[发明专利]微机械加工的集成单片三轴加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及传感器，更具体而言涉及单片集成MEMS传感器。

背景技术

由于其集成具有感测元件、预期的多厂商可达性(multivendoraccessibility)以及短设计周期时间的高性能片上(on-chip)信号调节电路的能力，通过互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的制造过程而制造的微机械加工的装置是吸引人的。目前，大多数CMOS兼容的微机械加工过程是基于多晶硅(polysilicon)或多晶的硅/锗(polycrystalline silicon/germanium)表面微机械加工过程的，其使用二氧化硅作为牺牲材料，并且典型地包含由于释放微机械结构的湿刻蚀步骤。即使HF蒸汽可被用于释放，在释放期间对集成电路的保护和粘附问题仍保持为主要的顾虑。

对于每个限制静电激励器和电容性传感器的设计灵活性的连续微结构，单个多晶硅微结构上的接线被约束到一个电极。而且，多晶硅过程中的相对大的寄生电容使电容性传感器设计的性能降级。例如，MUMP的多晶硅过程中具有30μm重叠的50-指梳状驱动具有大约28fF的感测电容。寄生电容是单独由于指的13fF，来自互连的14aF/μm和对于标准的78μm乘78μm的正方形接合垫的1.1pF。到外部电子器件的接合线或焊料凸块连接贡献了附加的寄生电容。

小型三轴加速度计常常是汽车、导航系统中所需要的，并且是一些医疗应用所需要的，如用于半身不遂(hemiplegic)病人。存在两种类型的微机械加工过程，即表面微机械加工和体微机械加工(bulk micromachining)。大多数现有微机械加工的加速度计是单轴或双轴的，并且是使用表面微机械加工过程来制造的。

一般而言，体微机械加工产生大的检验质量(proof mass)并且适合于制作具有电容性平行板或压阻性梁(piezoresistive beam)的z轴加速度计。然而，典型的是没有CMOS电路集成在传感器芯片上。另一方面，表面微机械加工可与CMOS过程兼容并且适合于制造具有电容性交叉梳指(combfinger)的横轴加速度计。通过组装并正交取向两个或三个分离的加速度计，可获得三轴加速度感测系统，但封装尺寸和成本二者都是高的。

一些3轴加速度计已有报导。其中体微机械加工的3轴加速度计通常具有大质量，但需要晶片接合、湿刻蚀和两侧对准。表面微机械加工的三轴加速度计可具有集成接口电路，但具有小质量。

Lemkin等披露了一种表面微机械加工的3轴加速度计[Lemkin等，“A3-Axis Force Balanced Accelerometer Using a Single Proof-Mass”，Transducer‘97，1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actutors，Chicago，1997年6月16-19日，第1185-1188页]。Lemkin的加速度计使用单晶硅作为基板材料，但传感器微结构由薄膜多晶硅制成。Lemkin所披露的x和y轴感测元件是梳指，而z轴感测电容被形成为基板上的地多晶硅层(ground polysilicon layer)和检验质量之间的平行板对。这样，分离的固定电容器被用于实现用于z轴感测的差动电容性桥。值得注意的是，固有的大寄生电容大大减小可获得的信噪比。薄膜材料的残余应力亦限制检验质量的大小，这限制了Lemkin的加速度计的可获得的分辨率。

发明内容

单片集成3轴加速度计传感器“芯片”包括单晶基板，该基板包括至少一个单晶膜层部分。与单晶基板的标称厚度相比，膜层是薄的。基于电容性感测的单个传感器微结构是使用膜层形成的，并且感测三个正交的方向(x、y和z)的每个上的加速度。在一个实施例中，包括传感器微结构的所有部件都利用膜层。

如以上所使用的，术语“集成的”有两重意思。第一，3轴加速度传感器集成在单个芯片上。第二，所述传感器，以及一个优选实施例中的诸如信号调节电子器件的电路，亦集成在所述芯片上。尽管称为加速度传感器，所述传感器更广义地是运动传感器或振动传感器。所述芯片亦可用作倾斜传感器。