專(zhuān)利名稱(chēng)：Mems三軸加速度計(jì)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感技術(shù)、微電子機(jī)械(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種梳齒式MEMS三軸加速度計(jì)，更具體涉及一種單芯片變面積型三軸梳齒式加速度傳感器及其制作方法。
背景技術(shù)：
加速度計(jì)是慣性器件的一種，目前被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)，醫(yī)療，消費(fèi)電子，工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。引入了微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)后的三軸加速度計(jì)具有尺寸小，重量輕，交叉靈敏度低，可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。MEMS加速度計(jì)在我們的生產(chǎn)與生活中發(fā)揮著巨大作用，目前主要應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)感知、動(dòng)作識(shí)別、姿態(tài)控制、振動(dòng)探測(cè)、安防報(bào)警等方面，基于加速度傳感器還可以實(shí)現(xiàn)更多的檢測(cè)功能，獲得更為廣泛的應(yīng)用。 MEMS加速度計(jì)按其檢測(cè)原理主要分為壓阻式、壓電式、容感式以及熱感式。對(duì)于靈敏度要求較高的低g加速度計(jì)一般采用電容檢測(cè)方式。許多應(yīng)用需要能同時(shí)檢測(cè)三分量加速度信號(hào)的三軸加速度傳感器。傳統(tǒng)的加速度計(jì)多為單矢量測(cè)量的單軸傳感器，需要將三個(gè)(或兩個(gè))單軸的加速度計(jì)組裝起來(lái)才能構(gòu)成三軸(或兩軸)加速度計(jì)。組裝方法構(gòu)成的三軸加速度計(jì)必然導(dǎo)致三軸正交性誤差較大，體積大，成本高。為了實(shí)現(xiàn)單芯片的三軸加速度傳感器，已有的三軸加速度計(jì)技術(shù)方案利用一個(gè)慣性敏感質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)三軸加速度測(cè)量，這種方案的不足是三個(gè)軸向的加速度檢測(cè)將產(chǎn)生較大的偏軸靈敏度，同時(shí)不同軸向的靈敏度差異較大。實(shí)現(xiàn)三軸向的靈敏度基本相同、偏軸靈敏度小、三軸正交性好的三軸加速度傳感器將是三軸加速度計(jì)的發(fā)展方向。電容式加速度傳感器一般包括平板敏感電容和變間隙梳齒敏感電容，這些技術(shù)方案利用電容極板間距的變化來(lái)感測(cè)加速度信號(hào)。為了增大檢測(cè)靈敏度往往需要很小的電容極板間隙(如數(shù)微米)，電容極板運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓膜阻尼很強(qiáng)，導(dǎo)致MEMS加速度計(jì)由于空氣阻尼產(chǎn)生的熱機(jī)械噪聲較高，嚴(yán)重影響檢測(cè)精度，因此需要真空封裝才能降低熱機(jī)械噪聲，增加封裝難度和成本。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述情況，本發(fā)明提出了一種能夠采用集成制造的單芯片MEMS三軸加速度計(jì)，其由三個(gè)獨(dú)立的MEMS加速度傳感元件組成，并且采用變面積型梳齒敏感電容檢測(cè)方法，從而可以實(shí)現(xiàn)三軸向的靈敏度一致、低偏軸靈敏度、三軸正交性好的三軸加速度傳感器。并且，本發(fā)明還提出了制造上述單芯片MEMS三軸加速度計(jì)的方法。