,在双面对称的质量块的两面对称地设有防过载凸点及阻尼调节槽,且处于不同平面的弯折形弹性梁交错分布、在空间上不重叠。
9.根据权利要求8所述的弯折形弹性梁的电容式加速度传感器,其特征在于:在质量块每一面的四侧均连接有弯折形弹性梁。
10.根据权利要求8所述的弯折形弹性梁的电容式加速度传感器,其特征在于:阻尼调节槽的宽度B满足以下条件:ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="234"/>H为含氧硅基片中作为器件层的硅层的厚度。技术领域
本发明涉及微电子机械系统(MEMS)领域,特别是涉及一种弯折形弹性梁的电容式加速度传感器及制备方法。
背景技术
MEMS的定义是集多个微机构、微传感器、微执行器、信号处理、控制电路、通信接口及电源于一体的微型电子机械系统。这项技术起源于微电子技术,并在机械领域或机电一体化领域拓宽和延伸。到目前为止,在MEMS器件中,主要包括具有高精度、高效率、高可靠性和低成本的微传感器产品,该微传感器产品被广泛应用于信息、汽车、医学、宇航和国防等领域。在MEMS传感器中,微加速度传感器是一种重要的惯性传感器,是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试器件。依照检测方法的不同,MEMS加速度传感器可以分成电容式、压阻式、压电式、声表面波式、隧道式等等。其中电容式加速度传感器具有检测精度高,受温度变化影响小等优点,是应用最广泛的加速度传感器之一。电容式加速度传感器设有固定电极和位于质量块上的可动电极,当质量块在加速度下发生位移时,可动电极和固定电极间的距离发生改变,从而使它们之间的电容发生改变。通过C/V转换电路,就可以检测到质量块的位移变化。其中,差分式力平衡加速度传感器利用变间隙,从而使得微加速度传感器具有结构简单,动态响应好,能实现无接触式测量,灵敏度好,分辨率强,能测量微小的位移。三明治式电容加速度传感器可以得到更高的检测精度,制作三明治结构电容式加速度传感器的方法主要是体硅微机械加工方法。为了提高微加速度传感器的检测灵敏度,各研究单位及公司已经给出了各种方法。具体包括增加敏感质量块质量、控制悬臂梁厚度以及采用全对称差分结构。例如,W.S.Henrion等人采用双层键合硅梁方法,来形成双面平行对称梁-质量块结构(具体参见文献:Sensorsxa0structurexa0withxa0L-shapedxa0springxa0legs,USxa0Patentxa0No.5,652,384),其工艺可以采用KOH腐蚀结合干法深刻蚀释放的方法。即:首先从背面用KOH将硅片腐蚀到剩余梁的厚度,然后用干法深刻蚀从正面释放出梁-质量块结构;为得到双面结构,再将两个同样的梁-质量块背靠背键合起来。这种方法的工艺复杂,成本相对较高。又例如,高成臣等人采用双器件层SOI硅片来制作中间片,并在上下电极极板制作防过载凸点,随后再进行键合工艺形成三明治结构。这种方法的缺点是传感器中L型梁比较占用传感器面积,无法有效利用芯片尺寸;而且在上下极板制作防过载凸点导致键合工艺比较复杂。再例如,H.Seidel等人采用浓硼掺杂自停止的方法(具体参见文献:Capacitivexa0Siliconxa0Accelerometerxa0withxa0Highlyxa0Symmetricalxa0Design,Sensorsxa0andxa0Actuatorsxa0A:Physical,Vol.21,pp.312-315),在制作双面平行对称梁-质量块结构时,KOH腐蚀形成梁-质量块结构的过程中,浓硼掺杂层起自停止决定梁厚度的作用,同时也作为轻掺杂区域KOH腐蚀的掩模。这种方法的缺点是掺杂浓度不均匀导致梁厚度不均匀以及硼掺杂工艺中产生的残余应力会影响加速度传感器的性能,如灵敏度和线性度等等。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种弯折形弹性梁的电容式加速度传感器。本发明的另一目的在于提供一种制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法,以便灵活的制作出不同量程、不同灵敏度的电容式微加速度传感器。