專利名稱：Mems壓阻式伺服加速度傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))器件，尤其涉及一種MEMS壓阻式伺服加速度傳感器。
MEMS加速度傳感器是微電子機(jī)械系統(tǒng)中較早開(kāi)發(fā)出來(lái)的的產(chǎn)品之一。按原理可分為壓阻式、電容式、壓電式等幾種，有關(guān)MEMS加速度傳感器的工作機(jī)理和加工方法有很多的實(shí)驗(yàn)研究。參見(jiàn)A MONOLITHIC SILICONACCELEROMETER WITH INTERGRAL AIR DAMPING AND OVERRANGEPROTECTION，Phillip W.Barth，NovaSensor；A SIMPLE HIGH PERFORMANCEPIEZORESISTIVE ACCELEROMETER，James T.Suminto。然而由于加速度傳感器測(cè)量的是動(dòng)態(tài)信號(hào)，受使用環(huán)境的影響較大，導(dǎo)致加速度傳感器的測(cè)量精度較低，通常精度范圍在10％-1％之間，極大的限制了加速度傳感器的應(yīng)用，也使MEMS具有的體積小、重量輕、功能豐富以及批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有得到真正的發(fā)揮。直到九十年代中后期ADI公司發(fā)明了ADXL系列MEMS電容式伺服加速度傳感器，才真正使MEMS加速度傳感器開(kāi)始了批量生產(chǎn)和應(yīng)用。參見(jiàn)UNDERSTANDING ACCELEROMETER SCALE FACTOR ANDOFFSET ADJUSTMENTS，Charles Kitchin，ANALOG DEVICES AN-396。然而，由于ADI公司的產(chǎn)品采用的原理是利用電容變化來(lái)檢測(cè)加速度信號(hào)，電容變化的非線性及微小電容檢測(cè)所帶來(lái)的雜散信號(hào)干擾嚴(yán)重制約了加速度傳感器的檢測(cè)精度，檢測(cè)電路復(fù)雜，由于該產(chǎn)品采用的是表面硅MEMS工藝，抗沖擊能力差，這些都限制了MEMS加速度傳感器在高精度加速度測(cè)量方面的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是提供一種MEMS壓阻式伺服加速度傳感器，提高測(cè)試精度，增強(qiáng)抗沖擊能力。以及一種制備這種MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法。
本發(fā)明的MEMS壓阻式伺服加速度傳感器包括三片硅片，三片硅片組成上硅帽、中間硅片和下硅帽的三明治結(jié)構(gòu)，上下兩層硅帽上均設(shè)反饋電極，中間硅片上設(shè)梁式結(jié)構(gòu)，梁上設(shè)壓敏電阻，組成惠斯登電橋來(lái)檢測(cè)加速度信號(hào)，信號(hào)調(diào)制電路將電橋產(chǎn)生的輸出電壓變換成反饋電壓作用于傳感器的靜電力反饋極板上形成閉環(huán)伺服檢測(cè)。
所述壓敏電阻設(shè)于所述梁的最大應(yīng)變區(qū)。
上下兩層硅帽上均設(shè)限位結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的制備MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法，其步驟包括(1)版圖設(shè)計(jì)設(shè)定中間硅片的壓阻位置，用p+將壓阻引出敏感膜，通過(guò)雙面光刻腐蝕背腔，再用ICP刻出梁的結(jié)構(gòu)，刻出引線孔后濺射鋁形成電氣連接，濺射上下硅帽的反饋電極；(2)用離子注入工藝形成壓阻；(3)擴(kuò)散濃硼形成p+區(qū)；(4)腐蝕背腔形成感壓膜；(5)刻蝕感壓膜形成敏感梁；(6)刻引線孔，濺射金屬，合金，完成芯片的電氣連接；(7)在上下硅帽上濺射金屬形成電極；(8)將上下硅帽和中間結(jié)構(gòu)層鍵合在一起。
本發(fā)明在版圖設(shè)計(jì)中通過(guò)ANSYS軟件模擬設(shè)定中間硅片的壓阻位置將壓阻位置設(shè)定于中間硅片梁的最大應(yīng)變區(qū)。
上述制備中還在上下硅帽上腐蝕出限位結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的MEMS壓阻式伺服加速度傳感器降低了電路難度，在不需要高精度集成電路工藝的情況下實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器的伺服控制，提高了檢測(cè)精度。所采用的三明治結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了傳感器的抗沖擊能力，擴(kuò)大了該傳感器的適用范圍。


圖1現(xiàn)有MEMS加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1---固定端 2---壓阻 3---懸臂梁 4---質(zhì)量塊圖2本發(fā)明的MEMS壓阻式伺服加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖5---上硅帽 6---敏感結(jié)構(gòu) 7---下硅帽 8---反饋電極 9---限位塊圖3 部分工藝示意圖(a)離子注入形成壓阻(b)擴(kuò)散形成p+連接(c)濺射鋁，合金(d)腐蝕，形成敏感結(jié)構(gòu)實(shí)施方案