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種MEMS三軸加速度計(jì)，其包括敏感器件層、上蓋板層和下支撐體層；敏感器件層與上蓋板層、下支撐體層之間有間隙；其中敏感器件層包括支撐框體、彈性梁、三個(gè)獨(dú)立的敏感質(zhì)量塊、可動(dòng)梳齒、固定梳齒以及電極，并且敏感器件層中的三個(gè)獨(dú)立的敏感質(zhì)量塊分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸加速度信號(hào)的檢測(cè)；X、Y、Z三軸的每個(gè)方向的加速度傳感器由相應(yīng)的一個(gè)敏感質(zhì)量塊通過(guò)僅對(duì)檢測(cè)方向敏感的彈性梁懸掛于支撐框體之間，每個(gè)敏感質(zhì)量塊上利用體硅加工工藝制作了多對(duì)可動(dòng)梳齒，支撐框體相應(yīng)地制作多對(duì)固定梳齒，以構(gòu)成一對(duì)差分電容作為敏感電容；從而不同方向的差分梳齒電容對(duì)該方向的加速度信號(hào)的響應(yīng)產(chǎn)生差分電容變化，通過(guò)差分電容的檢測(cè)得到X、Y、Z三軸加速度信號(hào)。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度計(jì)中，X、Y、Z三軸的每個(gè)方向的加速度傳感器彼此獨(dú)立，均采用雙端固支彈性梁連接支撐框體與敏感質(zhì)量塊，通過(guò)雙端固支彈性梁的參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)僅對(duì)檢測(cè)方向敏感。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度計(jì)中，X、Y軸加速度傳感器在敏感質(zhì)量塊的相對(duì)的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)偶數(shù)根梁，Z軸加速度傳感器在敏感質(zhì)量塊的四周對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)偶數(shù)根梁。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度計(jì)中，可動(dòng)梳齒結(jié)構(gòu)與固定梳齒結(jié)構(gòu)錯(cuò)位平行放置，且每個(gè)靜齒均位于兩個(gè)動(dòng)齒的中間位置，形成等間距的梳齒，可動(dòng)梳齒與固定梳齒之間的電容構(gòu)成敏感梳齒電容，可動(dòng)梳齒與固定梳齒之間的交疊面積隨敏感方向的加速度信號(hào) 的線性變化。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度計(jì)中，敏感水平方向加速度信號(hào)的X軸與Y軸加速度傳感器具有相同結(jié)構(gòu)，其彈性梁的方向彼此垂直，X軸或Y軸加速度傳感器在其敏感質(zhì)量塊的兩側(cè)的兩個(gè)梳齒電容初始值相同，在其敏感方向的加速度信號(hào)的作用下，X軸和Y軸加速度傳感器的的梳齒電容中的一個(gè)電容增大、另一個(gè)電容減小，以構(gòu)成一對(duì)差分電容。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度計(jì)中，X軸、Y軸和Z軸加速度傳感器的的梳齒電容之間的電容差值與加速度信號(hào)成線性關(guān)系。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度計(jì)中，敏感垂直方向加速度信號(hào)的Z軸在其敏感質(zhì)量塊的四周的動(dòng)梳齒與支撐框體上對(duì)應(yīng)制作的固定梳齒構(gòu)成敏感梳齒電容。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度計(jì)中，下支撐體和上蓋板的材料可以是硅或玻璃中的一種，支撐框體、彈性梁、敏感質(zhì)量塊、梳齒的材料為硅材料。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度計(jì)中，彈性梁在檢測(cè)方向上容易變形，在其它方向剛度較大。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種MEMS三軸加速度計(jì)制造方法，其包括對(duì)SOI片進(jìn)行雙面熱氧化、光刻、腐蝕阻尼腔；去除氧化層，光刻，并深刻蝕去除可動(dòng)結(jié)構(gòu)下對(duì)應(yīng)部分的SOI襯底硅；清洗以去除刻蝕產(chǎn)生的側(cè)壁殘?jiān)蟾g可動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的窗口處的埋氧層；將具有膜結(jié)構(gòu)的SOI片與未做圖形的玻璃片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，以形成SOI-玻璃鍵合片；對(duì)SOI-玻璃鍵合片進(jìn)行金屬濺射以制作金屬電極；生長(zhǎng)氧化層、光刻、刻蝕氧化層，并制作待釋放的梁及梳齒圖形的掩膜；釋放梁、質(zhì)量塊與梳齒結(jié)構(gòu)；雙拋硅片雙面熱氧化，光刻，腐蝕保護(hù)腔體和電極通孔；將SOI-玻璃鍵合片與硅蓋板進(jìn)行鍵合；釋放電極通孔；劃片。