專利名稱：微加速度與微角速率集成傳感器制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微加速度與微角速率集成傳感器制造方法。
背景技術：
飛行器制導與控制、工業(yè)控制、汽車安全與導航、機器人、手機、醫(yī)療儀 器及虛擬游戲機等領域均需要由微加速度傳感器和微角速率傳感器構成的集成 系統(tǒng)來確定載體的速度、加速度、姿態(tài)及角速度等信息。近年來，利用微機械 加工技術研制的微加速度傳感器和微角速率傳感器具有體積小、靈敏度高、成
本低等優(yōu)點，給系統(tǒng)的設計帶來極大的方便，而且需求量也越來越大。目前， 國內(nèi)外許多研究機構紛紛開展了微加速度傳感器和微角速率傳感器的集成化研 究，但是大多數(shù)器件都采用組裝的方式實現(xiàn)集成，這就帶來了安裝誤差和質心
位置誤差，致使器件性能受到很大影響。其存在下述的缺點
(1 )傳統(tǒng)的微機械微加速度傳感器和角速率傳感器大多采用活動質量塊和 懸掛質量來檢測加速度或角速度，因此抗沖擊能力差、可靠性低。
(2) 傳統(tǒng)微機械加速度傳感器和角速率傳感器很難集成在一起，目前微機 械加速度傳感器和角速率傳感器的組合多采用單獨加工后兩種器件裝配的方 式，因此存在質心誤差和和安裝誤差，嚴重影響測量精度。
(3) 傳統(tǒng)微機械加速度傳感器和角速率傳感器采用不同的感知元件，增加 了結構復雜性，加工難度也比單個元件的大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術問題是提供一種微加速度與微角速率單片集成傳感 器制造方法，該方法采用氣體作為感知元件，能夠同時測量加速度和角速度， 具有加工工藝簡單、成本低，測量精度高的特點。
為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術方案是一種微加速度與微角速率集成傳感器制造方法，包括以下步驟
采用氣體作為感知元件，在一個襯底上制備微加速度傳感器需要的溫度傳 感器和加熱器，該溫度傳感器和加熱器懸空在襯底腔體中，在另一個襯底上制
備微角速率傳感器需要的溫度傳感器，該溫度傳感器懸空在襯底腔體中；采用 鍵合工藝將兩襯底鍵合成一體，再經(jīng)劃片、管芯分離、裝架、鍵合引線、封裝即可。
所述氣體為氬氣、氮氣、二氧化碳的其中一種；所述襯底為硅襯底、玻璃 襯底、石英襯底、陶瓷襯底、砷化鎵等襯底中的其中一種。
所述的微加速度與微角速率集成傳感器制造方法，包括以下步驟
A、 所述在一個硅村底上制備微加速度傳感器需要的溫度傳感器和加熱器步 驟包括
1) 在硅襯底上生長介質層，
2) 在介質層上再生長一層薄膜金屬層，該薄膜金屬層為用于制作加熱器和 溫度傳感器，
3) 光刻、腐蝕生成溫度傳感器和加熱器，
4) 將部分介質層和部分硅襯底腐蝕掉，形成架設在具有腔體的硅框架上的 懸橋式溫度傳感器和加熱器，
5) 用光刻、薄膜生長、刻蝕工藝形成鍵合結構；
B、 所述在另一個硅襯底上制備微角速率傳感器需要的溫度傳感器步驟包
括
1) 在硅襯底上生長介質層，
2) 在介質層上再生長一層薄膜金屬層，該薄膜金屬層為用于制作溫度傳感
器，
3) 光刻、腐蝕生成溫度傳感器，
4) 將部分介質層和部分硅襯底腐蝕掉，形成懸橋式溫度傳感器，其中腔體 空腔與加速度傳感器硅襯底上的腔體空腔相匹配；5)用光刻、薄膜生長、刻蝕工藝形成4走合結構；
c、最后采用鍵合工藝將兩襯底鍵合成一體，再經(jīng)劃片、管芯分離、裝架、