本發(fā)明采用三層硅片組成三明治結(jié)構(gòu)，在中間一層硅片采用腐蝕、刻蝕等MEMS工藝制作出梁式結(jié)構(gòu)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后在梁的最大應(yīng)變區(qū)采用注入工藝制作出與加速度信號(hào)成比例變化的壓敏電阻，組成惠斯登電橋來(lái)檢測(cè)加速度信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)調(diào)制電路將電橋產(chǎn)生的與加速度信號(hào)成比例的輸出電壓變換成反饋電壓作用于傳感器的靜電力反饋極板上，使梁工作在小變形狀態(tài)，同時(shí)在上下兩層硅帽上制作限位結(jié)構(gòu)和反饋電極，形成閉環(huán)伺服檢測(cè)。
以下是一具體的實(shí)施例本發(fā)明采用4英寸400微米厚N型<100>雙面拋光單晶硅片，電阻率2-4Ωcm。
1、硅片清洗后進(jìn)行原始氧化300-350nm；2、采用離子注入工藝制備高精度壓阻，注入條件為90-120KeV、1.0×1014cm-2-2.0×1014cm-2，然后進(jìn)行硼驅(qū)入，條件為1000-1500℃，80-120分鐘；3、濃硼擴(kuò)散形成p+連接，退火后體濃度＞5.0×1018cm-3；4、KOH腐蝕背腔，形成感壓膜；5、ICP刻蝕感壓膜，形成敏感梁；6、刻引線孔，濺射鋁，合金，400-420℃，30分鐘；7、KOH腐蝕硅帽，形成限位結(jié)構(gòu)；8、鍵合，劃片。
整套工藝要注意各工序之間的兼容性，合理分配各工序的加工次序，避免因?yàn)镵OH腐蝕時(shí)帶來(lái)的鉀離子污染其他工序。
權(quán)利要求
1.一種MEMS壓阻式伺服加速度傳感器，包括三片硅片，其特征在于三片硅片組成硅帽、中間硅片和下硅帽的三明治結(jié)構(gòu)，上下兩層硅帽上均設(shè)反饋電極，中間硅片上設(shè)梁式結(jié)構(gòu)，梁上設(shè)壓敏電阻，組成惠斯登電橋檢測(cè)加速度信號(hào)，信號(hào)調(diào)制電路將電橋產(chǎn)生的輸出電壓變換成反饋電壓作用于傳感器的靜電力反饋極板上形成閉環(huán)伺服檢測(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的MEMS壓阻式伺服加速度傳感器，其特征在于所述壓敏電阻設(shè)于所述梁的最大應(yīng)變區(qū)。
3.如權(quán)利要求1所述的MEMS壓阻式伺服加速度傳感器，其特征在于上下兩層硅帽上均設(shè)限位結(jié)構(gòu)。
4.一種制備MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法，其步驟包括(1)版圖設(shè)計(jì)設(shè)定中間硅片的壓阻位置，用p+將壓阻引出敏感膜，通過(guò)雙面光刻腐蝕背腔，再用ICP刻出梁的結(jié)構(gòu)，刻出引線孔后濺射鋁形成電氣連接，濺射上下硅帽的反饋電極；(2)用離子注入工藝形成壓阻；(3)擴(kuò)散濃硼形成p+區(qū)；(4)腐蝕背腔形成感壓膜；(5)刻蝕感壓膜形成敏感梁；(6)刻引線孔，濺射金屬，合金，完成芯片的電氣連接；(7)在上下硅帽上濺射金屬形成電極；(8)將上下硅帽和中間結(jié)構(gòu)層鍵合在一起。
5.如權(quán)利要求4所述的制備MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法，其特征在于在版圖設(shè)計(jì)中通過(guò)ANSYS軟件模擬設(shè)定中間硅片的壓阻位置。
6.如權(quán)利要求4或5所述的制備MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法，其特征在于壓阻位置設(shè)定于中間硅片梁的最大應(yīng)變區(qū)。
7.如權(quán)利要求4所述的制備MEMS壓阻式伺服加速度傳感器的方法，其特征在于在上下硅帽上腐蝕出限位結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種MEMS壓阻式伺服加速度傳感器。包括三片硅片，三片硅片組成上硅帽、中間硅片和下硅帽的三明治結(jié)構(gòu)，上下兩層硅帽上均設(shè)反饋電極，中間硅片上設(shè)梁式結(jié)構(gòu)，梁上設(shè)壓敏電阻，組成惠斯登電橋來(lái)檢測(cè)加速度信號(hào)，信號(hào)調(diào)制電路將電橋產(chǎn)生的輸出電壓變換成反饋電壓作用于傳感器的靜電力反饋極板上形成閉環(huán)伺服檢測(cè)。以及制備這種傳感器的方法。降低了電路難度，在不需要高精度集成電路工藝的情況下實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器的伺服控制，提高了檢測(cè)精度。所采用的三明治結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了傳感器的抗沖擊能力，擴(kuò)大了該傳感器的適用范圍?？蓮V泛應(yīng)用于MEMS技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01P15/12GK1431517SQ0310478
公開(kāi)日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者張威, 張大成, 劉蓓, 李婷, 王陽(yáng)元 申請(qǐng)人:北京大學(xué)