本發(fā)明提出的MEMS三軸加速度計(jì)及其制造方法至少可以解決如下技術(shù)問(wèn)題中的一種或多種(I)可解決降低熱機(jī)械噪聲與提高靈敏度之間的矛盾；(2)可解決真空封裝的困難與成本問(wèn)題；(3)可解決采用單軸加速度計(jì)組合封裝實(shí)現(xiàn)三軸或多軸測(cè)量的軸向正交性低的不足；(4)可解決變間距電容型加速度計(jì)的靈敏度非線性的問(wèn)題。本發(fā)明利用MEMS工藝的優(yōu)勢(shì)，在同一芯片內(nèi)同時(shí)制作三軸獨(dú)立檢測(cè)的加速度傳感器，不僅解決了三軸正交性問(wèn)題，而且具有較高的靈敏度和分辨率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低偏軸靈敏度。并且，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比至少具有如下優(yōu)勢(shì)
(I)采用三個(gè)獨(dú)立的敏感質(zhì)量塊對(duì)三軸加速度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，避免了不同軸向運(yùn)動(dòng)的耦合；而且通過(guò)差分梳齒電容的分別檢測(cè)得到X、Y、Z三軸加速度信號(hào)，具有靈敏度高，熱機(jī)械噪聲低、三軸正交、無(wú)交叉敏感、可集成批量制造等優(yōu)點(diǎn)。(2)利用MEMS體硅加工工藝的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)單芯片三軸加速度測(cè)量，解決了組裝加速度計(jì)的組合封裝弓IA的三軸向角度垂直性差的問(wèn)題。(3)大厚度的敏感質(zhì)量塊與多對(duì)垂直梳齒可有效提高器件的檢測(cè)靈敏度、降低熱機(jī)械噪聲，無(wú)需真空封裝，減低了成本。(4)利用梳齒電容檢測(cè)的方法解決了提高傳感器靈敏度與降低低熱機(jī)械噪聲之間的矛盾，提高了傳感器的綜合性能。(5)變面積型的電容檢測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)待測(cè)量加速度信號(hào)與輸出量之間嚴(yán)格的線性關(guān)系，不需要閉環(huán)反饋與檢測(cè)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。


結(jié)合附圖，并通過(guò)參考下面的詳細(xì)描述，將會(huì)更容易地對(duì)本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點(diǎn)和特征，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS三軸加速度計(jì)的剖視圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于MEMS加工技術(shù)的單芯片變面積型梳齒MEMS三軸加速度計(jì)的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS三軸加速度計(jì)的制作工藝流程圖。需要說(shuō)明的是，附圖用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類(lèi)似的元件標(biāo)有相同或者類(lèi)似的標(biāo)號(hào)。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述。圖I是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS三軸加速度計(jì)的剖視圖。并且，圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于MEMS加工技術(shù)的單芯片變面積型梳齒MEMS三軸加速度計(jì)的平面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于大敏感質(zhì)量塊的單芯片變面積型差分梳齒結(jié)構(gòu)MEMS三軸加速度計(jì)包括敏感器件層、上蓋板層和下支撐體層。