一种环形梁制造技术

本发明专利技术公开了一种环形梁

【技术实现步骤摘要】
一种环形梁MEMS加速度传感器及其制备工艺


[0001]本专利技术涉及加速度传感器
，具体是一种环形梁
MEMS
加速度传感器及其制备工艺
。

技术介绍

[0002]微机电系统
(MEMS)
是指把采用微机械加工技术制造出的特征尺寸在
μ
m
级别的器件与后续处理控制电路集成到一体的系统
。MEMS
传感器已经由单个的功能器件结构逐渐发展成为一个或多个功能器件结构和集成电路结合的复杂系统，而目前广泛采用的
MEMS
设计方法是独立进行传感器的器件设计和信号处理电路设计
。
[0003]MEMS
加速度传感器主要分为电容式传感器和压阻式传感器
。
压阻式加速度传感器凭借其电路简单易加工
、
信号线线性度好等优势，被广泛使用并实现商业化
。
其原理是通过一个半导体电阻组成的惠斯通电桥输出电压信号实现对加速度采集
。
现有的设计普遍采用硅晶片为衬底，通过深硅刻蚀工艺加一个工梁
‑
质量块的机械结构，通过离子注入工艺在应变梁上加工出掺杂电阻，将梁上的电阻组成惠斯通电桥，实现从加速度到位移到应变到电压的转化过程最终实现数据采集和输出
。
由于不同机械结构的荷载极限和应力应变等参数指标差别巨大，将直接影响传感器的灵敏度和量程等指标，所以敏感模块的机械结构设计是
MEMS
加速度传感器设计的重中之重
。
[0004]现有的技术缺点：
[0005]一
、
现有的加速度传感器设计无法避免生产过程中的热应力问题；在硅基
MEMS
加工工艺过程中，通常采用高温热氧化工艺在硅晶圆表面加工出二氧化硅氧化层作为绝缘层；然而由于二氧化硅的温度膨胀系数为
0.5
×
10
‑6/℃
，低于硅的膨胀系数
2.5
×
10
‑6/℃
，在高温回火的过程中，两者膨胀的体积不同发导致整体结构会发生翘曲；由于敏感结构的质量块与外框的厚度较大，其硅材料厚度远大于表面二氧化硅的厚度，其翘曲变形不明显，而敏感梁的厚度较小，其表面翘曲更加严重，并将直接影响传感器的灵敏度以及零点输出
。
[0006]二
、
硅基
MEMS
加工时，顶部键合会引入残留应力对传感器性能产生影响；键合工艺被广泛运用在硅基
MEMS
工艺中，在完成表面电路加工后，
MEMS
敏感单元需要在其顶部加装盖板以保护内部敏感结构；然而，现有的一些键合工艺
(
如玻璃键合，硅硅键合等
)
会引入较大的残留应力从而导致敏感梁上电路产生零位偏差和灵敏度下降
。
[0007]三
、
现有的加速度传感器在过载保护方面存在一定短板；传统的加速度传感器采用的过载保护方式一般是依靠支撑梁强度来抵御过载冲击力，这种设计会导致过载能力与其量程挂钩，一般的加速度传感器过载能力仅仅略高于其满量程；如果强行提高其过载能力又会大大牺牲其灵敏度；另一种过载保护方案式为限位保护，然而限位保护需要质量快位移达到一定大小时才能起作用，这就对现有的
MEMS
加功能力提出了要求；现有的加功能力深硅刻蚀比往往很难刻蚀出过载保护所需要的空间
。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种环形梁
MEMS
加速度传感器及其制备工艺，以解决现有技术中的问题
。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种环形梁
MEMS
加速度传感器，包括框架，所述框架内部开设有空腔，所述框架位于空间内活动安装有质量块，所述质量块通过四个敏感梁与框架连接；所述敏感梁由环形梁和直梁组成，所述环形梁的两端设置有直梁，所述直梁远离环形梁一端安装有半导体电阻
。
[0010]优选的，还包括顶部盖板和底部盖板，所述顶部盖板安装在框架顶端，所述底部盖板安装在框架底端
。
[0011]优选的，所述环形梁包括三个船型环，三个所述船型环通过横梁呈直线型连接，船型环中部开设有环形梁孔缝
。
[0012]优选的，所述环形梁的边框的拐角处均设置为倒圆角结构
。
[0013]优选的，所述直梁包括粗梁和细梁，所述细梁位于粗梁和环形梁之间
。
