本發(fā)明屬于微電子機械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微慣性傳感器，具體涉及一種基于熱對流原理的微機械加速度傳感器的設(shè)計及其制作方法。

背景技術(shù)：

近年來微機械加速度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，市場也越來越大，隨著微機械加工技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多高性能的微機械加速度傳感器被研制出來。微機械加速度傳感器按照原理不同可分為電容式、壓阻式、壓電式、隧道電流式、熱對流式、諧振式等多種類型，其中電容式加速度傳感器由于具有靈敏度高，穩(wěn)定性好，溫度系數(shù)小等優(yōu)點，因此基于電容檢測的加速度傳感器是目前研制最多的一類傳感器。但是由于該類型的加速度傳感器需要大量的梳齒結(jié)構(gòu)，梳齒間的間距也很小，如果施加的加速度較大，或者極板間落入顆粒的話將會導(dǎo)致粘連失效甚至損壞，因此在測量較大加速度或在一些特殊的環(huán)境中不適用。

壓阻式加速度傳感器利用了半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，外界的加速度信號會改變力敏電阻的電阻率，從而通過外界電路即可檢測出該信號。壓阻式加速度傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高，但是該類型加速度傳感器溫度漂移較大，使用溫度受到限制。壓電式、隧道電流式、諧振式等都應(yīng)用相對較少。熱對流式加速度傳感器對比以上各類型的微慣性傳感器有較大的優(yōu)勢。熱對流式加速度傳感器沒有實體的質(zhì)量塊，而是通過加熱空氣形成可以移動的小熱氣團作為虛擬的敏感質(zhì)量塊，然后通過測量由加速度引起的溫度場的變化來測量加速度，因此它不會受到實體質(zhì)量塊的限制，體積可以做到更小，而且它可以用硅表面工藝來進行加工，結(jié)構(gòu)簡單工藝成熟，良品率可達90%以上；并且由于沒有實體質(zhì)量塊，熱對流式微機械加速度傳感器可抵抗超過50000g的沖擊而不被損壞。熱對流式加速度傳感器完全基于標(biāo)準(zhǔn)的cmos制造工藝，與ic工藝完全兼容，可滿足大批量生產(chǎn)。

熱對流式加速度傳感器是基于溫度敏感電阻的原理，因此，電阻材料的溫度敏感性對加速度計的靈敏度、響應(yīng)時間等性能有重大影響，所以選擇合適的材料對于能否做出高性能的熱對流加速度傳感器至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于熱對流原理的微機械加速度傳感器的設(shè)計及其制作方法，該熱對流式微機械加速度傳感器使用溫度敏感性較好的材料——鉑來制作傳感器的核心部分——溫度敏感電阻；用導(dǎo)電性能較好的材料——金來制作傳遞信號用的互連線；用具有隔熱絕緣特性的聚酰亞胺膜來防止熱量散失使熱氣團更好地發(fā)揮作用和降低功耗；在最后用bcb鍵合膠來對玻璃蓋板與硅片進行鍵合，從而形成一個密閉的空腔，避免外界空氣對傳感器產(chǎn)生不利影響。本發(fā)明所涉及的熱對流微機械加速度傳感器使用硅表面工藝來進行加工制作，工藝過程簡單，與ic工藝兼容，有利于提高芯片集成度，可靠性高，靈敏度高，性能好。

本發(fā)明提供的熱對流式微機械加速度傳感器包括第一基板及其拋光面上的聚酰亞胺膜、參考區(qū)氧化鋁薄膜、制作在膜上的鉑電阻、制作在膜上與鉑電阻相連接用以接入接出信號的金互連線、制作在第一基板已做好結(jié)構(gòu)的一面的最外層氮化硅保護層、與硅片鍵合在一起的玻璃蓋板。

所述的聚酰亞胺薄膜制作于第一基板硅片上，厚度2～200微米。

所述的參考區(qū)在聚酰亞胺薄膜上刻蝕出的長度30～3000微米、寬度20～2000微米、深度2～200微米的長方體凹槽。

所述的氧化鋁薄膜填滿參考區(qū)且上表面平整并與其它平面形成同一平面。

所述的鉑電阻均為“s”形布置，一共四部分，包括一個加熱電阻，長度20～6000微米，寬度1～100微米，厚度0.1～10微米；兩個傳感電阻，長度20～6000微米，寬度1～100微米，厚度0.1～10微米，且兩個傳感電阻長度、寬度、厚度和形狀均相同，對稱放置于加熱電阻的兩邊；一個參考電阻，長度20～20000微米，寬度1～100微米，厚度0.1～10微米，制作在氧化鋁薄膜上。所述的金互連線主體部分寬度100～2000微米，厚度1～10微米。