并且，如圖2所示，其中上方的加速度傳感器為X軸加速度傳感器部分，下方左側(cè)的加速度傳感器為Y軸加速度傳感器部分，并且下方右側(cè)的加速度傳感器為Z軸加速度傳感器部分?？蛇x地，在另一個(gè)實(shí)施例中，上方的加速度傳感器也可以為Y軸加速度傳感器部分，這樣，下方左側(cè)的加速度傳感器為X軸加速度傳感器部分。具體地說(shuō)，其中，對(duì)于X軸加速度傳感器、Y軸加速度傳感器、Z軸加速度傳感器中的每一個(gè)，敏感器件層包括支撐框體I、彈性梁2、敏感質(zhì)量塊3、可動(dòng)梳齒4、固定梳齒5以及電極6。敏感器件層與下支撐體7之間有間隙8。下支撐體層主要起支撐作用。上蓋板9制作有保護(hù)腔體10和電極通孔11，可以保護(hù)梳齒結(jié)構(gòu)。更具體地說(shuō)，變面積型梳齒三軸加速度計(jì)結(jié)構(gòu)包括外部支撐框架I、三個(gè)中心對(duì)稱(chēng)的敏感質(zhì)量塊3、與支撐框架I和敏感質(zhì)量塊3相連的雙端固支直梁2、可動(dòng)梳齒4、固定梳齒5和電極6 ;雙端固支梁2的一端連接在敏感質(zhì)量塊的邊緣，另一端連接到與其垂直的外部支撐框架I上。質(zhì)量塊四周制作了多個(gè)可動(dòng)垂直梳齒4，采用SOI (Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅)片中的底層硅材料；敏感質(zhì)量塊3的背面刻蝕有腔體，形成質(zhì)量塊與下蓋板之間的間隙8 ;固定支撐框架I邊緣制作了多個(gè)固定垂直梳齒5 ;可動(dòng)梳齒4與固定梳齒5交錯(cuò)平行排列，且每個(gè)可動(dòng)梳齒4都在相鄰兩個(gè)固定梳齒5的中間位置；下支撐體7采用玻璃材料，與敏感元件層的固定框架I之間用陽(yáng)極鍵合工藝進(jìn)行連接。上蓋板9的背面刻蝕有保護(hù)腔體10和電極通孔11，用于保護(hù)器件 結(jié)構(gòu)和引出電極。如圖I所示，優(yōu)選地，為實(shí)現(xiàn)彈性梁僅對(duì)檢測(cè)方向敏感，X、Y軸加速度傳感器在敏感質(zhì)量塊的相對(duì)的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)偶數(shù)根梁，Z軸加速度傳感器在敏感質(zhì)量塊的四周對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)偶數(shù)根梁，彈性梁的參數(shù)設(shè)計(jì)保證在檢測(cè)方向上容易變形，在其它方向剛度較大。對(duì)于X軸加速度傳感器、Y軸加速度傳感器、Z軸加速度傳感器中的每一個(gè)，敏感器件層都可由硅材料制作，其中的敏感質(zhì)量塊3為矩形大厚度硅材料，通過(guò)對(duì)稱(chēng)的雙端固支梁2與固定支撐框架I相連。敏感質(zhì)量塊3的周邊對(duì)稱(chēng)分布多個(gè)可動(dòng)梳齒4，可動(dòng)梳齒4與敏感質(zhì)量塊3側(cè)邊垂直。固定梳齒5與支撐框體I相連,且可動(dòng)梳齒4與固定梳齒5交錯(cuò)平行放置，且每個(gè)固定梳齒5均位于兩個(gè)可動(dòng)梳齒4中間位置,形成梳齒電容結(jié)構(gòu),梳齒之間的間距相等。敏感質(zhì)量塊3的下方刻有凹槽8，可以控制運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù)并防止敏感質(zhì)量塊3與下支撐體7粘連。支撐框體I與下支撐體7通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝連接。在本具體實(shí)施例中，單芯片的三個(gè)方向的加速度傳感器優(yōu)選地是彼此獨(dú)立，三者的MEMS結(jié)構(gòu)類(lèi)似，均采用雙端固支彈性梁連接支撐框體與敏感質(zhì)量塊，但通過(guò)雙端固支彈性梁的參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)僅對(duì)檢測(cè)方向敏感，并通過(guò)參數(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的加速度傳感器的敏感特性接近一致。