CN102608356B - 一种双轴体微机械谐振式加速度计结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双轴体微机械谐振式加速度计结构及制作方法，属于微电子机械系统领域。组成谐振式加速度计的谐振梁(1)位于衬底上表面，蟹腿型支撑梁(2)的中性面与质量块(3)的重心在同一平面。谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)通过五次光刻和三次各向异性湿法腐蚀工艺制作在同一硅片上。首先，背面光刻，有掩膜腐蚀工艺从谐振梁(1)背面腐蚀硅到一定深度。然后正反面光刻，去除腐蚀槽(8)中除谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)以外部分的腐蚀掩蔽层(9)，有掩膜腐蚀硅到另一深度。最后，去除蟹腿型支撑梁(2)正反面的腐蚀掩蔽层(9)，掩膜和无掩膜腐蚀相结合实现谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)的同时成型。该双轴体微机械谐振式加速度计具有较小的交叉轴干扰和较高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种双轴体微机械谐振式加速度计结构及制作方法，特别是一种利用掩膜-无掩膜腐蚀技术制作的谐振梁和蟹腿型支撑梁组成的双轴体微机械谐振式加速度计结构及制作方法，属于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)领域。
背景技术
微型加速度计是一类重要的力学量传感器。早在上世纪60年代末人们就开始研究一维微型硅加速度计。80年代末开始一维微型加速度计的规模化生产。进入到90年代，随着科学技术的发展和军事、商业市场的需求，开始研究三维微型加速度计，应用于军事、汽车电子、工业自动化、机器人技术、消费类电子产品等领域。由于微型加速度计具有体积小、重量轻、功耗和成本低、过载能力强、易集成、可大规模批量生产等优点，不仅成为微惯性测量组合的核心元件，也迅速应用到车辆控制、高速铁路、机器人、工业自动化、探矿、玩具、医疗等民用领域。
微型加速度计是利用传感质量的惯性力测量加速度的传感器。按照信号检测方式分可为压阻式、电容式、隧道电流式、谐振式、热对流式、压电式加速度计。上世纪90年代以后，随着MEMS技术的不断发展以及军事、商业市场的需求，单一方向的加速度测试已经不能满足各方面的需求，加速度计向三维方向发展，以用于检测空间加速度，为卫星导航、导弹制导、炮弹定向等军工项目和汽车防震保护、自动刹车、医疗等民用项目服务。三轴微型加速度计能够同时测量相互正交的三个轴向加速度。其测量原理包括电容式、压阻式、压电式和热对流式，按照质量块数目可分为多质量块和单质量块系统。
谐振式加速度传感器利用惯性力改变谐振器的轴向应力和应变，从而引起谐振频率变化，检测谐振频率的变化量获得加速度的大小。谐振式加速度传感器可以将被测加速度直接转换为稳定性和可靠性较高的频率信号，而且在传输过程中不易产生失真误差，无需经A/D转换器即可与数字系统接口。另外，谐振式加速度传感器动态范围宽、灵敏度和分辨率高、稳定性好、测量精度高，已达到1KHz/g的灵敏度和2μg的噪声水平，能够满足对加速度传感器的高性能要求。1996年Christian Burrer报道的电热激励/压阻检测谐振式加速度传感器由质量块、支撑悬臂梁和谐振梁组成。敏感质量块悬挂在与其中心轴线平行且对称的两根支撑梁的一端，支撑梁另一端固定在衬底上。谐振梁一端与敏感质量块相连，另一端固定在衬底上。当有垂直衬底表面的加速度作用于敏感质量块上时，质量块将在垂直方向移动，导致谐振梁产生拉伸或压缩应变，改变谐振梁的固有频率，灵敏度为250Hz/g。
