[发明专利]基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于硅微机械传感器领域，涉及一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计及制作方法。

背景技术

随着控制技术的不断发展与深入，汽车碰撞试验、航空航天、工业自动控制、特别是军事等领域对高g值加速度计的需求量逐年增加。硅微机械加速度计以其低成本、高性能、可量产等优势占领着高g值加速度计的主要市场。为了能够真实再现加速度计在碰撞瞬间输入信号的变化细节，要求加速度计不但要具备高量程，同时还要具有较高的谐振频率和工作带宽。

目前，高g值加速度计的核心部件一般为硅悬臂梁结构及布置在悬臂梁上的敏感电阻。传统高g值加速度计一般由(100)双抛硅片通过正反双面微机械加工结合键合工艺制作而成，这种方法会导致制造成本提高，芯片尺寸较大，工艺复杂，键合工艺还会引入不必要的残余应力。为了解决上述问题，中科院上海微系统与信息技术研究所科研人员通过优化悬臂梁结构和改进工艺，首次成功使用普通(111)单抛片通过单硅片单面加工制造出悬臂梁式高g值加速度计，缩小了芯片尺寸、降低了制作成本，简化了制作工艺，最大化提高了加速度计量程。但由于受到悬臂梁自身结构的限制，这种基于悬臂梁式的加速度计无法同时实现高灵敏度和高工作带宽。

鉴于此，本发明提出了一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计及制作方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计及制作方法，用于解决现有技术中双面微机械加工结合键合工艺制作过程中存在的制造成本提高，芯片尺寸较大，工艺复杂，引入不必要的残余应力的问题，以及单面加工过程中，由于受到悬臂梁自身结构的限制，无法同时实现高灵敏度和高工作带宽的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计，所述基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计包括：(111)单晶硅基底、固支板、微梁和力敏电阻；其中，所述固支板三边固支于所述(111)单晶硅基底内；所述固支板在单晶硅基底表面上的一边为非固支边，所述固支板的两侧面与所述(111)单晶硅基底之间具有一定间距的间隙；所述微梁对称地分布于所述固支板两侧；且所述微梁横跨所述间隙，一端与所述弹性板的非固支边相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接；所述微梁纵截面的形状为矩形；所述力敏电阻位于所述微梁上，且相互连接成惠斯通全桥电路。

优选地，所述固支板为矩形立方结构，所述固支板的侧面与<211>晶向垂直。

优选地，所述微梁为直拉直压微梁，所述微梁的长度方向均为<211>晶向，且所述微梁的长度方向与所述固支板的侧面相垂直。

优选地，所述微梁的数量为四个，分别两两对称地分布于所述固支板的两侧。

优选地，所述单晶硅基底的上表面、所述微梁的上表面与所述固支板的非固支边位于同一平面。

优选地，所述力敏电阻通过离子注入方法形成于所述微梁上，所述力敏电阻的长度与所述微梁的长度相同，所述力敏电阻沿长度方向上的对称轴与所述微梁沿长度方向上的对称轴相重合。

本发明还提供一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计的制作方法，包括以下步骤：

1)提供一单晶硅片；

2)采用离子注入的方法在所述单晶硅片上制作力敏电阻，然后制作表面钝化保护层；

3)利用硅深度反应离子刻蚀工艺在所述单晶硅片上间隔的制作多个释放窗口，所述释放窗口勾勒出所需的微梁和固支板的轮廓；所述释放窗口的深度与所述微梁的厚度一致；

4)在所述释放窗口内沉积钝化材料作为侧壁钝化保护层；

5)利用反应离子刻蚀工艺去除所述释放窗口底部的钝化保护层，然后再利用硅深度反应离子刻蚀工艺继续向下刻蚀出所述微梁的释放牺牲间隙，所述释放牺牲间隙的深度与所述固支板的宽度一致；

6)通过所述释放牺牲间隙利用湿法刻蚀工艺沿<110>晶向横向腐蚀所述单晶硅片，释放所述微梁和所述固支板，所述微梁的纵截面形状为矩形；

7)去除所述单晶硅片表面残余的钝化保护层，制作欧姆接触区域和引线孔；

8)在所述单晶硅片表面制作引线和焊盘。

优选地，所述单晶硅片为n型(111)单晶硅片。

优选地，在步骤2)中，通过向所述单晶硅片进行硼离子注入的方法制作所述力敏电阻，注入倾斜角度为7°～10°，所述力敏电阻的方块电阻值为85欧姆～92欧姆。