優(yōu)選地，為實(shí)現(xiàn)彈性梁僅對(duì)檢測(cè)方向敏感，X、Y軸加速度傳感器在敏感質(zhì)量塊的相對(duì)的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)偶數(shù)根梁，Z軸加速度傳感器在敏感質(zhì)量塊的四周對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)偶數(shù)根梁，彈性梁的參數(shù)設(shè)計(jì)保證在檢測(cè)方向上容易變形，在其它方向剛度較大。優(yōu)選地，Z軸加速度傳感器的8根(在其它實(shí)施例中，也可以是其它數(shù)量的根數(shù))彈性梁的尺寸完全一致，可以保證水平面內(nèi)的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)受到有效抑制；進(jìn)一步優(yōu)選地，敏感垂直方向加速度信號(hào)的Z軸在其敏感質(zhì)量塊的四周的動(dòng)梳齒與支撐框體上對(duì)應(yīng)制作的固定梳齒構(gòu)成敏感梳齒電容。優(yōu)選地，敏感水平方向加速度信號(hào)的X軸與Y軸加速度傳感器具有相同結(jié)構(gòu)，其彈性梁的方向彼此垂直，X(或Y)軸加速度傳感器在其敏感質(zhì)量塊的兩側(cè)的兩個(gè)梳齒電容初始值相同，在其敏感方向的加速度信號(hào)的作用下一個(gè)電容增大，一個(gè)電容減小，構(gòu)成一對(duì)差分電容，其電容差值與加速度信號(hào)成線性關(guān)系。同樣地，優(yōu)選地，對(duì)于Z軸,加速度傳感器的差分電容與加速度信號(hào)之間也是線性變化關(guān)系。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，可在敏感質(zhì)量塊的四周對(duì)稱(chēng)分布多個(gè)可動(dòng)梳齒結(jié)構(gòu)，梳齒與質(zhì)量塊側(cè)邊垂直，利用體硅刻蝕工藝制作。并且，可動(dòng)梳齒結(jié)構(gòu)與固定梳齒結(jié)構(gòu)錯(cuò)位平行放置，且每個(gè)靜齒均位于兩個(gè)動(dòng)齒的中間位置，形成等間距的梳齒，可動(dòng)梳齒與固定梳齒之間的電容構(gòu)成敏感梳齒電容，可動(dòng)梳齒與固定梳齒之間的交疊面積隨敏感方向的加速度信號(hào)的線性變化。進(jìn)一步優(yōu)選地，梳齒與彈性梁的厚度一致，敏感質(zhì)量塊與梳齒、彈性梁的厚度可以相同，也可以不同。當(dāng)敏感質(zhì)量塊與梳齒、彈性梁的厚度設(shè)計(jì)為不同時(shí)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)大厚度的敏感質(zhì)量塊與高垂直度、小間距的梳齒結(jié)構(gòu)，提高傳感器的靈敏度。下支撐體層的可以是玻璃材料，也可以是硅材料。敏感器件層與下支撐體層通過(guò)鍵合技術(shù)連接構(gòu)成傳感器主體結(jié)構(gòu)，上蓋板9與傳感器主體結(jié)構(gòu)通過(guò)BCB鍵合方法連接。上蓋板的材料通常為易于加工的硅材料，也可以是其它材料如玻璃、陶瓷等，上蓋板可起到保護(hù)傳感器主體結(jié)構(gòu)及對(duì)Z向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限位、防止器件破壞的作用。其中，例如，下支撐體和上蓋板的材料可以是硅或玻璃中的一種，支撐框體、彈性梁、敏感質(zhì)量塊、梳齒的材料為硅材料。 由此，在本發(fā)明的該市實(shí)施例中，傳感器X/Y軸加速度傳感器的阻尼類(lèi)型為滑膜阻尼，包括質(zhì)量塊與玻璃襯底之間，動(dòng)齒與靜齒之間。用滑膜阻尼取代已有技術(shù)方案中的壓膜阻尼可大大減小運(yùn)動(dòng)阻尼力系數(shù)，降低熱機(jī)械噪聲。Z軸加速度傳感器的敏感質(zhì)量塊與玻璃襯底之間雖為壓膜阻尼，但由于敏感電容為質(zhì)量塊兩側(cè)的梳齒電容，與敏感質(zhì)量塊和下支撐體之間的間隙無(wú)關(guān)，故可以通過(guò)增大間隙來(lái)大幅減小運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù)，從而降低Z軸加速度傳感器的熱機(jī)械噪聲。