本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地說涉及一種雙差分的全硅結(jié)構(gòu)的微加速度計及其制造方法。

背景技術(shù)：

采用電容檢測的硅微加速度計由于其工藝加工成熟、測量精度高，在民用市場和軍用市場上都得到了廣泛的應(yīng)用。然而，這些微加速度計都容易受到外界環(huán)境的干擾，而產(chǎn)生零位漂移或者是溫度漂移，從而限制了其在高精度慣性測量領(lǐng)域的應(yīng)用。

國家知識產(chǎn)權(quán)局于2010年7月28日，公開了一件公開號為CN101786593A的發(fā)明專利，該發(fā)明專利公開了一種差分式高精度加速度計的加工方法。加速度計包括自上而下依次連接的電極蓋板、梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的可動硅結(jié)構(gòu)組件、下電極蓋板。該方法包括：采用玻璃片或單晶硅圓片作為基片，加工所述上電極板和下電極板；以雙器件層SOI單晶硅圓片作為基片，加工所述梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的可動硅結(jié)構(gòu)組件；將基片加工的上、下電極板與所述可動硅結(jié)構(gòu)組件基于鍵合方式連接。該發(fā)明采用一片硅圓片即完成了可動硅結(jié)構(gòu)組件的加工，避免了通常采用的高溫硅-硅鍵合工藝制備可動硅結(jié)構(gòu)組件，降低了工藝難度，降低了最高工藝溫度，消除了硅-硅鍵合引入的鍵合應(yīng)力問題。并且，梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)具有通用性。

然而在實際的使用過程中，這種單差分檢測式的微加速度計都會受到外界環(huán)境的干擾（封裝應(yīng)力、熱應(yīng)力等），然后通過基底將應(yīng)力傳導(dǎo)到微機(jī)電芯片上，使得微結(jié)構(gòu)發(fā)生形變。例如，當(dāng)外界溫度升高時，由于基底材料和微機(jī)電芯片的熱膨脹系數(shù)不匹配，梁-敏感質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)都會在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生一定量的偏移。這種偏移是無法被傳統(tǒng)電容式微加速度計的單差分檢測方法（ΔC=C1-C2）所抑制，從而帶來微加速度計的零位漂移或者是溫度漂移，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的性能下降。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種雙差分的全硅結(jié)構(gòu)的微加速度計及其制造方法。本發(fā)明提供的微加速度傳感器，首先通過基底耦合的方式，使4個類似的斜梁-敏感質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境的作用下都發(fā)生基本一致的形變；然后通過雙差分的檢測方法a=k(ΔCa-ΔCb)，將外界環(huán)境造成的擾動抑制掉，從而提高了器件的長期穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種雙差分的全硅結(jié)構(gòu)微加速度計，其特征在于：包括上層硅蓋板、中間敏感硅結(jié)構(gòu)層和下層SOI硅片蓋板；所述上層硅蓋板、中間敏感硅結(jié)構(gòu)層和下層SOI硅片蓋板均是采用各項異性濕法腐蝕工藝制備，并通過硅-硅鍵合形成一個封閉的、呈中心對稱的整體結(jié)構(gòu)；所述中間敏感硅結(jié)構(gòu)層包括四個按特定方位分布、正交擺放的敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)；所述敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)與上下極板構(gòu)成一組差分檢測電容；所述四組差分檢測電容通過一塊硅基底耦合在一起，從而實現(xiàn)在外界環(huán)境擾動時發(fā)生基本一致的形變；所述每兩組差分檢測電容再通過金屬引線連接在一起，通過第二次的差分計算來對一個方位的加速度進(jìn)行檢測，并同時抑制掉了外界環(huán)境的干擾；四組差分檢測電容可對面內(nèi)兩個正交方向x軸和y軸的加速度進(jìn)行測量。

所述敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)的敏感質(zhì)量塊是由一根單斜懸臂梁支撐的，所述四個敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)的斜懸臂梁呈鏡像關(guān)系。

