專利名稱：一種差分電容微加速度傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加速度傳感器，特別是涉及一種制造方法簡(jiǎn)單器件尺寸小至毫米量級(jí)的柵狀結(jié)構(gòu)差分電容微加速度傳感器及其制作方法，屬于微電子機(jī)械制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微型加速度傳感器以其體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成等特點(diǎn)而廣泛和深入應(yīng)用在航天制導(dǎo)、車輛控制、機(jī)器人、手機(jī)智能、工業(yè)探礦、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。為了適應(yīng)不同領(lǐng)域測(cè)量條件的限制，加速度傳感器的類型也多種多樣，但電容式加速度傳感器由于其良好的溫度特性、高靈敏度、穩(wěn)定性高以及加工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)一直都是研究的最主要方向。應(yīng)用于微加速度傳感器的敏感機(jī)理很多，目前有文獻(xiàn)報(bào)道的主要有壓阻式、電容 式、溫敏式、諧振式等。壓阻式微加速度傳感器是通過可動(dòng)質(zhì)量塊感應(yīng)加速度，將輸入轉(zhuǎn)換為彈性結(jié)構(gòu)的形變，從而引起制作在彈性結(jié)構(gòu)上的壓敏電阻阻值的變化，再通過外界電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化。壓阻式加速度傳感器具有加工工藝簡(jiǎn)單，測(cè)量方法容易，線性度好等優(yōu)點(diǎn)，但也有嚴(yán)重的缺點(diǎn)，例如溫度效應(yīng)嚴(yán)重，工作狀態(tài)不穩(wěn)定，靈敏度低
坐寸ο電容式微加速度傳感器是通過可動(dòng)質(zhì)量塊感應(yīng)加速度，利用平行板電容將質(zhì)量塊的相對(duì)位移轉(zhuǎn)換為電容的變化，再通過檢測(cè)電路將電容的微小變化轉(zhuǎn)換為與其成正比的電壓的變化。電容式加速度傳感器具有溫度效應(yīng)低、功耗小、靈敏度相對(duì)較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，但是外界加速度僅能引起電容微小的變化(通常在10-15量級(jí)甚至更低)，因此測(cè)試方法復(fù)雜。對(duì)于平板電容，電容值為C=—，
d其中ε為介質(zhì)的介電常數(shù)，A為極板正對(duì)面積，d為極板間垂直距離。由上式可知，電容加速度傳感器按工作原理大致分為兩類。一類是變間距式，在加速度的作用下質(zhì)量塊上下電極距離發(fā)生變化，大多數(shù)文獻(xiàn)中采用更多的是變間距式的加速度傳感器；另一類是變面積式，通過上下電極的平行錯(cuò)位使得交疊面積發(fā)生變化。前者由于電容和間距成反比關(guān)系，會(huì)造成電容變化的非線性，需要利用反饋電路來減小非線性，另外由于上下極板相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生較大的壓膜阻尼。而后者則完全是線性的關(guān)系，且由于運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的是滑膜阻尼，這大大提高了加速度計(jì)的靈敏度。鑒于此，如何制作出一種電容式微加速度傳感器，以克服現(xiàn)有技術(shù)中電容變化的非線性以及加速度引起的電容變化微小造成的測(cè)試方法復(fù)雜的缺點(diǎn)，成為目前亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種差分電容微加速度傳感器及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中電容變化的非線性以及加速度引起的電容變化微小造成的測(cè)試方法復(fù)雜的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種差分電容微加速度傳感器及其制作方法，至少包括以下步驟I)提供一襯底，在所述襯底的正面制備金屬層，并在所述金屬層上進(jìn)行光刻、以及腐蝕工藝制作出一對(duì)叉指形固定電極以及兩個(gè)固定電極觸點(diǎn)；2)提供一結(jié)構(gòu)基片，并在所述結(jié)構(gòu)基片背面進(jìn)行光刻和腐蝕工藝制備出用來釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)置空腔、以及兩個(gè)電極引出通孔；3)將步驟I)中所述襯底的正面與步驟2)中所述結(jié)構(gòu)基片的背面鍵合在一起；4)從所述結(jié)構(gòu)基片正面將其減薄到目標(biāo)厚度后，在其正面沉積金屬層，并在所述金屬層上進(jìn)行光刻以及腐蝕工藝形成可動(dòng)電極、可動(dòng)質(zhì)量塊、彈性梁、以及固定電極引出通孔結(jié)構(gòu)的圖形； 5)依據(jù)所述驟4)中的光刻圖形，通過對(duì)所述結(jié)構(gòu)基片進(jìn)行干法刻蝕以得到可動(dòng)質(zhì)量塊、彈性梁以及兩個(gè)電極引出通孔；6 )提供一蓋板基片，在所述蓋板基片背面進(jìn)行光刻以及腐蝕工藝制作出與所述可動(dòng)質(zhì)量塊相對(duì)應(yīng)的蓋板空腔；7)將所述步驟6)中的蓋板基片背面和所述步驟5)中結(jié)構(gòu)基片的正面鍵合在一起;8)通過光刻以及硅的深腐蝕工藝在所述步驟7)中的蓋板基片上形成電極引出通孔；9 )通過打線方式從所述電極引出通孔中引出固定電極和可動(dòng)電極?？