为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法,其至少包括:1)基于各向异性腐蚀法在具有双器件层的含氧硅基片的两表面进行刻蚀,使两表面分别成凹陷状;2)基于光刻及各向异性腐蚀法在两表面的凹陷处分别形成多个防过载凸点;3)基于光刻及各向异性腐蚀法在已形成防过载凸点的结构两表面再分别形成阻尼调节槽;4)基于光刻及干法刻蚀对已形成阻尼调节槽的结构两表面分别进行刻蚀、且刻蚀自停止于埋氧化层,由此在两表面分别形成与边框及质量块分别连接的弯折形弹性梁的结构,且使防过载凸点与阻尼调节槽处于相应质量块上、使两表面的弯折形弹性梁交错分布、在空间上不重叠;5)基于光刻、干法刻蚀及各向异性腐蚀法来释放弯折形弹性梁与质量块;6)基于键合工艺,将第一电极结构层、包含已释放的弯折形弹性梁与质量块的结构及第二电极结构层同时予以键合;7)基于红外对准在已键合的结构的第一电极结构层与第二电极结构层形成电极引出通孔;8)在已形成通孔的结构上制备电极。优选地,所述干法刻蚀为感应耦合等离子刻蚀或深反应离子刻蚀。优选地,光刻时对准<110>晶向。优选地,在步骤1)中所形成的凹陷的深度不超过3μm。优选地,防过载凸点的高度不超过1μm。优选地,在质量块每一面的四侧均连接有弯折形弹性梁。优选地,阻尼调节槽的宽度B满足以下条件:ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="212"/>H为含氧硅基片中作为器件层的硅层的厚度。本发明还提供一种弯折形弹性梁的电容式加速度传感器,其至少包括:第一电极结构层、中间结构层及第二电极结构层;其中,第一电极结构层与第二电极结构层分别设置有电极引出通孔;所述中间结构层包括:基于具有双器件层的含氧硅基片所形成的边框、双面对称的质量块、及一边连接边框、另一边连接质量块的弯折形弹性梁,其中,在两质量块的两面对称地设有防过载凸点及阻尼调节槽,且处于不同平面的弯折形弹性梁交错分布、在空间上不重叠。如上所述,本发明的弯折形弹性梁的电容式加速度传感器及制备方法,具有以下有益效果:1、通过可动质量块上下两面的弯折形弹性梁交错分布、且在空间上不重叠、并呈90°交叉,通过电感耦合等离子刻蚀或者深反应离子刻蚀形成初始弯折弹性梁结构,弹性梁的形状的工艺兼容性更强,可以有效减小传感器结构尺寸。2、利用可动质量块的八个角处分布的梁结构,无需采用凸角补偿的结构就可保证最终的质量块为矩形结构,使得预期的器件结构在完成各向异性腐蚀后,能完整保留,不被破坏,简化了结构设计。3、防过载凸点直接制作在质量块表面,无需在极板上制作防过载凸点,可以简化键合工艺。4、控制阻尼槽宽度尺寸,来形成腐蚀自停止的V型阻尼调节槽。5、采用SOI埋层二氧化硅层作为释放梁结构的自停止层,使得弯折形弹性梁结构厚度精确可控。6、三层硅片一次性键合的方法,无需先中间结构层与第一电极结构层键合,而后再和第二电极结构层键合,工艺更加简单。7、中间电极引线孔图形在完成三层键合后进行红外光刻对准,省去了键合预对准的复杂工艺过程。8、双器件层SOI硅片中间可动电极的引出是分别从SOI硅片的上下器件层引出,将SOI硅片中相互隔离的器件层通过外围连接导通。
附图说明
图1a-1l显示为本发明的制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法的流程图。图2a显示为本发明的弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的立体图。图2b显示为本发明的弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的中间结构层的俯视图。图2c显示为本发明的弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的中间结构层A-B向剖视图。图3显示为本发明的弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的中间结构层的另一种优选俯视图。元件标号说明ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1a至图2d。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。本发明的制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法包括以下步骤:1、中间结构层,即弯折形弹性梁-质量块结构片的制作:(1)以双器件层SOI硅片为基片,如图1a所示。