同年D.W.Burns结合体微机械和表面微机械工艺制作了一种静电激励/压阻检测的多晶硅微梁谐振式加速度传感器，传感器包括质量块、上下密封盖、支撑弹性梁、两个同轴的谐振梁和检测谐振梁应变的压敏电阻组成。质量块和弹性梁为对称结构以降低交叉轴的干扰，上、下密封盖板为质量块提供挤压模阻尼和过载保护。密封外壳上施加直流偏压。谐振梁的驱动电极上施加小幅交流电压，产生的静电力驱动谐振梁振动。谐振梁固支端的压敏电阻测量梁振动引起的应变，放大后反馈到驱动电极，使谐振梁振动在谐振频率。两个谐振梁工作在差动模式，加速度使一个谐振梁的谐振频率增加，另外一个减小，以提高灵敏度并对共模信号(如温度交叉灵敏度)进行抑制。传感器的量程可以通过支撑梁的尺寸调节。对20g的量程，谐振梁的长度、宽度和厚度分别为200μm，40μm和2μm，谐振频率为500KHz，Z轴加速度检测灵敏度高达1750Hz/g。
2000年韩国Seoul国立大学Byeung-leul Lee等采用表面微机械工艺研制了一种惯性导航级的差动谐振式单轴加速度传感器(DRXL)，其敏感元件是静电激励的扭转梁谐振器。垂直方向的加速度测量利用静电刚度调节效应，通过加速度产生的惯性力改变弹性梁承受的静电力，实现对刚度系数的改变，从而引起谐振频率的变化，并采用两个形状互补的质量块实现差动测量。面内加速度传感器采用末端带有质量块的双端音叉，利用惯性力改变音叉的轴向力，从而改变谐振频率。面内加速度的谐振频率为23.4KHz，灵敏度最高达到128Hz/g，带宽为110Hz，精度为5.2μg；垂直方向的谐振频率为12KHz，灵敏度最高达到70Hz/g，带宽为100Hz，精度为2.5μg。
1997年Trey A.Roessig采用表面微机械工艺制作了一种新型结构的谐振式加速度传感器。传感器包括质量块、两个双端音叉和支撑梁，双端音叉通过力放大结构两端的支承音叉连接。音叉通过横向运动的梳状电容驱动在谐振频率上振动，并作为谐振电路反馈回路的一部分，以维持振动。当加速度作用在质量块上时，产生双端音叉轴向方向的作用力，改变系统的势能，从而改变音叉的振动频率。两个双端音叉的差动输出可以消除共模误差的一阶分量对频率的影响(如温度和交叉轴干扰)。双端固支音叉谐振器的谐振频率为68KHz，灵敏度为45Hz/g。2002年该研究小组又报道了一种结构改进后的器件，真空封装后的器件在300Hz时的本底噪声为
2005年，V.Ferrari等人报道了一种利用体硅工艺制作的电热激励/压阻检测谐振式加速度计。芯片平面的加速度诱发微谐振梁轴向应力，按比例改变微梁的谐振频率。微梁谐振频率为700KHz。在0～3KHz频段内，测量灵敏度为35Hz/g。测试系统内引入了电路补偿环节补偿输入输出的Cross-talk效应，有效的减小了输入输出的串扰效应。
谐振式加速度传感器制作的难点之一在于如何在框架和质量块之间制作不在同一平面的支撑梁和谐振梁，要求谐振梁位于衬底上表面，而支撑梁的中性面要与质量块的重心在同一平面。否则会引入较大的交叉轴干扰和测量误差。为解决这一问题ChristianBurrer等人在一个晶圆上制作谐振梁和质量块的上半部分，而在另一衬底上制作支撑梁和质量块的下半部分，然后将二者键合在一起。其不利之处在于键合面易于开裂。D.W.Burns利用重掺杂自停止腐蚀的方法在芯片正反两面制作支撑梁，实现支撑梁中性面与质量块重心在同一平面。利用该方法实现的谐振式加速度计机械结构需要浓硼掺杂和自停止腐蚀，支撑梁厚度较小。
常用的微谐振梁加速度计有悬臂梁式、两端固支梁式、双音叉式。悬臂梁式制作简单，惯性力一轴向应力转化效率高，但对称性差，存在较大的交叉轴干扰，不易实现差动输出结构以抑制共模信号及温度等外界因素造成的误差。双音叉式采用差动输出结构，通过杠杆原理来放大轴向应力，惯性力一轴向应力转化效率低，灵敏度低。两端固支梁式灵敏度一般也比较小。提高谐振式加速度传感器的灵敏度是谐振式加速度传感器研制的关键。
发明内容
本发明的目的在于发明一种新型的双轴体微机械谐振式加速度计结构及制作方法。所述的双轴体微机械谐振式加速度计由谐振梁(1)、蟹腿型支撑梁(2)、质量块(3)、框架(4)、激振器(5)、检测元件(6)和金属内引线(7)组成。谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)位于质量块(3)和框架(4)之间的“口”字型腐蚀槽(8)内，一端固支在质量块(3)的侧面，另一端固支在框架(4)内壁。谐振梁(1)位于传感器芯片上表面，蟹腿型支撑梁(2)的中性面与质量块(3)的重心在同一水平面。