所述斜懸臂梁的截面為平行四邊形，上下表面由單晶硅100晶面構(gòu)成，兩側(cè)表面由單晶硅111晶面構(gòu)成。

所述斜懸臂梁的敏感軸方向與硅片平面存在一定的夾角，因此每一個質(zhì)量塊同時對兩個正交軸的加速度敏感。

所述夾角為35.3o。

所述下層SOI硅片蓋板由兩層硅基底和中間SiO₂埋層構(gòu)成；所述上層硅基底由深腐蝕的溝槽隔絕成四塊獨立電極結(jié)構(gòu)；所述下層硅基底完整的連接在一起，構(gòu)成一個平整的底部硅基底，從而實現(xiàn)了四組差分電容檢測結(jié)構(gòu)的基底耦合。

所述上層硅蓋板、中間敏感硅結(jié)構(gòu)層和下層SOI硅片蓋板上分別設(shè)置有引線鍵合焊盤，各層上都有四組形狀一致、對稱分布的引線焊盤區(qū)，焊盤的材料為金或鋁。所述引線鍵合焊盤區(qū)除了要實現(xiàn)常規(guī)的電極引出功能外，還要實現(xiàn)兩組差分檢測電容的再一次差分計算，具體而言：即差分電容a的上電極與差分電容b的下電極相連，a的下電極與b的上電極相連，a和b的中間電極相連，再把這三個電極分別引出。

所述上層硅蓋板和中間敏感硅結(jié)構(gòu)層均采用n型100低電阻單晶硅片制作，厚度為380μm；所述下層SOI硅片蓋板采用n型100低電阻的SOI硅片制作，由上下兩層硅基底和中間SiO₂埋層構(gòu)成，總厚度為380μm，上下硅基底層厚度相等。

所述中間敏感硅結(jié)構(gòu)層的正反兩面的外框上布置有SiO₂絕緣層；SiO₂絕緣層的厚度為2μm。所述熱氧化SiO₂絕緣層用于電學(xué)絕緣，并決定了檢測電容的初始距離值。

一種雙差分的全硅結(jié)構(gòu)的微加速度計的制造方法，其特征在于：包括以下步驟：

A．選用厚度為380μm的n型100低電阻雙面拋光的單晶硅片，先生長一層介質(zhì)掩膜層（氧化硅或氮化硅），然后通過雙面光刻技術(shù)和單晶硅的各項異性濕法腐蝕工藝加工出四個完全一致的上電極；

B．再次選用與步驟A一樣的單晶硅片，正反雙面同時熱氧化2μm厚的SiO₂并通過光刻和腐蝕工藝加工出SiO₂絕緣層，然后沉積一層氮化硅掩膜層，最后通過雙面光刻技術(shù)和各項異性濕法腐蝕工藝加工出形狀類似、正交擺放的四組敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)；

C．選用n型100低電阻的SOI硅片，其Si/ SiO₂/Si為 190/0.5/190μm，然后與步驟A一樣，通過各項異性濕法腐蝕工藝，在上表面加工出四個形狀一致的下電極，下表面加工成一個完整的底部硅基底；

D．將加工好的三層硅片，通過高溫硅-硅熔融鍵合的方式鍵合在一起；

E．采用硬掩膜的方法，在引線鍵合焊盤區(qū)上濺射一層金屬焊盤；

F．完成晶圓切割、芯片貼片、引線鍵合和封帽等封裝工藝，實現(xiàn)與檢測電路的集成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所帶來的有益的技術(shù)效果表現(xiàn)在：

1、通過四組特殊擺放的敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)和基底耦合技術(shù)，實現(xiàn)了對面內(nèi)x軸和y軸加速度的雙差分檢測，與傳統(tǒng)的單差分電容式檢測方法相比，可以通過再一次的差分屏蔽掉外界環(huán)境的干擾，比如外部擾動、封裝應(yīng)力或熱應(yīng)力等引起敏感微結(jié)構(gòu)發(fā)生的輕微形變，從而提高了器件的長期穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。