所述的氮化硅保護層厚度0.3～3微米，在金互連線的端點處有邊長為100～2000微米的正方形開孔，作為鍵合區(qū)，用以封裝時接引線。

所述的玻璃蓋板通過bcb鍵合膠與硅片鍵合在一起，形成密閉空腔。

制作該微機械加速度傳感器的具體步驟是：

（1）在第一基板的拋光面上形成聚酰亞胺薄膜；

（2）刻蝕聚酰亞胺膜形成參考區(qū)；

（3）在參考區(qū)填滿氧化鋁；

（4）在參考區(qū)的氧化鋁薄膜上和其他區(qū)域的聚酰亞胺膜上形成鉑電阻；

（5）在聚酰亞胺膜上形成金互連線；

（6）在第一基板已做好結(jié)構(gòu)的一面的最外層形成氮化硅薄膜；

（7）刻蝕氮化硅薄膜，在所述金互連線端點處形成鍵合區(qū)；

（8）使用bcb鍵合技術(shù)把玻璃蓋板和硅片鍵合在一起形成密閉空腔。

綜上所述，根據(jù)本發(fā)明方法可以實現(xiàn)由第一基板及其拋光面上的聚酰亞胺膜、參考區(qū)氧化鋁薄膜、制作在膜上的鉑電阻、制作在膜上與鉑電阻相連接的金互連線、制作在第一基板已做好結(jié)構(gòu)的一面的最外層氮化硅薄膜、與硅片鍵合在一起的玻璃蓋板組成的熱對流式微機械加速度傳感器。參考電阻、加熱電阻和傳感電阻材料均為鉑，加熱電阻和傳感電阻均制作在聚酰亞胺膜上組成核心作用部件，處于同一敏感方向，形成一個敏感軸；參考電阻制作在參考區(qū)的氧化鋁薄膜上，參考區(qū)不在敏感軸上且遠離核心作用部件，以防止核心作用部件產(chǎn)生的熱量影響參考電阻檢測外部環(huán)境溫度的準(zhǔn)確度。本發(fā)明涉及的熱對流式微機械加速度傳感器使用鉑、金等溫度敏感性好的材料，所制作的電阻長度、寬度和厚度都經(jīng)過計算和仿真，得到的最優(yōu)結(jié)果。本發(fā)明所涉及的熱對流式微機械加速度傳感器沒有在硅片上開孔形成腔結(jié)構(gòu)，而是通過bcb鍵合膠把玻璃蓋板和硅片鍵合來形成密閉空腔，并且在所述的第一基底上制作了一層聚酰亞胺膜來防止熱量散失，保證熱氣團更好地發(fā)揮作用和降低功耗，另外聚酰亞胺膜也可以防止鉑電極漏電，這種設(shè)計使工藝過程變得簡單而且制作出來的傳感器結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，可靠性高，性能也更好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2（a）-2（i）為本發(fā)明的制作工藝流程示意圖；

其中各附圖標(biāo)記說明如下：

1代表硅片；

2代表聚酰亞胺；

3代表刻蝕出的參考區(qū)；

4代表氧化鋁；

5代表鉑加熱電阻；

6代表鉑傳感電阻；

7代表鉑參考電阻；

8代表金互連線；

9代表氮化硅；

10代表刻蝕氮化硅形成的鍵合區(qū)；

11代表bcb鍵合膠；

12代表玻璃蓋板。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明決非僅限于所介紹的實施例。

本發(fā)明的實施例涉及一種熱對流式微機械加速度傳感器，如圖1所示，在第一基板的拋光面上做上一層聚酰亞胺膜，刻蝕聚酰亞胺薄膜形成參考區(qū)凹槽，再生長氧化鋁形成氧化鋁參考區(qū)，此參考區(qū)表面與其他聚酰亞胺區(qū)域表面處于同一平面；主作用部分由加熱電阻和傳感電阻組成，它們均制作于聚酰亞胺膜之上，且兩個傳感電阻長、寬、厚度及形狀均相同，對稱放置在加熱電阻兩邊，到加熱電阻的距離相等；參考電阻制作于參考區(qū)的氧化鋁薄膜之上，且參考電阻的阻值與加熱電阻的阻值成一定的比例關(guān)系，這樣再通過與外接電路的配合來實現(xiàn)對器件工作溫度的控制和調(diào)節(jié)；互連線連接在各電阻的端點處；使用bcb鍵合技術(shù)把玻璃蓋板和硅片鍵合在一起。