采用大厚度的敏感質(zhì)量塊，也是降低加速度傳感器的熱機(jī)械噪聲的重要措施，本發(fā)明采用的芯片工藝流程將質(zhì)量塊與梳齒分別制作，避免了深反應(yīng)離子刻蝕(De印RIE)工藝深寬比的限制，實(shí)現(xiàn)了較大敏感質(zhì)量塊的制作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)梳齒結(jié)構(gòu)的良好釋放。降低熱機(jī)械噪聲，將可以提高加速度傳感器的分辨率和精度，同時(shí)使加速度傳感器適合應(yīng)用于低頻使用領(lǐng)域。本發(fā)明的實(shí)施例中使用SOI材料準(zhǔn)確控制敏感質(zhì)量塊及彈性梁、梳齒結(jié)構(gòu)的厚度，保證了傳感器的結(jié)構(gòu)的均勻一致性。本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)的變面積型梳齒電容加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，X、Y軸加速度傳感器工作過(guò)程中的阻尼為滑膜阻尼，空氣阻尼系數(shù)很小。Z軸加速度傳感器工作過(guò)程中的阻尼雖然仍為壓膜阻尼，但敏感質(zhì)量塊與下支撐體和上蓋板的間隙為數(shù)十至數(shù)百微米，空氣阻尼系數(shù)也很小。由于三軸加速度計(jì)每個(gè)軸向的阻尼都很小，即使采用大氣封裝仍可得到很低的熱機(jī)械噪聲。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS三軸微加速度傳感器可應(yīng)用于加速度、振動(dòng)的測(cè)量與監(jiān)測(cè)，并可應(yīng)用于基于加速度信號(hào)檢測(cè)的各種傳感器、儀表和系統(tǒng)中。本發(fā)明的實(shí)施例涉及的變面積型梳齒三軸加速度計(jì)制作方法參考圖3所示的工藝流程圖進(jìn)行說(shuō)明，具體的工藝實(shí)施方法如下如步驟a所示，首先對(duì)SOI片進(jìn)行雙面熱氧化、光刻、腐蝕阻尼腔。如步驟b所示，去除氧化層，光刻，并利用例如ICP (電感耦合等離子體)深刻蝕去除可動(dòng)結(jié)構(gòu)下對(duì)應(yīng)部分的SOI襯底硅。如步驟c所示，兆聲清洗，去除ICP刻蝕產(chǎn)生的側(cè)壁殘?jiān)?，例如利用BOE (HF酸的一種緩沖液)腐蝕可動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的窗口處的埋氧層。如步驟d所示，將具有膜結(jié)構(gòu)的SOI片與未做圖形的玻璃片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，以形成SOI-玻璃鍵合片。
如步驟e所示,SOI-玻璃(SOI-glass)鍵合片金屬派射，以制作金屬電極，例如Au電極。如步驟f所示，例如通過(guò)PECVD (等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)生長(zhǎng)總厚度例如為5000A的氧化層、光刻、RIE刻蝕氧化層；制作待釋放的梁及梳齒圖形的掩膜。ICP釋放梁、質(zhì)量塊與梳齒結(jié)構(gòu)。如步驟g所示，雙拋硅片雙面熱氧化、光刻、腐蝕保護(hù)腔體和電極通孔。如步驟如步驟h所示，SOI-玻璃鍵合片與硅蓋板進(jìn)行鍵合，例如BCB (苯并環(huán)丁烯)鍵合。如步驟i所示，例如通過(guò)ICP深刻蝕釋放電極通孔。如步驟j所示，劃片。 由此可以得到一個(gè)變面積型梳齒MEMS三軸加速度計(jì)，其在單芯片上的三個(gè)獨(dú)立的質(zhì)量塊分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸加速度信號(hào)的檢測(cè)，包括支撐框體、彈性梁、敏感質(zhì)量塊、多對(duì)梳齒式敏感電容、下支撐體、上蓋板和弓I線電極。每個(gè)方向的加速度傳感器由敏感質(zhì)量塊通過(guò)僅對(duì)檢測(cè)方向敏感的彈性梁懸掛于支撐框體之間，敏感質(zhì)量塊上利用體硅加工工藝制作了多對(duì)可動(dòng)梳齒，支撐框體對(duì)應(yīng)制作多對(duì)固定梳齒，構(gòu)成一對(duì)差分電容作為敏感電容，支撐框體通過(guò)鍵合技術(shù)與下支撐體、上蓋板連接，敏感質(zhì)量塊與上蓋板、下支撐體之間存在間隙。不同方向的差分梳齒電容對(duì)該方向的加速度信號(hào)的響應(yīng)產(chǎn)生差分電容變化，通過(guò)差分電容的檢測(cè)得到X、Y、Z三軸加速度信號(hào)。