蛇x地，所述步驟4)中在所述結(jié)構(gòu)基片正面沉積的金屬層的材質(zhì)為Au、Al、Cu、或Ag ;所述步驟7)中的鍵合工藝為圓片級(jí)低溫真空鍵合，采用的鍵合材料為玻璃漿料、聚合物或金屬粘合劑；所述步驟2)中結(jié)構(gòu)基片上的電極引出通孔與所述步驟5)中蓋板基片上的電極引出通孔相對(duì)準(zhǔn)，用于將所述固定電極和可動(dòng)電極引出；所述步驟I)中的襯底為玻璃片時(shí)，該步驟I)中在所述玻璃片上沉積的金屬層的材質(zhì)為Au、Al、Cu、或Ag ;所述步驟3)中采用陽極鍵合工藝將襯底正面與所述結(jié)構(gòu)基片的背面鍵合在一起。可選地，所述步驟I)中的襯底為硅片時(shí)，所述步驟I)還包括1-1)提供一襯底，在所述襯底的正面熱氧化生長(zhǎng)一層氧化硅；1-2)在所述步驟1-1)襯底的正面制備Au層，并在所述Au層上進(jìn)行光刻、以及腐蝕工藝制作出一對(duì)叉指形固定電極；所述步驟2)還包括2-1)提供一結(jié)構(gòu)基片，并在所述結(jié)構(gòu)基片背面熱氧化生長(zhǎng)一層氧化硅；2-2)在所述步驟2-1)的氧化硅上進(jìn)行光刻和腐蝕工藝制作出用來釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)置空腔、以及電極引出通孔；2-3)在所述結(jié)構(gòu)基片背面制作鍵合接觸環(huán)?？蛇x地，所述步驟2-3)中鍵合接觸環(huán)的材料為玻璃漿料、聚合物或金屬粘合劑?？蛇x地，所述結(jié)構(gòu)基片為娃基片或SOI基片；所述蓋板基片為娃基片?？蛇x地，所述結(jié)構(gòu)基片為SOI基片時(shí)，所述步驟2)還包括2-1)提供一結(jié)構(gòu)基片，在所述結(jié)構(gòu)基片背面的頂層硅表面熱氧化生長(zhǎng)一層氧化硅；2-2)在所述結(jié)構(gòu)基片背面的氧化硅層上進(jìn)行光刻及刻蝕，開出所述頂層硅的腐蝕窗口，然后以氧化硅為掩膜，對(duì)所述腐蝕窗口的頂層硅進(jìn)行刻蝕直至達(dá)到埋層氧化硅層，以形成用來釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)置空腔、以及電極引出通孔；2-3)利用干法刻蝕將所述步驟2-2)中結(jié)構(gòu)基片背面露出的所述埋層氧化硅刻蝕掉。本發(fā)明的另一目的是提供一種差分電容微加速度傳感器，至少包括襯底，其正面具有一對(duì)叉指形固定電極以及一對(duì)固定電極觸點(diǎn)；
結(jié)構(gòu)基片，具有一凹腔的背面鍵合于所述襯底之上，通過該凹腔與所述襯底表面構(gòu)成電容間距，正面具有柵狀可動(dòng)電極；對(duì)應(yīng)所述凹腔上方懸設(shè)有柵狀可動(dòng)質(zhì)量塊，所述可動(dòng)質(zhì)量塊兩側(cè)分別通過若干對(duì)稱彈性梁連接至所述結(jié)構(gòu)基片；對(duì)應(yīng)所述襯底上一對(duì)所述固定電極觸點(diǎn)在所述結(jié)構(gòu)基片上還具有兩個(gè)電極引出通孔；蓋板基片，具有一凹腔的背面鍵合于所述結(jié)構(gòu)基片正面之上，通過該凹腔與所述結(jié)構(gòu)基片正面構(gòu)成了所述可動(dòng)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)間隙；對(duì)應(yīng)所述襯底上一對(duì)所述固定電極觸點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)基片上的可動(dòng)電極，在所述蓋板基片上還具有兩個(gè)電極引出通孔，以實(shí)現(xiàn)將所述固定電極和可動(dòng)電極引出。可選地，所述固定電極和可動(dòng)電極的材質(zhì)為Au、Al、Cu、或Ag ;所述彈性梁和可動(dòng)質(zhì)量塊形成于所述結(jié)構(gòu)基片體材料中；所述彈性梁對(duì)稱分布于所述可動(dòng)質(zhì)量塊兩側(cè)，其個(gè)數(shù)為2個(gè)，且所述彈性梁的形狀為環(huán)形；所述襯底上的叉指形固定電極與結(jié)構(gòu)基片上的柵狀可動(dòng)質(zhì)量塊組成敏感電容器；所述加速度傳感器中的柵狀可動(dòng)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠嘏c該質(zhì)量塊上表面平行的方向，屬于面內(nèi)加速度傳感器?？蛇x地，所述襯底選為硅片或玻璃片；所述結(jié)構(gòu)基片為選為硅基片或SOI基片；所述蓋板基片選為硅片；所述結(jié)構(gòu)基片為SOI基片時(shí)，所述電容間距為該SOI基片頂層硅與埋層氧化硅的厚度之和；所述環(huán)形彈性梁和可動(dòng)質(zhì)量塊形成于該SOI基片的襯底硅中。