本发明所涉及的双轴体微机械谐振式加速度计的工作原理：在X轴正向加速度作用下，质量块(3)在X轴方向运动。X轴方向的谐振梁(1)之一所受的轴向拉应力增加或轴向压应力减小，谐振频率增加；X轴方向的另一谐振梁(1)轴向拉应力减小或轴向压应力增加，谐振频率减小。X轴方向的两个谐振梁(1)谐振频率的差值反映X轴加速度的大小和方向。同样地，在Y轴加速度作用下使质量块(3)在Y轴方向运动，Y轴方向的谐振梁(1)之一轴向拉应力增加或轴向压应力减小，谐振频率增加；Y轴方向的另一谐振梁(1)轴向拉应力减小或轴向压应力增加，谐振频率减小，Y轴方向的两个谐振梁(1)谐振频率的差值反映Y轴加速度的大小和方向。
本发明所涉及的双轴体微机械谐振式加速度计的X轴加速度信号也可以只用一个谐振梁(1)检测，根据其谐振频率增加或减小反映X轴加速度的大小和方向，但检测灵敏度较小。同样地，Y轴加速度信号也可以只用一个谐振梁(1)检测，根据其谐振频率增加或减小反映Y轴加速度的大小和方向。
本发明所涉及的双轴体微机械谐振式加速度计的谐振梁(1)既可以是两端固支单梁谐振器，也可采用两端固支双梁谐振器或两端固支三梁谐振器。梁上可以开槽或开孔以提高品质因数或实现电学隔离。两端固支双梁谐振器由两根平行的梁组成，梁的末端合并，并与衬底固支。当通过适当的激励方式使两个音叉臂反相振动时，在它们的合并区域产生的应力和力矩方向相反，互相抵消，因此整个结构通过固支端与外界的能量耦合最小，振动系统的能量损失小，具有较高的Q值。三梁结构谐振梁的中间梁的宽度等于左右相邻两梁的宽度之和，且三者在端部经由能量隔离区相互连成一个整体。当选用三梁谐振器的反对称相位的三阶振动模态作为梁的谐振模态时，中间的梁和两边的两个梁在固支端产生的反力和力矩因振动方向相反而相互抵消，振动能量储存在谐振器内部，从而减少能量损耗，起到提高Q值的作用。
本发明所涉及的双轴体微机械谐振式加速度计的谐振梁(1)采用电热激励、光热激励、逆压电激励、电磁激励、静电激励之一激励，使其处于谐振状态，它输出的谐振频率信号采用压阻检测、电磁检测、压电检测、光学干涉、电容检测之一实现。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)通过五次光刻和三次各向异性湿法腐蚀工艺制作在同一硅片上。首先，背面光刻，有掩膜腐蚀工艺从谐振梁(1)背面腐蚀硅到一定深度。然后正反面光刻，湿法腐蚀或干法刻蚀腐蚀槽(8)中除谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)以外部分的腐蚀掩蔽层(9)，有掩膜腐蚀工艺腐蚀硅到另一深度。最后去除蟹腿型支撑梁(2)正反面的腐蚀掩蔽层(9)，掩膜-无掩膜腐蚀相结合实现谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)的同时成型。
本发明所涉及的双轴体微机械谐振式加速度计通过以下基本工艺步骤实现：
1)原始硅片是(100)面双面抛光硅片，厚度为H，热氧化、化学气相淀积法在硅片上制作腐蚀掩蔽层(9)，该薄膜同时也是掺杂时的掩蔽层和绝缘薄膜。
2)光刻、腐蚀、扩散、薄膜沉积工艺相结合制作谐振梁(1)的激振器(5)、振动检测元件(6)及金属内引线(7)。
3)背面光刻，形成谐振梁背腐蚀窗口(10)，缓释氢氟酸溶液腐蚀谐振梁背腐蚀窗口(10)中的腐蚀掩蔽层，谐振梁背腐蚀窗口(10)的长度和宽度分别为L和b+2(H-h)ctg54.7，其中L是腐蚀槽(8)宽度，b是第5)步工艺中谐振梁(1)的掩膜宽度，h是谐振梁(1)的设计厚度。
4)氢氧化钾溶液中腐蚀硅，腐蚀深度为H-h-H2-0.263(H-d+0.471w)，其中H2是第7)步各向异性腐蚀时的深度，w是第5)步光刻后蟹腿型支撑梁(2)的掩蔽层宽度，d是蟹腿型支撑梁(2)的设计厚度。