并且,本發(fā)明給出了采用基于SOI (SiIicon-On-Insulator,絕緣襯底上的娃)材料的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作方法，可實(shí)現(xiàn)大敏感質(zhì)量塊、較大的初始電容值，從而提高了檢測(cè)靈敏度、分辨率與檢測(cè)精度。此外，本發(fā)明中的梳齒電容采用等間距的對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，梳齒電容的動(dòng)齒與靜齒之間的靜電力自動(dòng)平衡抵消，避免了變間隙梳齒加速度計(jì)中梳齒易吸合的技術(shù)問(wèn)題。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)可以理解的是，雖然以上述流程中的各個(gè)步驟說(shuō)明了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不排除除了上述步驟之外其它步驟的存在。本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)可以理解的是，可在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以在所描述的步驟中加入其它步驟以形成其它結(jié)構(gòu)或者實(shí)現(xiàn)其它目的?？梢岳斫獾氖?，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而上述實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。對(duì)于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種MEMS三軸加速度計(jì)，其特征在于包括敏感器件層、上蓋板層和下支撐體層；敏感器件層與上蓋板層、下支撐體層之間有間隙；其中敏感器件層包括支撐框體、彈性梁、三個(gè)獨(dú)立的敏感質(zhì)量塊、可動(dòng)梳齒、固定梳齒以及電極，并且敏感器件層中的三個(gè)獨(dú)立的敏感質(zhì)量塊分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸加速度信號(hào)的檢測(cè)；X、Y、Z三軸的每個(gè)方向的加速度傳感器由相應(yīng)的一個(gè)敏感質(zhì)量塊通過(guò)僅對(duì)檢測(cè)方向敏感的彈性梁懸掛于支撐框體之間，每個(gè)敏感質(zhì)量塊上利用體硅加工工藝制作了多對(duì)可動(dòng)梳齒，支撐框體相應(yīng)地制作多對(duì)固定梳齒，以構(gòu)成一對(duì)差分電容作為敏感電容；從而不同方向的差分梳齒電容對(duì)該方向的加速度信號(hào)的響應(yīng)產(chǎn)生差分電容變化，通過(guò)差分電容的檢測(cè)得到X、Y、Z三軸加速度信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的MEMS三軸加速度計(jì)，其特征在于，X、Y、Z三軸的每個(gè)方向的加速度傳感器彼此獨(dú)立，均采用雙端固支彈性梁連接支撐框體與敏感質(zhì)量塊，通過(guò)雙端固支彈性梁的參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)僅對(duì)檢測(cè)方向敏感。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的MEMS三軸加速度計(jì)，其特征在于，X、Y軸加速度傳感器在敏感質(zhì)量塊的相對(duì)的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)偶數(shù)根梁，Z軸加速度傳感器在敏感質(zhì)量塊的四周對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)偶數(shù)根梁。