如上所述，本發(fā)明的一種差分電容微加速度傳感器及其制作方法，具有以下有益效果:本發(fā)明利用體硅工藝完成可動(dòng)質(zhì)量塊和彈性梁的制作，通過干法刻蝕完成結(jié)構(gòu)制作的同時(shí)也完成器件結(jié)構(gòu)的釋放；可動(dòng)電極與可動(dòng)質(zhì)量塊具有相同的形狀和大小，避免重復(fù)光刻，工藝大大簡(jiǎn)化；設(shè)計(jì)的彈性梁在敏感方向剛度小，敏感垂直方向剛度大，具有較高的選擇性和防串?dāng)_能力；利用圓片級(jí)低溫真空對(duì)準(zhǔn)鍵合技術(shù)將器件簡(jiǎn)單可靠地封裝起來，便于大規(guī)模制造。此外，本發(fā)明的微加速度傳感器采用了變面積式工作原理使得可動(dòng)質(zhì)量塊在運(yùn)動(dòng)時(shí)僅受到滑膜阻尼，提高了靈敏度，并采用了柵狀可動(dòng)電極和叉指固定電極使得在相同加速度作用下產(chǎn)生較大的電容變化量，進(jìn)一步降低了差分式電容的檢測(cè)難度。因此，本發(fā)明的差分電容式微加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度高、線性度好、靈敏度高，是一種實(shí)際可行的固態(tài)微型加速度計(jì)。


圖Ia Ii顯示為本發(fā)明實(shí)施例一中的差分電容微加速度傳感器制作工藝流程示意圖。
圖2a 2e顯示為本發(fā)明實(shí)施例二中的差分電容微加速度傳感器制作部分工藝流程不意圖。圖3a 3d顯示為本發(fā)明實(shí)施例三中的差分電容微加速度傳感器制作部分工藝流程不意圖。圖4顯示為本發(fā)明實(shí)施例四中的差分電容微加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5a 5b顯示為本發(fā)明實(shí)施例四中的差分電容微加速度傳感器的等效電路以及工作原理示意圖元件標(biāo)號(hào)說明I 襯底
2、4金屬層20 叉指形固定電極21 固定電極觸點(diǎn)3 結(jié)構(gòu)基片30 預(yù)置空腔31、51 電極引出通孔32柵狀可動(dòng)質(zhì)量塊33彈性梁34頂層硅35埋層氧化硅36襯底硅40可動(dòng)電極5蓋板基片50蓋板空腔6玻璃漿料鍵合7固定電極引線8可動(dòng)電極引線9氧化硅層10鍵合接觸環(huán)SrS9 步驟AB、C 方向
具體實(shí)施例方式以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。請(qǐng)參閱圖Ia li、圖2a 2e、圖3a 3d、圖4以及圖5a 5b，結(jié)合說明書附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明提供的一種差分電容式微加速度傳感器及其制作方法，根據(jù)本發(fā)明中提供的不同襯底以及不同的結(jié)構(gòu)基片，所述加速度傳感器的制作方法也略有不同，下面通過不同的實(shí)施例來進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例一如圖Ia至Ii所述，本實(shí)施例提供一種差分電容微加速度傳感器的制作方法，包括以下步驟步驟SI :如圖Ia所示，提供一玻璃襯底1，在所述玻璃襯底I的正面通過電子束蒸發(fā)或蒸鍍一層金屬層2,該金屬層2的材質(zhì)暫選為Au,但不限于此,在其它實(shí)施例中亦可為Al、Cu、或Ag等導(dǎo)電金屬；然后在所述金屬層2上進(jìn)行光刻、以及腐蝕工藝制作出一對(duì)叉指形固定電極20以及兩個(gè)固定電極觸點(diǎn)21。
步驟S2 :提供一結(jié)構(gòu)基片3，本實(shí)施例中，所述結(jié)構(gòu)基片暫選為硅片，但并不限于此，在其它實(shí)施例中亦可為其它基片，不同的結(jié)構(gòu)基片工藝稍有差別；然后在所述結(jié)構(gòu)基片3背面進(jìn)行光刻形成預(yù)置空腔30和電極引出通孔31圖形，接著利用干法或濕法腐蝕工藝制備出用來釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)置空腔30、以及兩個(gè)電極引出通孔31的結(jié)構(gòu)，該預(yù)置空腔30的深度即為所述微加速度傳感器的電容間距，該電容間距根據(jù)所制作的加速度傳感器的性能的不同而改變。如圖Ib所示為所述結(jié)構(gòu)硅片的截面圖。步驟S3 :采用陽極鍵合工藝將所述步驟SI中玻璃襯底I的正面與所述步驟S2中所述結(jié)構(gòu)基片3的背面鍵合在一起，陽極鍵合工藝一般只限于玻璃-硅鍵合，鍵合溫度為300°C 400°C，偏壓為500V 1000V。需要說明的是，在鍵合時(shí)，在所述結(jié)構(gòu)基片3對(duì)應(yīng)所述金屬電極引線的位置上腐蝕出一個(gè)小腔(未示出)，使所述結(jié)構(gòu)硅片3背面不能與所述襯底I硅片上的金屬電極引線接觸，如圖Ic所示為鍵合后的截面圖。