[0014]优选的，所述质量块呈四叶草状
。
[0015]一种环形梁
MEMS
加速度传感器的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
[0016]S1
：制备传感器的原材料：
SOI
硅片，首先对硅片进行清洗与烘干，随后对
SOI
硅片双面热氧化，形成二氧化硅氧化绝缘层；硅片包含
N
型硅基底
、
埋层氧化层以及器件层；
[0017]S2
：通过点胶机对
SOI
硅片进行点胶，然后加工出半导体电阻的图案；随后去除电阻区的二氧化硅绝缘层；去除硅片上的光刻胶并清洗硅片；向硅晶体掺杂五价磷元素形成
P
型电阻；重掺杂制作出电阻与引线的欧姆接触；再次进行
N
型掺杂形成
Nplus
结构；
[0018]S3
：去除掺杂过程中的残留光刻胶；高温退火；通过
PECVD
工艺制作
PECVD SiO2绝缘层；刻蚀去除氧化层露出金属互连通孔并光刻出焊盘和引线；通过蒸镀工艺制作出表面金属引线焊盘；
[0019]S4
：通过涂胶
、
显影
、
光刻
、PECVD
工艺制作
Si3N4钝化层；
[0020]S5
：去除背面氧化层；通过涂胶显影光刻工艺制作出深硅刻蚀区域；对硅基底进行刻蚀，刻蚀到埋层氧化层；
[0021]S6
：通过点胶机对键和区域涂胶，形成键合涂胶层，将上下盖板对准安装到硅片上，通过高温烘烤将盖板与硅片键合在一起
。
[0022]优选的，所述
S1
硅基底厚度为
400um
，埋层氧化层厚度2‑
3um
，器件层厚度为
10um
，硅片晶向为
100
晶向
。
[0023]优选的，所述
S2
通过掩模版以及光刻机进行曝光显影工艺，加工出半导体电阻的图案；通过轻掺杂工艺，向硅晶体掺杂五价磷元素形成
P
型电阻
。
[0024]优选的，所述
S5
通过湿法刻蚀工艺对硅基底进行刻蚀，深度
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种环形梁
MEMS
加速度传感器，包括框架
(2)
，其特征在于：所述框架
(2)
内部开设有空腔
(4)
，所述框架
(2)
位于空间内活动安装有质量块
(5)
，所述质量块
(5)
通过四个敏感梁
(3)
与框架
(2)
连接；所述敏感梁
(3)
由环形梁
(31)
和直梁
(32)
组成，所述环形梁
(31)
的两端设置有直梁
(32)
，所述直梁
(32)
远离环形梁
(31)
一端安装有半导体电阻
(6)。2.
根据权利要求1所述的一种环形梁
MEMS
加速度传感器，其特征在于：还包括顶部盖板
(1)
和底部盖板
(15)
，所述顶部盖板
(1)
安装在框架
(2)
顶端，所述底部盖板
(15)
安装在框架
(2)
底端
。3.
根据权利要求1所述的一种环形梁
MEMS
加速度传感器，其特征在于：所述环形梁
(31)
包括三个船型环
(311)
，三个所述船型环
(311)
通过横梁呈直线型连接，船型环
(311)
中部开设有环形梁孔缝
(312)。4.
根据权利要求4所述的一种环形梁
MEMS
加速度传感器，其特征在于：所述环形梁
(31)
的边框的拐角处均设置为倒圆角结构
。5.
根据权利要求
1、3
或4所述的一种环形梁
MEMS
加速度传感器，其特征在于：所述直梁
(32)
包括粗梁
(321)
和细梁
(322)
，所述细梁
(322)
位于粗梁
(321)
和环形梁
(31)
之间
。6.
根据权利要求1所述的一种环形梁
MEMS
加速度传感器，其特征在于：所述质量块
(5)
呈四叶草状
。7.
根据权利要求1所述的一种环形梁
MEMS
加速度传感器的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1
：制备传感器的原材料：
SOI
硅片，首先对硅片进行清洗与烘干，随后对
SOI

【专利技术属性】
技术研发人员：盖广洪，苗天宇，颜逊，
申请(专利权)人：苏州航凯微电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：