2、敏感質(zhì)量塊采用單端固定的斜懸臂梁結(jié)構(gòu)來支撐，使得每一個質(zhì)量塊同時對兩個正交軸的加速度敏感；同時單端固支的連接方式可以降低彈性梁的剛度，避免由于殘余應(yīng)力造成的梁翹曲，并且可以通過結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化來避免運(yùn)動過程中的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象；

3、下層蓋板選用SOI硅片，使得四組差分電容檢測結(jié)構(gòu)通過一個完整的硅基底耦合在一起，在外部環(huán)境的作用下會發(fā)生基本一致的形變；并且保證了微機(jī)電芯片主體上仍是全硅結(jié)構(gòu)，避免了硅-玻璃結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)不同的問題，有助于提高器件的熱穩(wěn)定性；

4、微機(jī)電結(jié)構(gòu)全部采用硅的各向異性濕法腐蝕工藝制備，可以根據(jù)量程和精度的需求調(diào)整質(zhì)量塊的大小、懸臂梁的尺寸和電容的初始間隙值，拓寬了器件的使用范圍，并增大了設(shè)計的靈活性。

5、電容間隙采用熱氧化的方法制備，具有很高的面內(nèi)一致性和硅片雙面一致性，可以提高初始電容的精確性和產(chǎn)品的易生產(chǎn)性。

6、三層硅片采用高溫熔融鍵合的方式組裝在一起，高溫的過程可以釋放鍵合時的應(yīng)力并去除鍵合界面的污染物，可以提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

7、可以在本發(fā)明的面內(nèi)雙軸微加速度計旁邊，再添置一個傳統(tǒng)的單差分?jǐn)[式微加速度計；由于采用的是平面集成的方法，這種方式避免了三軸組裝時的組裝誤差，減小了傳感器的體積。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 為本發(fā)明的三層結(jié)構(gòu)拆分后的示意圖。

圖3 為本發(fā)明的中間敏感硅結(jié)構(gòu)層的俯視圖。

圖4 為本發(fā)明的中間敏感硅結(jié)構(gòu)層的示意圖。

圖5 為圖3中沿著A-A和B-B的剖面圖。

圖6 為本發(fā)明的上層硅蓋板的示意圖。

圖7 為本發(fā)明的下層SOI硅片蓋板的示意圖。

圖8 為傳統(tǒng)的單差分式微加速度計在外界環(huán)境溫度升高時，微結(jié)構(gòu)發(fā)生形變的仿真示意圖。

圖9 為本發(fā)明的微加速度計在外界環(huán)境溫度升高時，微結(jié)構(gòu)發(fā)生形變的仿真示意圖。

附圖標(biāo)記：1、上層硅蓋板，11、上電極，12、上層引線鍵合焊盤區(qū)，2、中間敏感硅結(jié)構(gòu)層，21、敏感質(zhì)量塊， 22、斜懸臂梁，23、SiO₂絕緣層，24、外框，25、中間引線鍵合焊盤區(qū)，3、下層SOI硅片蓋板，31、下電極，32、底部硅基底，33、SiO₂埋層，34、下層引線鍵合焊盤區(qū)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

實施例1

作為本發(fā)明一較佳實施例，本實施例公開了：

一種雙差分的全硅結(jié)構(gòu)微加速度計，包括上層硅蓋板1、中間敏感硅結(jié)構(gòu)層2和下層SOI硅片蓋板3；所述上層硅蓋板1、中間敏感硅結(jié)構(gòu)層2和下層SOI硅片蓋板3均是采用各項異性濕法腐蝕工藝制備，并通過硅-硅鍵合形成一個封閉的、呈中心對稱的整體結(jié)構(gòu)；所述中間敏感硅結(jié)構(gòu)層2包括四個按特定方位分布、正交擺放的敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)；所述敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)與上下極板構(gòu)成一組差分檢測電容；四組差分檢測電容通過一塊硅基底耦合在一起；每兩組差分檢測電容通過金屬引線連接在一起。

