一种差分电容微加速度传感器及其制作方法技术

本发明专利技术提出一种差分电容微加速度传感器及其制作方法，该方法利用体硅工艺完成可动质量块和弹性梁的制作，通过干法刻蚀完成结构制作的同时也完成器件结构的释放；可动电极与可动质量块具有相同的形状和大小，避免重复光刻，工艺大大简化；设计的弹性梁在敏感方向刚度小，敏感垂直方向刚度大，具有较高的选择性和防串扰能力；利用圆片级低温真空对准键合技术将器件简单可靠地封装起来，便于大规模制造。此外，本发明专利技术的微加速度传感器采用了变面积式工作原理使得可动质量块在运动时仅受到滑膜阻尼，提高了灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种加速度传感器，特别是涉及一种制造方法简单器件尺寸小至毫米量级的栅状结构差分电容微加速度传感器及其制作方法，属于微电子机械制造领域。
技术介绍
微型加速度传感器以其体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成等特点而广泛和深入应用在航天制导、车辆控制、机器人、手机智能、工业探矿、医学等领域中。为了适应不同领域测量条件的限制，加速度传感器的类型也多种多样，但电容式加速度传感器由于其良好的温度特性、高灵敏度、稳定性高以及加工简单等特点一直都是研究的最主要方向。应用于微加速度传感器的敏感机理很多，目前有文献报道的主要有压阻式、电容 式、温敏式、谐振式等。压阻式微加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，将输入转换为弹性结构的形变，从而引起制作在弹性结构上的压敏电阻阻值的变化，再通过外界电路将电阻的变化转换为电压或电流变化。压阻式加速度传感器具有加工工艺简单，测量方法容易，线性度好等优点，但也有严重的缺点，例如温度效应严重，工作状态不稳定，灵敏度低坐寸ο电容式微加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，利用平行板电容将质量块的相对位移转换为电容的变化，再通过检测电路将电容的微小变化转换为与其成正比的电压的变化。电容式加速度传感器具有温度效应低、功耗小、灵敏度相对较高、结构简单等突出优点，但是外界加速度仅能引起电容微小的变化(通常在10-15量级甚至更低)，因此测试方法复杂。对于平板电容，电容值为C=—， d其中ε为介质的介电常数，A为极板正对面积，d为极板间垂直距离。由上式可知，电容加速度传感器按工作原理大致分为两类。一类是变间距式，在加速度的作用下质量块上下电极距离发生变化，大多数文献中采用更多的是变间距式的加速度传感器；另一类是变面积式，通过上下电极的平行错位使得交叠面积发生变化。前者由于电容和间距成反比关系，会造成电容变化的非线性，需要利用反馈电路来减小非线性，另外由于上下极板相对运动，会产生较大的压膜阻尼。而后者则完全是线性的关系，且由于运动过程中产生的是滑膜阻尼，这大大提高了加速度计的灵敏度。鉴于此，如何制作出一种电容式微加速度传感器，以克服现有技术中电容变化的非线性以及加速度引起的电容变化微小造成的测试方法复杂的缺点，成为目前亟待解决的问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供，用于解决现有技术中电容变化的非线性以及加速度引起的电容变化微小造成的测试方法复杂的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供，至少包括以下步骤I)提供一衬底，在所述衬底的正面制备金属层，并在所述金属层上进行光刻、以及腐蚀工艺制作出一对叉指形固定电极以及两个固定电极触点；2)提供一结构基片，并在所述结构基片背面进行光刻和腐蚀工艺制备出用来释放可动结构的预置空腔、以及两个电极引出通孔；3)将步骤I)中所述衬底的正面与步骤2)中所述结构基片的背面键合在一起；4)从所述结构基片正面将其减薄到目标厚度后，在其正面沉积金属层，并在所述金属层上进行光刻以及腐蚀工艺形成可动电极、可动质量块、弹性梁、以及固定电极引出通孔结构的图形； 5)依据所述骤4)中的光刻图形，通过对所述结构基片进行干法刻蚀以得到可动质量块、弹性梁以及两个电极引出通孔；6 )提供一盖板基片，在所述盖板基片背面进行光刻以及腐蚀工艺制作出与所述可动质量块相对应的盖板空腔；7)将所述步骤6)中的盖板基片背面和所述步骤5)中结构基片的正面键合在一起;8)通过光刻以及硅的深腐蚀工艺在所述步骤7)中的盖板基片上形成电极引出通孔；9 )通过打线方式从所述电极引出通孔中引出固定电极和可动电极。