5)正面光刻谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)的图形，缓释氢氟酸溶液腐蚀腐蚀槽(8)正面中除谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)以外部分的腐蚀掩蔽层，腐蚀掩膜图形如图2所示。
6)背面光刻蟹腿型支撑梁(2)的图形，缓释氢氟酸溶液腐蚀腐蚀槽(8)背面中除蟹腿型支撑梁(2)以外部分的腐蚀掩蔽层，腐蚀掩膜图形如图2所示。
7)氢氧化钾溶液中腐蚀硅，腐蚀深度H2＞d/2。
8)正面光刻，缓释氢氟酸溶液腐蚀正面腐蚀槽(8)中除谐振梁(1)以外的腐蚀掩蔽层；反面光刻，缓释氢氟酸溶液腐蚀背面腐蚀槽(8)中的腐蚀掩蔽层。
9)氢氧化钾溶液中腐蚀硅，垂直腐蚀深度为0.263(H-d+0.471w)时谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)同时达到设计厚度。
利用上述方法制作的蟹腿型支撑梁(2)的截面是棱形，侧面夹角为50.48°和129.52°，有效长度是是L-(H-d)ctg54.7°；谐振梁(1)的长度有效长度是L-2(H-h)ctg54.7°，谐振梁(1)侧面和底面的夹角为25.24°，其下底的宽度为b+0.56H+1.416h+0.622d-2.364H2-0.293w-1.192H1，上底的宽度b+0.56H+5.659h-2.364H2-0.293w-1.192H1，下底的宽度等于零时截面为等腰三角形，上底的宽度是4.24h。
本发明所涉及的双轴体微机械谐振式加速度计结构及其制作方法的优点在于：在同一硅片上制作出不在同一平面的谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)，谐振梁(1)位于衬底上表面，而蟹腿型支撑梁(2)的中性面与质量块(3)的重心在同一平面，使制作的谐振式加速度计具有较小的交叉轴干扰。另外，利用刚度较小的蟹腿型支撑梁(2)支撑质量块，对面内加速度具有较高的测量灵敏度。
附图说明
图1为本发明所涉及的双轴体微机械谐振式加速度计的结构示意图。
图2为本发明所涉及的双轴体微机械谐振式加速度计基本工艺步骤5)和步骤6)的光刻掩模图形，其中阴影区域为掩蔽层被腐蚀的区域。
图3是作为本发明实施例的双轴体微机械谐振式加速度计沿图1中AA视角的制作工艺流程图。其中谐振梁(1)采用电热激励、压敏电阻检测。
图中：
1-谐振梁 2-蟹腿型支撑梁 3-质量块
4-框架 5-激振器 6-检测元件
7-金属内引线 8-腐蚀槽 9-腐蚀掩蔽层
10-谐振梁背腐蚀窗口 11-谐振梁掩模 12-蟹腿型支撑梁掩模
13-蟹腿型支撑梁转折处凸角补偿掩膜
具体实施方式
下面结合附图3和实施例1对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。
实施例1：原始硅片(3)厚度为380微米，谐振梁(1)厚度为10微米，蟹腿型支撑梁(2)厚度为50微米，腐蚀槽(8)宽度661微米。其中谐振梁采用电热激励、压敏电阻检测。依据上述数据来确定的制作工艺流程如下：
1)热氧化，在(100)晶向的硅片正反两面制作厚度1.5微米的二氧化硅薄膜。(见附图3[1])
2)光刻、腐蚀、扩散、薄膜沉积工艺相结合在硅片上制作谐振梁(1)的激振器和振动检测元件。(见附图3[2])
3)背面光刻，形成谐振梁背腐蚀窗口(10)。谐振梁背腐蚀窗口(11)的长度(沿谐振梁(1)长度方向)和宽度(沿谐振梁(1)宽度方向)较谐振梁(1)的长度和宽度分别为660微米和724微米。缓释氢氟酸溶液腐蚀谐振梁背腐蚀窗口(10)中的腐蚀掩蔽层。(见附图3[3])
4)40％氢氧化钾溶液中腐蚀硅，垂直腐蚀深度130微米。(见附图3[4])
5)正面光刻谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)的图形，缓释氢氟酸溶液腐蚀腐蚀槽(8)正面中除谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)以外部分的腐蚀掩蔽层。谐振梁(1)的掩蔽层宽度为120微米。(见附图3[5])