步驟S4 :采用化學(xué)機(jī)械研磨法或濕法腐蝕工藝從所述結(jié)構(gòu)基片3正面進(jìn)行減薄，減薄到目標(biāo)厚度后，通過蒸鍍或電子束蒸發(fā)工藝在所述減薄的結(jié)構(gòu)基片3正面沉積一層金屬層4，本實(shí)施例中，該金屬層4的材質(zhì)選為Au，但不限于此，在其它實(shí)施例中亦可為Al、Cu、或Ag等導(dǎo)電金屬；然后在所述金屬層4上就行光刻，并對(duì)其進(jìn)行腐蝕以分別形成可動(dòng)電極40、柵狀可動(dòng)質(zhì)量塊32(簡(jiǎn)稱可動(dòng)質(zhì)量塊32)、彈性梁33、以及固定電極引出通孔31結(jié)構(gòu)的圖形；所述電極引出通孔31結(jié)構(gòu)的圖形與所述步驟SI中的固定電極觸點(diǎn)21在垂直方向上相對(duì)應(yīng)，以使在后續(xù)步驟中腐蝕所述結(jié)構(gòu)基片3形成的固定電極引出通孔31能夠連通該固定電極觸點(diǎn)21 ;所述可動(dòng)質(zhì)量塊32結(jié)構(gòu)上方的金屬層4作為可動(dòng)電極40，所述結(jié)構(gòu)基片4正面沒有被金屬層4所覆蓋的地方在后續(xù)步驟中將被腐蝕掉，且該結(jié)構(gòu)基片3上剩余的金屬層4與可動(dòng)質(zhì)量塊32上的可動(dòng)電極40實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接。圖Id顯示為在所述結(jié)構(gòu)硅片正面的金屬層上進(jìn)行光刻后的結(jié)構(gòu)圖形平面圖。步驟S5 :依據(jù)所述驟S4中的光刻圖形，通過對(duì)沒有被所述金屬層4所述覆蓋的結(jié)構(gòu)基片3進(jìn)行干法刻蝕以得到可動(dòng)質(zhì)量塊32、彈性梁33以及兩個(gè)電極引出通孔31。所述可動(dòng)質(zhì)量塊32為柵狀結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)分別通過若干對(duì)稱彈性梁33連接至所述結(jié)構(gòu)硅片3。需要說明的是，本實(shí)施例中彈性梁33的形狀為環(huán)形，數(shù)量為2個(gè)，但并不限于此，在其他實(shí)施例中所述彈性梁32的形態(tài)和數(shù)量根據(jù)所述加速度傳感器的性能不同而改變，例如所述彈性梁33的形狀可以為直梁或其它對(duì)稱結(jié)構(gòu)的形狀等，數(shù)量可以為4個(gè)、6個(gè)等。如圖Ie所示為沿圖Id的AB方向的截面圖，在后續(xù)工藝流程圖的截面圖結(jié)構(gòu)都是按照?qǐng)DId (或圖Id在器件結(jié)構(gòu)中的AB方向)的AB方向的截面，后續(xù)步驟中不在贅述，特此聲明。步驟S6 :如圖If所不，提供一在蓋板基片5,本實(shí)施例中蓋板基片5選為娃基片，但不限于此，其它實(shí)施例中亦可為其它基片，例如Ge基片等，在所述蓋板基片5背面進(jìn)行光刻后，利用干法或濕法腐蝕工藝腐蝕出與所述可動(dòng) 質(zhì)量塊相對(duì)應(yīng)的蓋板空腔50，通過該蓋板空腔50與所述結(jié)構(gòu)基片3正面構(gòu)成了所述可動(dòng)質(zhì)量塊32的運(yùn)動(dòng)間隙。步驟S7 :如圖Ig所示，采用圓片級(jí)低溫真空封裝玻璃漿料鍵合6工藝將所述步驟S6中的蓋板基片5背面和所述步驟S5中結(jié)構(gòu)基片3的正面鍵合在一起，玻璃漿料鍵合6技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、鍵合強(qiáng)度高、密封效果好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種高產(chǎn)率、低成本的封裝技術(shù)。但并不限于本實(shí)施例中的鍵合工藝，在其它實(shí)施例中亦可以采用圓片級(jí)低溫真空封裝聚合物鍵合工藝、或金屬粘合劑鍵合工藝等。通過鍵合的蓋板基片5，實(shí)現(xiàn)了所述加速度傳感器的圓片級(jí)真空封裝，以防止所述加速度傳感器中的可動(dòng)結(jié)構(gòu)受到劃片和裝配過程中的灰塵、水汽等因素的影響，造成器件的毀壞或整體性能的下降。需要說明的是，所述蓋板基片5與結(jié)構(gòu)硅片3鍵合后，該蓋板硅片5上的蓋板空腔50正好覆蓋在所述結(jié)構(gòu)基片3上的可動(dòng)質(zhì)量塊32以及彈性梁33之上，并與結(jié)構(gòu)基片3正面形成了可動(dòng)質(zhì)量塊32的自由運(yùn)動(dòng)空間。步驟S8 :如圖Ih所示，在鍵合后的蓋板基片5正面進(jìn)行光刻以形成與該蓋板基片5背面電極引出通孔51結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的電極引出通孔51圖形，根據(jù)光刻的圖形，并利用干法或濕法刻蝕工藝在所述蓋板基片5上刻蝕出電極引出通孔51。干法刻蝕一般利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝，而濕法刻蝕采用KOH溶液進(jìn)行硅的腐蝕。需要說明的是，所述蓋板基片5上的電極引出通孔51與結(jié)構(gòu)基片3上的電極引出通孔31在垂直方向上相連通，以將固定電極20引出，且位于蓋板基片5上的電極引出通孔51將所述結(jié)構(gòu)基片3上的金屬引線暴露出，以將可動(dòng)電極40引出。步驟S9 :如圖Ii所示，通過打線方式從所述電極引出通孔31和51中引出固定電極引線7和可動(dòng)電極引線8，完成電容式微加速度傳感器的制作。