可选地，所述步骤4)中在所述结构基片正面沉积的金属层的材质为Au、Al、Cu、或Ag ;所述步骤7)中的键合工艺为圆片级低温真空键合，采用的键合材料为玻璃浆料、聚合物或金属粘合剂；所述步骤2)中结构基片上的电极引出通孔与所述步骤5)中盖板基片上的电极引出通孔相对准，用于将所述固定电极和可动电极引出；所述步骤I)中的衬底为玻璃片时，该步骤I)中在所述玻璃片上沉积的金属层的材质为Au、Al、Cu、或Ag ;所述步骤3)中采用阳极键合工艺将衬底正面与所述结构基片的背面键合在一起。可选地，所述步骤I)中的衬底为硅片时，所述步骤I)还包括1-1)提供一衬底，在所述衬底的正面热氧化生长一层氧化硅；1-2)在所述步骤1-1)衬底的正面制备Au层，并在所述Au层上进行光刻、以及腐蚀工艺制作出一对叉指形固定电极；所述步骤2)还包括2-1)提供一结构基片，并在所述结构基片背面热氧化生长一层氧化硅；2-2)在所述步骤2-1)的氧化硅上进行光刻和腐蚀工艺制作出用来释放可动结构的预置空腔、以及电极引出通孔；2-3)在所述结构基片背面制作键合接触环。可选地，所述步骤2-3)中键合接触环的材料为玻璃浆料、聚合物或金属粘合剂。可选地，所述结构基片为娃基片或SOI基片；所述盖板基片为娃基片。可选地，所述结构基片为SOI基片时，所述步骤2)还包括2-1)提供一结构基片，在所述结构基片背面的顶层硅表面热氧化生长一层氧化硅；2-2)在所述结构基片背面的氧化硅层上进行光刻及刻蚀，开出所述顶层硅的腐蚀窗口，然后以氧化硅为掩膜，对所述腐蚀窗口的顶层硅进行刻蚀直至达到埋层氧化硅层，以形成用来释放可动结构的预置空腔、以及电极引出通孔；2-3)利用干法刻蚀将所述步骤2-2)中结构基片背面露出的所述埋层氧化硅刻蚀掉。本专利技术的另一目的是提供一种差分电容微加速度传感器，至少包括衬底，其正面具有一对叉指形固定电极以及一对固定电极触点； 结构基片，具有一凹腔的背面键合于所述衬底之上，通过该凹腔与所述衬底表面构成电容间距，正面具有栅状可动电极；对应所述凹腔上方悬设有栅状可动质量块，所述可动质量块两侧分别通过若干对称弹性梁连接至所述结构基片；对应所述衬底上一对所述固定电极触点在所述结构基片上还具有两个电极引出通孔；盖板基片，具有一凹腔的背面键合于所述结构基片正面之上，通过该凹腔与所述结构基片正面构成了所述可动质量的运动间隙；对应所述衬底上一对所述固定电极触点以及结构基片上的可动电极，在所述盖板基片上还具有两个电极引出通孔，以实现将所述固定电极和可动电极引出。可选地，所述固定电极和可动电极的材质为Au、Al、Cu、或Ag ;所述弹性梁和可动质量块形成于所述结构基片体材料中；所述弹性梁对称分布于所述可动质量块两侧，其个数为2个，且所述弹性梁的形状为环形；所述衬底上的叉指形固定电极与结构基片上的栅状可动质量块组成敏感电容器；所述加速度传感器中的栅状可动质量块的运动方向为沿与该质量块上表面平行的方向，属于面内加速度传感器。可选地，所述衬底选为硅片或玻璃片；所述结构基片为选为硅基片或SOI基片；所述盖板基片选为硅片；所述结构基片为SOI基片时，所述电容间距为该SOI基片顶层硅与埋层氧化硅的厚度之和；所述环形弹性梁和可动质量块形成于该SOI基片的衬底硅中。如上所述，本专利技术的，具有以下有益效果:本专利技术利用体硅工艺完成可动质量块和弹性梁的制作，通过干法刻蚀完成结构制作的同时也完成器件结构的释放；可动电极与可动质量块具有相同的形状和大小，避免重复光刻，工艺大大简化；设计的弹性梁在敏感方向刚度小，敏感垂直方向刚度大，具有较高的选择性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种差分电容微加速度传感器的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤：1）提供一衬底，在所述衬底的正面制备金属层，并在所述金属层上