[发明专利]一种高精度MEMS角度传感器敏感结构及加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS角度传感器敏感结构及加工方法，属于微机械领域和测量领域。

背景技术

倾斜角度传感器主要用于安装载体倾斜角度的测量，按工作原理可以分为固摆式、气摆式和液摆式三种。固摆式倾角传感器敏感物质是摆锤的质量，由于具有明确的摆长和摆心，其产品的精度和抗过载能力较高，但体积大，因此使用受到一定限制。气摆式倾角传感器内，气体是密封腔中唯一运动体，它的质量小，在大的冲击和高过载时产生的惯性也小，所以具有较强的抗振动或冲击的能力，但气体运动控制较为复杂，影响因素比较多，因此精度不高。液摆式倾角传感器介于两者之间且系统稳定，在高精度系统中广泛应用，国内外的产品多为此类。

随着微电子技术的发展、微机械加工工艺设备的完善及加工精度的提高，以单晶硅材料研制的各种微型角度传感器产品相继问世，它与传统的机械式角度传感器相比，具有体积小，质量轻，功耗低的特点。采用微机械加工工艺，易于实现批量生产，降低成本。

MEMS倾角传感器用来测量相对水平面的倾角变化量，理论基础是牛顿第二定律。目前就倾角传感器产品而言，最大测量摆幅范围都在±90°之内，可以提供单轴或双轴向的倾角测量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提供一种高精度MEMS角度传感器敏感结构及加工方法，基于KOH湿法腐蚀的加工方法获得多层结构的硅微敏感结构，基于双电场阳极静电键合的方法实现高度对称的三层结构形式，获得较大的基电容，提高了角度测量的灵敏度和精度。

本发明所采用的技术方案是：一种高精度MEMS角度传感器敏感结构，包括上玻璃极板、中间硅极板、下玻璃极板及金丝引线，中间硅极板位于上玻璃极板、下玻璃极板之间；上玻璃极板、中间硅极板、下玻璃极板上的金属焊盘分别引出金丝引线；上玻璃极板、中间硅极板、下玻璃极板通过双电场静电键合方法使得玻璃材料与硅材料之间形成相连接的SiO₂层，并由金丝引线引出电容信号。

所述上玻璃极板或下玻璃极板的材料为派瑞克斯7740，厚度为0.8mm，派瑞克斯7740材料一侧表面淀积金膜，金膜表面淀积SiO₂介质膜。

所述中间硅极板的材料为<100>晶向的单晶硅，厚度为0.38mm，中间硅极板的敏感质量块尺寸为4.8mm×4.8mm×0.368mm；悬臂梁的尺寸为1.2mm×1mm×0.03mm，两个悬臂梁的间距为1.5mm。

一种高精度MEMS角度传感器敏感结构的加工方法，包括如下步骤：

步骤一、在玻璃材料一侧表面上蒸镀金膜；

步骤二、在金膜上通过光刻形成电极区域，腐蚀掉电极区域以外的金和铬形成电极；

步骤三、通过化学气相淀积在步骤二中形成的电极区域上淀积SiO₂膜；

步骤四、在SiO₂膜上通过光刻形成介质膜区域，腐蚀掉介质膜区域以外的SiO2形成介质膜；

步骤五、将步骤一～步骤四中形成的整块玻璃圆片划片形成上玻璃极板和下玻璃极板，并引出金丝引线；

步骤六、采用KOH湿法腐蚀方法加工硅圆片形成中间硅极板；

步骤七、采用双电场静电键合方法将上玻璃极板、中间硅极板、下玻璃极板进行对准，中间硅极板放置在上玻璃极板、下玻璃极板之间，通过导热块固定在键合炉上；中间硅极板接阳极，上玻璃极板和下玻璃极板接阴极，施加直流电压形成双电场开始静电键合；待电流下降到设定的电流阈值时，关闭直流电压，将温度降至常温。

所述步骤六的具体步骤如下：

5.1、在硅圆片上，通过高温氧化生成SiO₂膜，SiO₂膜的厚度1.2μm；温度设置为1000～1200℃，先通入干氧30分钟，再通入湿氧3～4小时，再通入干氧30分钟，降低温度至常温；

5.2、在经过高温氧化后的硅圆片上通过化学气相淀积生成SiN_X膜，厚度2500埃；

5.3、在淀积有SiN_X膜的硅圆片上，通过双面光刻形成掩膜腐蚀区，将硅圆片放入SiO₂/SiN_X腐蚀液中腐蚀3分钟，去除掩膜腐蚀区之外的SiN_X膜层；