綜上所述，本發(fā)明利用體硅工藝完成可動(dòng)質(zhì)量塊和彈性梁的制作，通過干法刻蝕完成結(jié)構(gòu)制作的同時(shí)也完成器件結(jié)構(gòu)的釋放；設(shè)計(jì)的彈性梁在敏感方向剛度小，其敏感垂直方向剛度大，具有較高的選擇性，防止串?dāng)_；采用了柵狀可動(dòng)電極和叉指固定電極使得在相同加速度作用下產(chǎn)生較大的電容變化量，且差分式電容檢測(cè)方式進(jìn)一步降低了檢測(cè)難度；利用低溫真空鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)器件的圓片級(jí)真空封裝；采用變面積式差分電容工作原理，保證器件良好的工作性能。此外本實(shí)用新型加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度高、線性度好、靈敏度高，是一種實(shí)際可行的固態(tài)微型加速度計(jì)。實(shí)施例二如圖所示2a至2e所示為本實(shí)施例中的制作差分電容微加速度傳感器的部分工藝流程圖，本實(shí)施例提供另一種差分電容微加速度傳感器的制作方法，與實(shí)施例一不同之處是本實(shí)施例中提供的襯底為硅襯底，因此，襯底的不同導(dǎo)致了工藝上的稍微差別，具體工藝步驟的不同如下當(dāng)提供一娃襯底I時(shí)，所述實(shí)施例一的步驟SI還包括
Sl-I :如圖2a所示，提供一襯底I，在所述硅襯底的正面熱氧化生長(zhǎng)一層氧化硅層9，該氧化硅層9將所述硅襯底與后續(xù)步驟中的金屬層2絕緣。S1-2:如圖2b所示，通過蒸鍍或電子束蒸發(fā)工藝在所述步驟Sl-I襯底的氧化硅層9上制備一層金屬層2,本實(shí)施例中所述金屬層2材質(zhì)暫選為Au,但并不限于此,在其它實(shí)施例中亦可以選為Al、Cu、或Ag等導(dǎo)電金屬材料。然后在所述金屬層2上進(jìn)行光刻、以及腐蝕工藝制作出一對(duì)叉指形固定電極20以及兩個(gè)固定電極觸點(diǎn)21。如圖2b所示為所述襯底形成固定電極的平面圖。
所述實(shí)施例一種步驟S2還包括S2-1 :如圖2c所示，提供一結(jié)構(gòu)基片3，本實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)基片3暫選為硅片，然后在所述結(jié)構(gòu)基片3背面熱氧化生長(zhǎng)一層氧化硅9。S2-2 :在所述結(jié)構(gòu)基片3背面氧化硅層9上進(jìn)行光刻形成預(yù)置空腔30和電極弓I出通孔31圖形，然后利用干法或濕法腐蝕工藝制備出用來釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)置空腔30、以及兩個(gè)電極引出通孔31的結(jié)構(gòu)，該預(yù)置空腔30的深度即為所述微加速度傳感器的可動(dòng)電容間距，該電容間距根據(jù)所制作的加速度傳感器的性能的不同而改變。如圖2d所示為結(jié)構(gòu)基片的截面圖。S2-3 :在所述結(jié)構(gòu)基片3背面以及襯底正面氧化硅層9上制作鍵合接觸環(huán)10，本實(shí)施例中鍵合接觸環(huán)10暫選為Au-Au鍵合環(huán)，但不限于此，在其它實(shí)施例中，鍵合接觸環(huán)10亦可為玻璃漿料、聚合物或金屬粘合劑。如圖2d所示為結(jié)構(gòu)基片的截面圖。本實(shí)施例中的其它步驟以及工藝流程圖與實(shí)施例一相同，在此不再贅述。如圖2e所示為本實(shí)施例中形成的最終加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。實(shí)施例三如圖所示3a至3d所示為本實(shí)施例中的制作差分電容微加速度傳感器的部分工藝流程圖，本實(shí)施例提供另一種差分電容微加速度傳感器的制作方法，與實(shí)施例一不同之處是本實(shí)施例中提供的結(jié)構(gòu)基片為SOI基片，因此，結(jié)構(gòu)基片的不同也導(dǎo)致了工藝上的稍微差別，具體工藝步驟的不同如下當(dāng)提供一 SOI結(jié)構(gòu)基片3時(shí)，所述實(shí)施例一的步驟S2還包括S2-1 :如圖3a所示，提供一結(jié)構(gòu)基片3，在所述結(jié)構(gòu)基片3背面的頂層硅36表面熱氧化生長(zhǎng)一層氧化硅9。S2-2 :如圖3b所示，在所述結(jié)構(gòu)基片3背面的氧化硅層9上進(jìn)行光刻及刻蝕，開出所述頂層硅36的腐蝕窗口，然后以氧化硅層9為掩膜，采用干法或濕法腐蝕工藝對(duì)所述腐蝕窗口的頂層硅36上進(jìn)行刻蝕直至達(dá)到埋層氧化硅37，以形成用來釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)置空腔30、以及電極引出通孔31結(jié)構(gòu)，最后除去所述頂層硅上的氧化硅9。S2-3 :如圖3c所示，利用干法刻蝕將所述步驟S2-2中結(jié)構(gòu)基片3背面露出的所述埋層氧化娃37刻蝕掉。需要說明的是，用該方法制作的加速度傳感器，電容間距可精確控制，為該SOI基片頂層硅與埋層氧化硅的厚度之和；所述環(huán)形彈性梁和可動(dòng)質(zhì)量塊形成于該SOI基片的襯底硅中，且所述環(huán)形彈性梁和可動(dòng)質(zhì)量塊的厚度也可精確控制。本實(shí)施例中的其它步驟以及工藝流程圖與實(shí)施例一相同，在此不再贅述。如圖3d所示為本實(shí)施例中形成的最終加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