實施例2

作為本發(fā)明又一較佳實施例，參照說明書附圖1-9，本實施例公開了：

一種雙差分的全硅結(jié)構(gòu)微加速度計，包括上層硅蓋板1、中間敏感硅結(jié)構(gòu)層2和下層SOI硅片蓋板3；所述上層硅蓋板1、中間敏感硅結(jié)構(gòu)層2和下層SOI硅片蓋板3均是采用各項異性濕法腐蝕工藝制備，并通過硅-硅鍵合形成一個封閉的、呈中心對稱的整體結(jié)構(gòu)；所述中間敏感硅結(jié)構(gòu)層2包括四個按特定方位分布、正交擺放的敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)；所述敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)與上下極板構(gòu)成一組差分檢測電容；四組差分檢測電容通過一塊硅基底耦合在一起；每兩組差分檢測電容通過金屬引線連接在一起；

所述敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)的敏感質(zhì)量塊21是由一根單斜懸臂梁22支撐的，所述四個敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)的斜懸臂梁22呈鏡像關(guān)系；所述斜懸臂梁22的截面為平行四邊形，上下表面由單晶硅100晶面構(gòu)成，兩側(cè)表面由單晶硅111晶面構(gòu)成。

所述斜懸臂梁22的敏感軸方向與硅片平面存在一定的夾角；所述夾角為35.3o。

實施例3

作為本發(fā)明又一較佳實施例，參照說明書附圖1-9，本實施例公開了：

一種雙差分的全硅結(jié)構(gòu)微加速度計，包括上層硅蓋板1、中間敏感硅結(jié)構(gòu)層2和下層SOI硅片蓋板3；所述上層硅蓋板1、中間敏感硅結(jié)構(gòu)層2和下層SOI硅片蓋板3均是采用各項異性濕法腐蝕工藝制備，并通過硅-硅鍵合形成一個封閉的、呈中心對稱的整體結(jié)構(gòu)；所述中間敏感硅結(jié)構(gòu)層2包括四個按特定方位分布、正交擺放的敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)；所述敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)與上下極板構(gòu)成一組差分檢測電容；四組差分檢測電容通過一塊硅基底耦合在一起；每兩組差分檢測電容通過金屬引線連接在一起；

所述敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)的敏感質(zhì)量塊21是由一根單斜懸臂梁22支撐的，所述四個敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)的斜懸臂梁22呈鏡像關(guān)系；所述斜懸臂梁22的截面為平行四邊形，上下表面由單晶硅100晶面構(gòu)成，兩側(cè)表面由單晶硅111晶面構(gòu)成；

所述斜懸臂梁22的敏感軸方向與硅片平面存在一定的夾角；所述夾角為35.3o。

所述下層SOI硅片蓋板3由兩層硅基底和中間SiO₂埋層33構(gòu)成；所述上層硅基底由深腐蝕的溝槽隔絕成四塊獨立電極結(jié)構(gòu)；所述下層硅基底完整的連接在一起，構(gòu)成一個平整的底部硅基底32。

所述上層硅蓋板1、中間敏感硅結(jié)構(gòu)層2和下層SOI硅片蓋板3上分別設(shè)置有引線鍵合焊盤，各層上都有4組形狀一致、對稱分布的引線焊盤區(qū)，上層引線鍵合焊盤區(qū)12、中間引線鍵合焊盤區(qū)25和下層引線鍵合焊盤區(qū)34，焊盤的材料為金或鋁。

所述上層硅蓋板1和中間敏感硅結(jié)構(gòu)層2均采用n型100低電阻單晶硅片制作，厚度為380μm；所述下層SOI硅片蓋板3采用n型100低電阻的SOI硅片制作，由上下兩層硅基底和中間SiO₂埋層33構(gòu)成，總厚度為380μm，上下硅基底層厚度相等。