6)背面光刻蟹腿型支撑梁(2)的图形，缓释氢氟酸溶液腐蚀腐蚀槽(8)背面中除蟹腿型支撑梁(2)以外部分的腐蚀掩蔽层。(见附图3[6])
7)40％氢氧化钾溶液中腐蚀硅，腐蚀深度等于120微米。(见附图3[7])
8)正面光刻，缓释氢氟酸溶液腐蚀正面腐蚀槽(8)中除谐振梁(1)以外的腐蚀掩蔽层。反面光刻，缓释氢氟酸溶液腐蚀背面腐蚀槽(8)中的腐蚀掩蔽层。(见附图3[8])
9)40％氢氧化钾溶液中腐蚀硅，腐蚀深度等于120微米时谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)同时达到设计厚度。(见附图3[9])
利用上述工艺步骤腐蚀的谐振梁(1)的上底的宽度为137微米，下底的宽度为94.5微米，谐振梁(1)的有效长度(亦即厚度为10微米部分)是137微米。蟹腿型支撑梁(2)的有效长度是(亦即厚度为50微米部分)是427微米。
Claims (2)
1.一种双轴体微机械谐振式加速度计，其特征在于：所述的双轴体微机械谐振式加速度计由谐振梁(1)、蟹腿型支撑梁(2)、质量块(3)、框架(4)、激振器(5)、检测元件(6)和金属内引线(7)组成，谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)位于质量块(3)和框架(4)之间的“口”字型腐蚀槽(8)内，一端固支在质量块(3)的侧面，另一端固支在框架(4)内壁；谐振梁(1)位于传感器芯片上表面，蟹腿型支撑梁(2)的中性面与质量块(3)的重心在同一水平面；
通过以下基本工艺步骤实现：
1)原始硅片是(100)面双面抛光硅片,厚度为H，热氧化、化学气相淀积法在硅片上制作腐蚀掩蔽层(9)，该薄膜同时也是掺杂时的掩蔽层和绝缘薄膜；
2)光刻、腐蚀、扩散、薄膜沉积工艺相结合制作谐振梁(1)的激振器(5)、振动检测元件(6)及金属内引线(7)；
3)背面光刻，形成谐振梁背腐蚀窗口(10)，缓释氢氟酸溶液腐蚀谐振梁背腐蚀窗口(10)中的腐蚀掩蔽层，谐振梁背腐蚀窗口(10)的长度和宽度分别为L和b+2(H-h)ctg54.7°，其中L是腐蚀槽(8)宽度，b是第5)步工艺中谐振梁(1)的掩膜宽度，h是谐振梁(1)的设计厚度；
4)氢氧化钾溶液中腐蚀硅，腐蚀深度为H-h-H2-0.263(H-d+0.471w)，其中H2是第7)步各向异性腐蚀时的深度，w是第5)步光刻后蟹腿型支撑梁(2)的掩蔽层宽度，d是蟹腿型支撑梁(2)的设计厚度；
5)正面光刻谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)的掩膜图形，缓释氢氟酸溶液腐蚀腐蚀槽(8)正面中除谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)掩膜以外部分的腐蚀掩蔽层；
6)背面光刻蟹腿型支撑梁(2)的图形，缓释氢氟酸溶液腐蚀腐蚀槽(8)背面中除蟹腿型支撑梁(2)以外部分的腐蚀掩蔽层；
7)氢氧化钾溶液中各向异性腐蚀硅，腐蚀深度H2＞d/2；
8)正面光刻，缓释氢氟酸溶液腐蚀正面腐蚀槽(8)中除谐振梁(1)以外的腐蚀掩蔽层；反面光刻，缓释氢氟酸溶液腐蚀背面腐蚀槽(8)中的腐蚀掩蔽层；
9)氢氧化钾溶液中腐蚀硅，垂直腐蚀深度为0.263(H-d+0.471w)时谐振梁(1)和蟹腿型支撑梁(2)同时达到设计厚度。
2.根据权利要求1所述的双轴体微机械谐振式加速度计，其特征在于：所制作的蟹腿型支撑梁(2)的截面是菱形，侧面夹角为50.48°和129.52°，有效长度是是L-(H-d)ctg54.7°；谐振梁(1)的长度有效长度是L-2(H-h)ctg54.7°，谐振梁(1)侧面和底面的夹角为25.24°，其下底的宽度为b+0.56H+1.416h+0.622d-2.364H2-0.293w-1.192H1，上底的宽度b+0.56H+5.659h-2.364H2-0.293w-1.192H1，下底的宽度等于零时截面为等腰三角形，上底的宽度是4.24h。
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