實(shí)施例四如圖所4示，本發(fā)明的另一目的是提供一種差分電容微加速度傳感器，應(yīng)用于密封的真空腔體環(huán)境中，至少包括襯底I、結(jié)構(gòu)基片3、以及蓋板基片5。所述襯底I設(shè)置于所述微加速度傳感器的底部，本實(shí)施例中所述襯底I暫選為玻璃，但并不限于此，在其它實(shí)施例中亦可選為硅片、或鍺片等，其正面具有一對(duì)叉指形固定電極20以及一對(duì)固定電極觸點(diǎn)21。本實(shí)施例中所述固定電極20和固定電極觸點(diǎn)21的材質(zhì)暫選為Au，但并不限于此，在其它實(shí)施例中亦可選為Al、Cu、或Ag。所述結(jié)構(gòu)基片3具有一預(yù)置空腔30的背面鍵合于所述襯底I之上，通過該預(yù)置空腔30與所述襯底I表面構(gòu)成電容間距，正面具有柵狀可動(dòng)電極40 ;對(duì)應(yīng)所述預(yù)置空腔30上方懸設(shè)有柵狀可動(dòng)質(zhì)量塊32，所述可動(dòng)質(zhì)量塊32兩側(cè)分別通過若干對(duì)稱彈性梁33連接至所述結(jié)構(gòu)基片3 ;對(duì)應(yīng)所述襯底I上一對(duì)所述固定電極觸點(diǎn)21在所述結(jié)構(gòu)基片3上還具有兩個(gè)電極引出通孔31。本實(shí)施例中結(jié)構(gòu)基片3暫選為硅片，但并不限于此，在其它實(shí)施例中亦可為SOI結(jié)構(gòu)基片3。當(dāng)所述結(jié)構(gòu)基片為SOI基片時(shí)，所述電容間距為該結(jié)構(gòu)基片3 頂層硅36與埋層氧化硅35的厚度之和，所述彈性梁33和可動(dòng)質(zhì)量塊32形成于該結(jié)構(gòu)基片3的襯底硅34中(參考圖3d)。需要說明的是，本實(shí)施例中彈性梁33的形狀為環(huán)形，數(shù)量為2個(gè)，但并不限于此，在其他實(shí)施例中所述彈性梁33的形態(tài)和數(shù)量根據(jù)所述加速度傳感器的性能不同而改變，例如所述彈性梁33的形狀可以為直梁或其它對(duì)稱結(jié)構(gòu)的形狀等，數(shù)量可以為4個(gè)、6個(gè)等。所述蓋板基片5具有一蓋板空腔50的背面鍵合于所述結(jié)構(gòu)基片3正面之上，通過該蓋板空腔50與所述結(jié)構(gòu)基片3正面構(gòu)成了所述可動(dòng)質(zhì)量32的運(yùn)動(dòng)間隙；對(duì)應(yīng)所述襯底I上一對(duì)所述固定電極觸點(diǎn)21以及結(jié)構(gòu)基片3上的可動(dòng)電極40，在所述蓋板基片5上還具有兩個(gè)電極引出通孔51，以實(shí)現(xiàn)將所述固定電極20和可動(dòng)電極40引出。本實(shí)施例中的蓋板基片5暫選為硅基片，但并不限于此，在其它實(shí)施例中亦可為鍺基片等。需要說明的是，所述微加速度傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)用于密封的真空腔體環(huán)境中，且該微加速度傳感器中的柵狀可動(dòng)質(zhì)量塊32的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠嘏c該質(zhì)量塊32上表面平行的方向，屬于面內(nèi)加速度傳感器。為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明的差分電容微加速度傳感器的原理及功效，請(qǐng)參閱圖5a至5b，如圖所示為該加速度傳感器的工作原理圖。本發(fā)明中的所述可動(dòng)質(zhì)量塊32可以在平面內(nèi)檢測(cè)水平方向的加速度，具有良好的選擇性。同時(shí)該可動(dòng)質(zhì)量塊32與可動(dòng)電極30是一體的，柵狀結(jié)構(gòu)的可動(dòng)電極30與叉指結(jié)構(gòu)的固定電極20可在小位移的狀態(tài)下產(chǎn)生大的電容變化，且成比較嚴(yán)格的線性關(guān)系，通過改變叉指固定電極20叉指的個(gè)數(shù)和長(zhǎng)度、以及柵狀結(jié)構(gòu)的可動(dòng)質(zhì)量塊32柵的個(gè)數(shù)和長(zhǎng)度可以繼續(xù)增大電容的變化。當(dāng)可動(dòng)質(zhì)量塊32移動(dòng)時(shí)，下固定電極20與上可動(dòng)電極30構(gòu)成的兩組檢測(cè)電容會(huì)發(fā)生大小相同正負(fù)不同的變化。當(dāng)按圖5b中的方向C運(yùn)動(dòng)時(shí)，若一個(gè)電容(Cl)變大，則另外一個(gè)電容(C2)就變小。通過檢測(cè)差分電容的大小，就可以推算出加速度的大小?？梢姳景l(fā)明加速度計(jì)相對(duì)其他加速度計(jì)具有較大的輸出、較好的線性度以及較小的空氣阻尼，而且后續(xù)接口電路的設(shè)計(jì)和制作也相對(duì)簡(jiǎn)單。