鍵合引線、封裝即可。
所述介質層為一層或一層以上，且介質層為絕緣體。 所述溫度傳感器分別對稱設置加熱器的兩側或四周。 所述溫度傳感器分別均勻設置在硅襯底框架上。
采用上述技術方案所產(chǎn)生的有益效果在于本發(fā)明方法采用氣體作為感知 元件代替固體活動質量塊，將加速度傳感器和角速率傳感器集成在同一個結構 內(nèi)，加工工藝簡單、成本低，測量精度高。


圖l是根據(jù)本發(fā)明方法制作的器件剖切結構示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明方法制作的器件內(nèi)部結構示意圖3是本發(fā)明硅襯底生長第一層介質后的結構示意圖，是以圖2中A-A截 面截取的；
圖4是本發(fā)明硅村底生長第二層介質后的結構示意圖5A是本發(fā)明在圖4結構上制備的溫度傳感器、加熱器結構圖5B是本發(fā)明在圖4結構上制備的溫度傳感器結構圖6是本發(fā)明在圖5B結構上生成鍵合層后的結構圖7A、圖7B是本發(fā)明在圖5A、圖6結構上刻蝕掉部分介質層后的結構圖； 圖8A、圖8B是本發(fā)明在圖7A、圖7B結構上刻蝕掉部分硅襯底后的結構圖； 圖9是本發(fā)明在圖8A結構上刻蝕掉需要鍵合結構的部分介質層后的結構
圖IO是本發(fā)明將圖8B、圖9結構經(jīng)過4定合后的結構圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描迷
如圖1、圖2所示，為采用本發(fā)明方法制作的一種微加速度與纟鼓角速率集成傳感器，采用氬氣氣體作為敏感元件，在硅襯底上利用微機械加工工藝制備而 成。包括微加速度傳感器和微角速率傳感器，其中，微加速度傳感器由硅襯底、
溫度傳感器3、加熱器4構成，硅襯底為具有腔體的框架結構，溫度傳感器3和 加熱器4位于同一平面上，結構對稱布置，并且懸空架于硅襯底上，微角速率 傳感器由硅襯底、溫度傳感器3構成，硅襯底為中空的框架結構，溫度傳感器3 位于同一平面上，結構對稱布置，并且以懸橋形式置于硅襯底上，微加速度和 微角速率集成傳感器結構通過金硅鍵合工藝連接為一體，其中微角速率傳感器 結構位于上層。
加速度測量利用的是氣體在加速度作用下產(chǎn)生的溫度場的變化。當沒有外 界加速度作用時，腔體內(nèi)的氣體受熱在重力場下作自然對流，其溫度梯度完全 對稱，加熱器兩側溫度傳感器的溫度值相同，檢測電路沒有輸出。當有X方向 的加速度信號作用時，溫度場在X方向發(fā)生偏移，加熱器左右對稱位置的溫度 不再相同，導致溫度傳感器的阻值發(fā)生變化，檢測該變化的值即可得到外界加 速度信號。
角速度測量利用的是加熱氣體在重力場作用下發(fā)生對流產(chǎn)生的速度。當加熱 器在驅動電壓作用下發(fā)熱時，位于加熱器上方的氣體受熱上升，導致兩側的氣 流過來補充，產(chǎn)生靠近加熱器方向的運動。當沒有外界角速度作用時，加熱器 兩側氣體流速相等，方向相反，對流場分布完全對稱，溫度傳感器感受到的溫 度相同，檢測電路沒有輸出。當有Z方向的角速度信號作用時，在X向運動的 氣體上產(chǎn)生Y方向的哥氏加速度a-2"x^該加速度^f吏氣體的運動在Y向 發(fā)生偏移，從而導致Y向對稱位置的溫^:電阻的溫度發(fā)生不同變化，通過檢測 電路敏感氣體溫度的差值得到角速度值。
采用本發(fā)明方法制作的傳感器具有多種不同的結構，以下^又就圖1、圖2所 示結構的實施例對本發(fā)明方法進行說明