所述中間敏感硅結(jié)構(gòu)層的正反兩面的外框24上布置有SiO₂絕緣層23；SiO₂絕緣層23的厚度為2μm。

實施例4

作為本發(fā)明又一較佳實施例，本實施例公開了：

一種雙差分的全硅結(jié)構(gòu)的微加速度計的制造方法，包括以下步驟：

A．選用厚度為380μm的n型100低電阻雙面拋光的單晶硅片，先生長一層介質(zhì)掩膜層（氧化硅或氮化硅），然后通過雙面光刻技術(shù)和單晶硅的各項異性濕法腐蝕工藝加工出四個完全一致的上電極11；

B．再次選用與步驟A一樣的單晶硅片，正反雙面同時熱氧化2μm厚的SiO₂并通過光刻和腐蝕工藝加工出SiO₂絕緣層，然后沉積一層氮化硅掩膜層，最后通過雙面光刻技術(shù)和各項異性濕法腐蝕工藝加工出形狀類似、正交擺放的四組敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)；

C．選用n型100低電阻的SOI硅片（Si/ SiO₂/Si: 190/0.5/190μm），然后與步驟A一樣，通過各項異性濕法腐蝕工藝，在上表面加工出四個形狀一致的下電極31，下表面加工成一個完整的底部硅基底；

D．將加工好的三層硅片，通過高溫硅-硅熔融鍵合的方式鍵合在一起；

E．采用硬掩膜的方法，在引線鍵合焊盤區(qū)12、25、34上濺射一層金屬焊盤；

F．完成晶圓切割、芯片貼片、引線鍵合和封帽等封裝工藝，實現(xiàn)與檢測電路的集成。

本發(fā)現(xiàn)采用敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加速度檢測。由于其支撐懸臂不同于傳統(tǒng)的懸臂結(jié)構(gòu)，而是相當(dāng)于硅片表面旋轉(zhuǎn)了54.7°，所以每一對敏感質(zhì)量塊-斜懸臂梁結(jié)構(gòu)同時對兩個檢測軸的加速度敏感。如圖4所示，敏感結(jié)構(gòu)a的差分檢測電容值ΔCa=Ca上-Ca下=-k1ay+k2az，敏感結(jié)構(gòu)b的差分檢測電容值ΔCb=Cb上-Cb下=k1ay+k2az。通過ΔCa-ΔCb=Ca上+Cb下-Ca下-Cb上=-2k1ay進(jìn)行檢測電容的第二次差分，即可推算出y軸方向的加速度ay。x軸方向加速度的檢測與此類似。

如圖9所示，本發(fā)明的微加速度計在外界環(huán)境溫度升高時，由于材料熱膨脹系數(shù)的不同，其敏感微結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定形狀的翹曲。三層硅結(jié)構(gòu)的上下蓋板都會發(fā)生下凹的變形，且變化尺寸差距不大；最關(guān)鍵的是，四個斜梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)都發(fā)生了較大幅度的下傾，且下傾幅度相當(dāng)。通過本發(fā)明的微加速度計的第二輪差分計算（ay正比于ΔCa-ΔCb），可以把這種外界環(huán)境變化所帶來的形變抵消掉，因而提高整體器件的溫度穩(wěn)定性。

本發(fā)明的基于全硅結(jié)構(gòu)的微加速度傳感器，通過基底耦合和雙差分的方法進(jìn)行精密的電容檢測，具有溫度特性好、抗外界環(huán)境干擾能力強(qiáng)、測量精度高、加工工藝成熟、組裝方法簡單的優(yōu)點；而且，通過適當(dāng)?shù)脑黾右唤M傳統(tǒng)的單差分?jǐn)[式微加速度計，即可構(gòu)成用于三軸檢測的高精度微加速度計組，在軍用和民用市場上都有著廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明絕非僅局限于實施例，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出的各種變化均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。