本實施例涉及的基于熱對流原理的微機械加速度傳感器的制作方法，參考圖2（a）-2（i）的工藝流程圖來進行說明，主要包括以下工藝步驟：

a、選用單拋的低阻硅片作為第一基板1，在硅片的拋光面形成聚酰亞胺膜2，并亞胺化。

b、結(jié)合掩膜版（mask1），用光刻膠作為掩膜，使用離子刻蝕rie刻蝕聚酰亞胺膜，并利用剝離工藝做出參考區(qū)3。

c、結(jié)合掩膜版（mask1），用光刻膠作為掩膜，曝光、顯影后使用光學(xué)鍍膜機做氧化鋁，采用溫度100攝氏度，并利用剝離工藝將不需要的氧化鋁去除，形成氧化鋁參考區(qū)4。

d、結(jié)合掩膜版（mask2），用光刻膠做掩膜，使用磁控濺射機濺射鉑，濺射鉑之前先濺射一層鉻（或鈦）來增加鉑和基底的粘附性，然后用剝離工藝將不需要的鉻鉑（或鈦鉑）去除，形成鉑電阻5、6、7。

e、用磁控濺射機在整個表面濺射一層20～500納米的鉻（或鈦），再在鉻上濺射一層20～500納米的金，然后結(jié)合掩膜版（mask3），用光刻膠作為掩膜，曝光、顯影成后放入電鍍液中通電，進行金的電鍍，到達需要的厚度之后取出，去膠，然后用ibe刻蝕機在已做好結(jié)構(gòu)的一面整片刻蝕掉40～1000納米厚度的金屬層，形成金互連線8。

f、用pecvd在已做好結(jié)構(gòu)的一面整片沉積氮化硅，形成保護層9。

g、結(jié)合掩膜版（mask4），用光刻膠作為掩膜，曝光、顯影后使用rie離子刻蝕進行氮化硅的刻蝕，去膠后在金互連線端點處形成引線區(qū)10。

h、涂覆光敏性的bcb鍵合膠，然后結(jié)合掩膜版（mask5），曝光、顯影后形成圖形化了的bcb鍵合膠11。

i、玻璃蓋板12與器件通過bcb鍵合膠11鍵合在一起，并進行bcb膠的固化，器件完成。

由以上工藝步驟制作出本發(fā)明涉及的熱對流式微機械加速度傳感器。結(jié)合圖1的整體結(jié)構(gòu)示意圖對本發(fā)明的原理進行說明。

參考電阻制作在氧化鋁上邊，與加熱電阻通過外接電路連接來形成一個閉環(huán)的加熱電阻控制電路，該控制電路用于實現(xiàn)加熱控制和溫度補償功能。傳感電阻的作用是檢測加熱電阻兩側(cè)的溫度場的變化，加熱電阻對密閉空腔中的空氣進行加熱后，在沒有加速度的情況下，密閉腔中的空氣進行自然對流，溫度場保持恒定，對稱放置在加熱電阻兩邊的傳感電阻感知到的溫度場是相同的，相應(yīng)的電阻值也相等，再通過外接電路，兩邊輸出的電壓值相同，外接檢測電路的差分放大器輸出為0；當(dāng)對傳感器施加一個如圖1所示某一敏感方向的加速度時，溫度場的平衡被打破，溫度場的改變將使兩邊傳感電阻的電阻值大小發(fā)生改變，這樣，通過外接檢測電路就可測量出一個差分信號，進而測出加速度。由于材料的溫度敏感性很強，本發(fā)明涉及的熱對流式微機械加速度傳感器精度高，性能好。同時本發(fā)明涉及的基于熱對流原理的微機械加速度傳感器所設(shè)計的結(jié)構(gòu)合理，所選材料性能好，因此制作出的傳感器可靠性好，強度高，且制作工藝簡單，成品率高，可滿足大批量生產(chǎn)。