(2)硅基片经过氧化工艺后,再通过光刻、BOE腐蚀液腐蚀开出KOH腐蚀窗口,然后在硅基片上、下表面利用氢氧化钾各向异性腐蚀方法使两表面分别成凹陷状,以便后续与第一电极结构层及第二电极结构层键合时能具有电容间隙,其中,腐蚀深度1μm,如图1b所示。(3)去除已呈凹陷状的硅基片剩下区域的氧化层保护层,并再次进行氧化形成氧化硅保护层,随后通过光刻、BOE腐蚀液腐蚀开出KOH腐蚀窗口,在硅基片上、下表面通过各向异性腐蚀方法制作防过载凸点,其中,防过载凸点的高度为1μm,如图1c所示。(4)去除已形成防过载凸点的结构剩下区域的氧化层保护层,并再次氧化形成氧化硅,通过光刻、BOE腐蚀液腐蚀开出KOH腐蚀窗口,用氢氧化钾各向异性腐蚀方法,在硅基片上、下表面腐蚀形成阻尼调节槽,腐蚀形成V形槽自停止,如图1d所示。优选地,采用BOE腐蚀液腐蚀来开出KOH腐蚀窗口时,该KOH腐蚀窗口的宽度基于含氧硅基片中用于器件层的硅层来确定,由此来使得所形成的阻尼调节槽的宽度B与硅层厚度H满足: B < 2 H . ]]>(5)去除已形成阻尼调节槽的结构剩下区域的氧化层,并双面光刻,以光刻胶作为掩蔽层,应用ICP或者DRIE干法刻蚀形成边框与质量块分别连接弯折形弹性梁的结构,且使防过载凸点与阻尼调节槽处于相应质量块上、使两表面的弯折形弹性梁交错分布、在空间上不重叠,如图1e所示,其中,所述边框作为质量块的锚区。(6)去除光刻胶保护层,将硅基片再次进行氧化,然后进行双面光刻,BOE腐蚀液腐蚀开出KOH腐蚀窗口,如图1f所示。(7)开出腐蚀窗口后,继续用上步工艺中的光刻胶做保护层进行ICP或者DRIE干法刻蚀,刻蚀SOI硅基片体硅层,刻蚀深度一定要保证最终全对称弯折形弹性梁与质量块可以通过各向异性腐蚀释放,如图1g所示。(8)用各向异性腐蚀方法进行硅基片腐蚀,直至弯折形弹性梁与质量块被释放。在腐蚀完成弯折形弹性梁结构时,双器件SOI硅片中的埋氧层作为腐蚀的停止层,实现了腐蚀梁工艺的自停止,如图1h所示。(8)去除剩下区域的腐蚀掩蔽用氧化层,得到中间结构层的弯折形弹性梁-质量块结构,如图1i所示。2.第一电极结构层与第二电极结构层分别通过直接双抛硅片的热氧化制作二氧化硅绝缘层来形成。3.通过三层同时键合工艺,将第一电极结构层、中间结构层和第二电极结构层键合在一起,如图1j所示。4.通过红外对准光刻在键合的结构上下表面制作中间电极引线通孔腐蚀窗口,如图4k所示。5.进行硅的各向异性腐蚀,形成可动质量块中间电极的引出通孔,随后进行键合的结构的电极引制作,即在键合的结构的正反面采用溅射、蒸发等制作金属层,其中,金属层的材料包括但不限于:Al,Au,Ni等,如(图1l所示。经过上述步骤,制备形成的弯折形弹性梁的电容式加速度传感器如图2a至2c所示,该电容式加速度传感器至少包括:第一电极结构层1、中间结构层2及第二电极结构层3。其中,第一电极结构层1与第二电极结构层2分别设置有电极引出通孔9,且第一电极结构层1与中间结构层2间、第二电极结构层2与中间结构层2间均具有电容间隙10,该电容间隙10因前述硅基片呈凹陷状而形成。其中,所述中间结构层2包括:形成在具有双器件层的含氧硅基片的边框、双面对称的质量块4、及一边连接边框、另一边连接质量块4的弯折形弹性梁8。其中,在所述边框相对于电极引出通孔9处形成有中间电极6,在质量块的两面对称地设有防过载凸点5及阻尼调节槽7、其每一面的四边侧均连接有弯折形弹性梁8,且处于不同平面的弯折形弹性梁交错分布、在空间上不重叠。此外,优选地,由于弯折形弹性梁的电容式加速度传感器结构微小(微米量级),并采用硅的各向异性腐蚀来刻蚀,光刻时严格对准<110>晶向,可有效保证矩形的质量块。再有,弯折形弹性梁的弯折次数、梁的总长度、总宽度可以根据灵敏度等来确定。例如,如图3所示,该电容式加速度传感器的弯折形弹性梁的弯折次数较图2b所示的弯折形弹性梁的弯折次数更多。综上所述,本发明的制备弯折形弹性梁的电容式加速度传感器的方法,相较于现有的制备方法,加工工艺简单,能够同时完成梁和质量块结构的制作;而且基于交错分布的弯折形弹性梁来连接质量块,使得加速度传感器的性能稳定,并且可以根据需要,制备弯折次数、梁总长、总宽不同的弯折形弹性梁,由此来改变传感器的灵敏度,故具有较大灵活性。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。