綜上所述，本發(fā)明提出的一種差分電容微加速度傳感器及其制作方法，該方法利用體硅工藝完成可動(dòng)質(zhì)量塊和彈性梁的制作，通過干法刻蝕完成結(jié)構(gòu)制作的同時(shí)也完成器件結(jié)構(gòu)的釋放；可動(dòng)電極與可動(dòng)質(zhì)量塊具有相同的形狀和大小，避免重復(fù)光刻，工藝大大簡(jiǎn)化；設(shè)計(jì)的彈性梁在敏感方向剛度小，敏感垂直方向剛度大，具有較高的選擇性和防串?dāng)_能力；利用圓片級(jí)低溫真空對(duì)準(zhǔn)鍵合技術(shù)將器件簡(jiǎn)單可靠地封裝起來，便于大規(guī)模制造。此夕卜，本發(fā)明的微加速度傳感器采用了變面積式工作原理使得可動(dòng)質(zhì)量塊在運(yùn)動(dòng)時(shí)僅受到滑膜阻尼，提高了靈敏度，并采用了柵狀可動(dòng)電極和叉指固定電極使得在相同加速度作用下產(chǎn)生較大的電容變化量，且差分式電容檢測(cè)方式進(jìn)一步降低了檢測(cè)難度。因此，本發(fā)明的差分電容式微加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度高、線性度好、靈敏度高，是一種實(shí)際可行的固態(tài)微型加速度計(jì)。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種差分電容微加速度傳感器的制作方法，其特征在于，至少包括以下步驟 1)提供一襯底，在所述襯底的正面制備金屬層，并在所述金屬層上進(jìn)行光刻、以及腐蝕工藝制作出一對(duì)叉指形固定電極以及兩個(gè)固定電極觸點(diǎn)； 2)提供一結(jié)構(gòu)基片，并在所述結(jié)構(gòu)基片背面進(jìn)行光刻和腐蝕工藝制備出用來釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)置空腔、以及兩個(gè)電極引出通孔； 3)將步驟I)中所述襯底的正面與步驟2)中所述結(jié)構(gòu)基片的背面鍵合在一起； 4)從所述結(jié)構(gòu)基片正面將其減薄到目標(biāo)厚度后，在其正面沉積金屬層，并在所述金屬層上進(jìn)行光刻以及腐蝕工藝形成可動(dòng)電極、可動(dòng)質(zhì)量塊、彈性梁、以及固定電極引出通孔結(jié)構(gòu)的圖形； 5)依據(jù)所述驟4)中的光刻圖形，通過對(duì)所述結(jié)構(gòu)基片進(jìn)行干法刻蝕以得到可動(dòng)質(zhì)量塊、彈性梁以及兩個(gè)電極引出通孔； 6)提供一蓋板基片，在所述蓋板基片背面進(jìn)行光刻以及腐蝕工藝制作出與所述可動(dòng)質(zhì)量塊相對(duì)應(yīng)的蓋板空腔； 7)將所述步驟6)中的蓋板基片背面和所述步驟5)中結(jié)構(gòu)基片的正面鍵合在一起； 8)通過光刻以及硅的深腐蝕工藝在所述步驟7)中的蓋板基片上形成電極引出通孔； 9 )通過打線方式從所述電極引出通孔中引出固定電極和可動(dòng)電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的制作方法，其特征在于所述步驟4)中在所述結(jié)構(gòu)基片正面沉積的金屬層的材質(zhì)為Au、Al、Cu、或Ag。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的制作方法，其特征在于所述步驟7)中的鍵合工藝為圓片級(jí)低溫真空鍵合，采用的鍵合材料為玻璃漿料、聚合物或金屬粘合劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的制作方法，其特征在于所述步驟2)中結(jié)構(gòu)基片上的電極引出通孔與所述步驟5)中蓋板基片上的電極引出通孔相對(duì)準(zhǔn)，用于將所述固定電極和可動(dòng)電極引出。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的制作方法，其特征在于所述步驟I)中的襯底為玻璃片時(shí)，該步驟I)中在所述玻璃片上沉積的金屬層的材質(zhì)為Au、Al、Cu、或Ag ;所述步驟3)中采用陽極鍵合工藝將襯底正面與所述結(jié)構(gòu)基片的背面鍵合在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的制作方法，其特征在于，所述步驟I)中的襯底為硅片時(shí)，所述步驟I)還包括 1-1)提供一襯底，在所述襯底的正面熱氧化生長(zhǎng)一層氧化硅； 1-2)在所述步驟1-1)襯底的正面制備Au層，并在所述Au層上進(jìn)行光刻、以及腐蝕工藝制作出一對(duì)叉指形固定電極； 所述步驟2)還包括 2-1)提供一結(jié)構(gòu)基片，并在所述結(jié)構(gòu)基片背面熱氧化生長(zhǎng)一層氧化硅； 2-2)在所述步驟2-1)的氧化硅上進(jìn)行光刻和腐蝕工藝制作出用來釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)置空腔、以及電極引出通孔； 2-3)在所述結(jié)構(gòu)基片背面制作鍵合接觸環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的差分電容微加速度傳感器的制作方法，其特征在于所述步驟2-3)中鍵合接觸環(huán)的材料為玻璃漿料、聚合物或金屬粘合劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的差分電容微加速度傳感器的制作方法，其特征在于所述結(jié)構(gòu)基片為硅基片或SOI基片；所述蓋板基片為硅基片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的差分電容微加速度傳感器的制作方法，其特征在于所述結(jié)構(gòu)基片為SOI基片時(shí)，所述步驟2)還包括 