进行光刻、以及腐蚀工艺制作出一对叉指形固定电极以及两个固定电极触点；2）提供一结构基片，并在所述结构基片背面进行光刻和腐蚀工艺制备出用来释放可动结构的预置空腔、以及两个电极引出通孔；3）将步骤1）中所述衬底的正面与步骤2）中所述结构基片的背面键合在一起；4）从所述结构基片正面将其减薄到目标厚度后，在其正面沉积金属层，并在所述金属层上进行光刻以及腐蚀工艺形成可动电极、可动质量块、弹性梁、以及固定电极引出通孔结构的图形；5）依据所述骤4）中的光刻图形，通过对所述结构基片进行干法刻蚀以得到可动质量块、弹性梁以及两个电极引出通孔；6）提供一盖板基片，在所述盖板基片背面进行光刻以及腐蚀工艺制作出与所述可动质量块相对应的盖板空腔；7）将所述步骤6）中的盖板基片背面和所述步骤5）中结构基片的正面键合在一起；8）通过光刻以及硅的深腐蚀工艺在所述步骤7）中的盖板基片上形成电极引出通孔；9）通过打线方式从所述电极引出通孔中引出固定电极和可动电极。

【技术特征摘要】
1.一种差分电容微加速度传感器的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤 1)提供一衬底，在所述衬底的正面制备金属层，并在所述金属层上进行光刻、以及腐蚀工艺制作出一对叉指形固定电极以及两个固定电极触点； 2)提供一结构基片，并在所述结构基片背面进行光刻和腐蚀工艺制备出用来释放可动结构的预置空腔、以及两个电极引出通孔； 3)将步骤I)中所述衬底的正面与步骤2)中所述结构基片的背面键合在一起； 4)从所述结构基片正面将其减薄到目标厚度后，在其正面沉积金属层，并在所述金属层上进行光刻以及腐蚀工艺形成可动电极、可动质量块、弹性梁、以及固定电极引出通孔结构的图形； 5)依据所述骤4)中的光刻图形，通过对所述结构基片进行干法刻蚀以得到可动质量块、弹性梁以及两个电极引出通孔； 6)提供一盖板基片，在所述盖板基片背面进行光刻以及腐蚀工艺制作出与所述可动质量块相对应的盖板空腔； 7)将所述步骤6)中的盖板基片背面和所述步骤5)中结构基片的正面键合在一起； 8)通过光刻以及硅的深腐蚀工艺在所述步骤7)中的盖板基片上形成电极引出通孔； 9 )通过打线方式从所述电极引出通孔中引出固定电极和可动电极。2.根据权利要求I所述的差分电容微加速度传感器的制作方法，其特征在于所述步骤4)中在所述结构基片正面沉积的金属层的材质为Au、Al、Cu、或Ag。3.根据权利要求I所述的差分电容微加速度传感器的制作方法，其特征在于所述步骤7)中的键合工艺为圆片级低温真空键合，采用的键合材料为玻璃浆料、聚合物或金属粘合剂。4.根据权利要求I所述的差分电容微加速度传感器的制作方法，其特征在于所述步骤2)中结构基片上的电极引出通孔与所述步骤5)中盖板基片上的电极引出通孔相对准，用于将所述固定电极和可动电极引出。5.根据权利要求I所述的差分电容微加速度传感器的制作方法，其特征在于所述步骤I)中的衬底为玻璃片时，该步骤I)中在所述玻璃片上沉积的金属层的材质为Au、Al、Cu、或Ag ;所述步骤3)中采用阳极键合工艺将衬底正面与所述结构基片的背面键合在一起。6.根据权利要求I所述的差分电容微加速度传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤I)中的衬底为硅片时，所述步骤I)还包括 1-1)提供一衬底，在所述衬底的正面热氧化生长一层氧化硅； 1-2)在所述步骤1-1)衬底的正面制备Au层，并在所述Au层上进行光刻、以及腐蚀工艺制作出一对叉指形固定电极； 所述步骤2)还包括 2-1)提供一结构基片，并在所述结构基片背面热氧化生长一层氧化硅； 2-2)在所述步骤2-1)的氧化硅上进行光刻和腐蚀工艺制作出用来释放可动结构的预置空腔、以及电极引出通孔； 2-3)在所述结构基片背面制作键合接...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊斌，徐铭，徐德辉，姚邵康，马颖蕾，王跃林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
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