[发明专利]一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及制作方法，更确切地说本发明涉及一种基于双器件层SOI硅片的双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及制作方法。属于微电子机械系统领域。

背景技术

微加速度传感器是一种重要的惯性传感器，将外界加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号。硅微加速度传感器的类型较多，按检测质量的运动方式来分，有角振动式和线振动式；按检测质量支承方式来分，有扭摆式和悬臂梁式；按信号检测方式来分，有电容式、电阻式和隧道电流式；按控制方式来分，有开环和闭环之分。

电容式加速度传感器是一种将被测的加速度信号转换为电容器的电容量变化的传感器。实现这种功能的方式通常有变间隙式和变面积式两种。传感器的可动质量块构成了可变电容的一个可动电极，当质量块受加速度作用而产生位移时，由可动电极和固定电极构成的两个差分电容的间隙或相对面积发生变化，导致两个差分电容的电容量发生变化，将这种变化量用外围电路检测出来就可测量加速度的大小。开环加速度传感器的接口电路是开环的，没有反馈，容易受外界干扰。闭环工作加速度传感器采用反馈功能，把输出电压施加到敏感可动质量块上，使质量块始终工作在零位附近，从而提高了线性度和抗干扰能力，改善了动态响应特性。

制作电容式微加速度传感器的方法有表面微机械加工方法和体硅微机械加工方法。体硅微机械加工方法是一种典型的微机械加工方法。为了形成完整的微结构，往往在加工的基础上还应用到键合或粘结技术，能够使得可动电极的敏感质量加大，检测电容量加大，传感器的分辨率和灵敏度等性能得以提高。高性能加速度传感器通常采用双面对称弹性梁-质量块结构，其制作方法非常关键，直接影响到电容式加速度传感器的各项性能。现有的制作通常是采用异质自停止方法、浓硼掺杂自停止方法和双层键合方法。

采用异质自停止方法，如以二氧化硅梁工艺为例，它的流程是对硅片氧化后在氧化层上制作出梁的图形，然后通过硅腐蚀释放出由二氧化硅梁支撑着的梁-质量块结构。由于二氧化硅很脆，且氧化得到的二氧化硅厚度一般不超过3μm，所以使用二氧化硅梁的加速度传感器只能使用闭环检测电路，而且抗冲击性能很差。

采用浓硼掺杂自停止的方法(H Seidel，H Riedel，R Kolbeck，G Mueck，WKupke，M Koeniger，Capacitive Silicon Accelerometer with Highly SymmetricalDesign，Sensors and Actuators A：Physical，Vol.21，pp.312-315)，在制作双面对称弹性梁-质量块结构时，KOH腐蚀形成弹性梁-质量块结构的过程中，浓硼掺杂层起自停止决定梁厚度的作用，同时也作为轻掺杂区域KOH腐蚀的掩模。这种方法的缺点是掺杂浓度不均匀导致弹性梁厚度不均匀以及硼掺杂工艺中产生的残余应力会影响加速度传感器的性能，如灵敏度和线性度等。

采用双层键合方法，形成双面对称弹性梁-质量块结构(W.S.Henrion，et.al，Sensors structure with L-shaped spring legs，US Patent No.5,652,384)。其工艺可以采用KOH腐蚀结合干法深刻蚀释放的方法。首先从背面用KOH将硅片腐蚀到剩余梁的厚度，然后用干法深刻蚀从正面释放出弹性梁-质量块结构。将两个这样的弹性梁-质量块背靠背键合起来可以得到双面对称结构。这种方法的工艺非常复杂，成本相对较高。

本发明提出的一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器，属于变间隙式加速度传感器，其特征在于以双器件层SOI硅片为基片，利用湿法腐蚀自停止技术，在湿法腐蚀中一次加工形成加速度传感器中最为重要的弹性梁-质量块结构，质量块上下两面的弹性梁双面对称且平行。本发明提供的方法简化了微加速度传感器的制作工艺，提高了器件的成品率和一致性，在提高器件灵敏度的同时也降低了交叉轴灵敏度，是一种非常实用的高精度电容式微加速度传感器。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器。所述的微加速度传感器基于双器件层SOI(100)单晶硅片包括质量块、电容间隙、阻尼调节槽、过载保护凸点、弹性梁、固定上电极、固定下电极和质量块电极引出通孔，其特征之一在于：

(1)双器件层SOI硅片为弹性梁-质量块结构的基片；

(2)固定上电极、固定下电极分别位于质量块的上下两边；

(3)弹性梁为直梁，其一端与质量块相连，另一端与支撑框架相连；