2-1)提供一結(jié)構(gòu)基片，在所述結(jié)構(gòu)基片背面的頂層娃表面熱氧化生長(zhǎng)一層氧化娃； 2-2)在所述結(jié)構(gòu)基片背面的氧化硅層上進(jìn)行光刻及刻蝕，開出所述頂層硅的腐蝕窗口，然后以氧化硅為掩膜，對(duì)所述腐蝕窗口的頂層硅進(jìn)行刻蝕直至達(dá)到埋層氧化硅層，以形成用來釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)置空腔、以及電極引出通孔； 2-3)利用干法刻蝕將所述步驟2-2)中結(jié)構(gòu)基片背面露出的所述埋層氧化硅刻蝕掉。
10.一種差分電容微加速度傳感器，其特征在于，至少包括 襯底，其正面具有一對(duì)叉指形固定電極以及一對(duì)固定電極觸點(diǎn)； 結(jié)構(gòu)基片，具有一凹腔的背面鍵合于所述襯底之上，通過該凹腔與所述襯底表面構(gòu)成電容間距，正面具有柵狀可動(dòng)電極；對(duì)應(yīng)所述凹腔上方懸設(shè)有柵狀可動(dòng)質(zhì)量塊，所述可動(dòng)質(zhì)量塊兩側(cè)分別通過若干對(duì)稱彈性梁連接至所述結(jié)構(gòu)基片；對(duì)應(yīng)所述襯底上一對(duì)所述固定電極觸點(diǎn)在所述結(jié)構(gòu)基片上還具有兩個(gè)電極引出通孔； 蓋板基片，具有一凹腔的背面鍵合于所述結(jié)構(gòu)基片正面之上，通過該凹腔與所述結(jié)構(gòu)基片正面構(gòu)成了所述可動(dòng)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)間隙；對(duì)應(yīng)所述襯底上一對(duì)所述固定電極觸點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)基片上的可動(dòng)電極，在所述蓋板基片上還具有兩個(gè)電極引出通孔，以實(shí)現(xiàn)將所述固定電極和可動(dòng)電極引出。
11.據(jù)權(quán)利要求10所述的差分電容微加速度傳感器，其特征在于所述固定電極和可動(dòng)電極的材質(zhì)為Au、Al、Cu、或Ag。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的差分電容微加速度傳感器，其特征在于所述彈性梁和可動(dòng)質(zhì)量塊形成于所述結(jié)構(gòu)基片體材料中；所述彈性梁對(duì)稱分布于所述可動(dòng)質(zhì)量塊兩側(cè)，其個(gè)數(shù)為2個(gè)，且所述彈性梁的形狀為環(huán)形。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的差分電容微加速度傳感器，其特征在于所述襯底上的叉指形固定電極與結(jié)構(gòu)基片上的柵狀可動(dòng)質(zhì)量塊組成敏感電容器；所述加速度傳感器中的柵狀可動(dòng)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠嘏c該質(zhì)量塊上表面平行的方向，屬于面內(nèi)加速度傳感器。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的差分電容微加速度傳感器，其特征在于所述襯底選為硅片或玻璃片；所述結(jié)構(gòu)基片為選為硅基片或SOI基片；所述蓋板基片選為硅片。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的差分電容微加速度傳感器，其特征在于所述結(jié)構(gòu)基片為SOI基片時(shí)，所述電容間距為該SOI基片頂層硅與埋層氧化硅的厚度之和；所述環(huán)形彈性梁和可動(dòng)質(zhì)量塊形成于該SOI基片的襯底硅中。
全文摘要
本發(fā)明提出一種差分電容微加速度傳感器及其制作方法，該方法利用體硅工藝完成可動(dòng)質(zhì)量塊和彈性梁的制作，通過干法刻蝕完成結(jié)構(gòu)制作的同時(shí)也完成器件結(jié)構(gòu)的釋放；可動(dòng)電極與可動(dòng)質(zhì)量塊具有相同的形狀和大小，避免重復(fù)光刻，工藝大大簡(jiǎn)化；設(shè)計(jì)的彈性梁在敏感方向剛度小，敏感垂直方向剛度大，具有較高的選擇性和防串?dāng)_能力；利用圓片級(jí)低溫真空對(duì)準(zhǔn)鍵合技術(shù)將器件簡(jiǎn)單可靠地封裝起來，便于大規(guī)模制造。此外，本發(fā)明的微加速度傳感器采用了變面積式工作原理使得可動(dòng)質(zhì)量塊在運(yùn)動(dòng)時(shí)僅受到滑膜阻尼，提高了靈敏度。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102778586SQ201210287128
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者姚邵康, 徐德輝, 徐銘, 熊斌, 王躍林, 馬穎蕾 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所