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的MEMS三軸加速度計(jì)，其特征在于，可動(dòng)梳齒結(jié)構(gòu)與固定梳齒結(jié)構(gòu)錯(cuò)位平行放置，且每個(gè)靜齒均位于兩個(gè)動(dòng)齒的中間位置，形成等間距的梳齒，可動(dòng)梳齒與固定梳齒之間的電容構(gòu)成敏感梳齒電容，可動(dòng)梳齒與固定梳齒之間的交疊面積隨敏感方向的加速度信號(hào)線性變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的MEMS三軸加速度計(jì)，其特征在于，敏感水平方向加速度信號(hào)的X軸與Y軸加速度傳感器具有相同結(jié)構(gòu)，其彈性梁的方向彼此垂直，X軸或Y軸加速度傳感器在其敏感質(zhì)量塊的兩側(cè)的兩個(gè)梳齒電容初始值相同，在其敏感方向的加速度信號(hào)的作用下，X軸和Y軸加速度傳感器的的梳齒電容中的一個(gè)電容增大、另一個(gè)電容減小，以構(gòu)成一對(duì)差分電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的MEMS三軸加速度計(jì)，其特征在于，X軸、Y軸和Z軸加速度傳感器的的梳齒電容之間的電容差值與加速度信號(hào)成線性關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的MEMS三軸加速度計(jì)，其特征在于，敏感垂直方向加速度信號(hào)的Z軸在其敏感質(zhì)量塊的四周的可動(dòng)梳齒與支撐框體上對(duì)應(yīng)制作的固定梳齒構(gòu)成敏感梳齒電容。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的MEMS三軸加速度計(jì)，其特征在于，下支撐體和上蓋板的材料可以是硅或玻璃中的一種，支撐框體、彈性梁、敏感質(zhì)量塊、梳齒的材料為硅材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的MEMS三軸加速度計(jì)，其特征在于，彈性梁在檢測(cè)方向上容易變形，在其它方向剛度較大。
10.一種MEMS三軸加速度計(jì)制造方法，其特征在于包括 對(duì)SOI片進(jìn)行雙面熱氧化、光刻、腐蝕阻尼腔； 去除氧化層，光刻，并深刻蝕去除可動(dòng)結(jié)構(gòu)下對(duì)應(yīng)部分的SOI襯底硅； 清洗以去除刻蝕產(chǎn)生的側(cè)壁殘?jiān)蟾g可動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的窗口處的埋氧層； 將具有膜結(jié)構(gòu)的SOI片與未做圖形的玻璃片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，以形成SOI-玻璃鍵合片； 對(duì)SOI-玻璃鍵合片進(jìn)行金屬濺射以制作金屬電極； 生長(zhǎng)氧化層、光刻、刻蝕氧化層，并制作待釋放的梁及梳齒圖形的掩膜；釋放梁、質(zhì)量塊與梳齒結(jié)構(gòu)；雙拋硅片雙面熱氧化，光刻，腐蝕保護(hù)腔體和電極通孔；將SOI-玻璃鍵合片與硅蓋板進(jìn)行鍵合； 釋放電極通孔；劃片。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種MEMS三軸加速度計(jì)及其制造方法。MEMS三軸加速度計(jì)包括敏感器件層、上蓋板層和下支撐體層；敏感器件層與上蓋板層、下支撐體層之間有間隙；敏感器件層包括支撐框體、彈性梁、三個(gè)獨(dú)立的敏感質(zhì)量塊、可動(dòng)梳齒、固定梳齒以及電極，敏感器件層中的三個(gè)獨(dú)立的敏感質(zhì)量塊分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸加速度信號(hào)的檢測(cè)；每個(gè)方向的加速度傳感器由相應(yīng)的一個(gè)敏感質(zhì)量塊通過(guò)僅對(duì)檢測(cè)方向敏感的彈性梁懸掛于支撐框體之間，每個(gè)敏感質(zhì)量塊上利用體硅加工工藝制作了多對(duì)可動(dòng)梳齒，支撐框體相應(yīng)地制作多對(duì)固定梳齒，以構(gòu)成一對(duì)差分電容作為敏感電容；不同方向的差分梳齒電容對(duì)該方向的加速度信號(hào)的響應(yīng)產(chǎn)生差分電容變化。
文檔編號(hào)G01P15/18GK102798734SQ20111013764
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者吳亞明, 楊丹瓊, 徐靜, 鐘少龍 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