首先，在硅襯底11 (單晶硅)上生長第一層介質10,該介質為二氧化硅， 其結構如圖3所示；接著進行第二層介質12的生長，該層介質為氮化硅，其結構如圖4所示；在圖4的結構上生長一層金屬薄膜，利用光刻、腐蝕等工藝制 成溫度傳感器的金屬膜13、加熱器的金屬膜14,分別制成不同的結構，其結構 如圖5A、圖5B所示；在圖5B所示結構基礎上，生長一層金硅鍵合層，該層材 料為金屬金15，其結構如圖6所示，在圖5A、圖6所示結構基礎上，利用光刻 腐蝕等工藝腐蝕掉部分第一層介質和第二層介質，其結構如圖7A、圖7B所示； 在圖7A、圖7B所示結構基礎上，繼續(xù)腐蝕掉部分硅襯底(單晶硅)，制成框架 形結構，溫度傳感器3、加熱器4懸空置于硅襯底框架上，其結構如圖8A、圖 8B所示，在圖8A所示結構基礎上，去掉需要鍵合部分的第一層介質-二氧化硅， 其結構如圖9所示，最后，將圖9、圖8B所示的結構進行金硅4定合，形成圖10 所示的結構，將圖10所示結構經(jīng)劃片、管芯分離、裝架、鍵合引線、封裝即可 得到制作好的傳感器，其剖切結構如圖l所示。
上述實施例工藝中采用的光刻、腐蝕等工藝為通用工藝，在此不做介紹， 對于金硅鍵合方法，其中金硅鍵合的基本原理為在兩片硅片之間有一層金薄 膜，即金珪二相系(硅含量19 a) t%，熔點為363 。C，其熔點要比純金或純硅 的熔點都要低得多。金置于欲鍵合兩片硅片之間，被用作中間過渡層，將其加 熱到稍高于金硅共晶點的溫度，金硅混合物將從鍵合的硅片中奪取硅原子以達 到硅在金硅二相系中的飽和狀態(tài)，冷卻以后就形成了良好的鍵合。金硅鍵合一 般為了防止氧化要在真空或者氮氣保護的環(huán)境下進行。
實現(xiàn)步驟是先在兩片要鍵合的其中一片硅片上濺射一層幾十納米的鈥， 接著再濺射幾百鈉米的金，將另一硅片的氮化硅刻蝕掉，露出單晶硅。然后把 兩片硅片進行對位，對好后用夾具將兩硅片貼合在一起，放在鍵合臺上進行鍵 合，鍵合臺可提供金硅共晶合金的共晶溫度為363°C,硅與金之間通過合金熔解 以及再凝固而結合在一起，形成兩層硅片之間的鍵合。本發(fā)明在要鍵合的微角 速率結構上濺射生長一層金，在微加速度傳感器結構上去掉鍵合面上的二氧化 硅，露出單晶硅，然后進行鍵合。
權利要求
1、一種微加速度與微角速率集成傳感器制造方法，其特征在于制造方法包括以下步驟采用氣體作為感知元件，在一個襯底上制備微加速度傳感器需要的溫度傳感器和加熱器，該溫度傳感器和加熱器懸空在襯底腔體中，在另一個襯底上制備微角速率傳感器需要的溫度傳感器，該溫度傳感器懸空在襯底腔體中；采用鍵合工藝將兩襯底鍵合成一體，再經(jīng)劃片、管芯分離、裝架、鍵合引線、封裝即可。
2、 根據(jù)權利要求l所述的微加速度與微角速率集成傳感器制造方法，其特 征在于所述氣體為氬氣、氮氣、二氧化碳的其中一種；所述襯底為硅襯底、玻 璃襯底、石英襯底、陶乾襯底、砷化鎵村底中的其中一種。
3、 根據(jù)權利要求l所述的微加速度與微角速率集成傳感器制造方法，其特 征在于包括以下步驟A、 所述在一個硅襯底上制備微加速度傳感器需要的溫度傳感器和加熱器步 驟包括1) 在硅襯底上生長介質層，2) 在介質層上再生長一層薄膜金屬層，該薄膜金屬層為用于制作加熱器和 溫度傳感器，3) 光刻、腐蝕生成溫度傳感器和加熱器，4) 將部分介質層和部分硅村底腐蝕掉，形成架設在具有腔體的珪框架上的 懸橋式溫度傳感器和加熱器，5) 用光刻、薄膜生長、刻蝕工藝形成鍵合結構；B、 所述在另一個硅襯底上制備微角速率傳感器需要的溫度傳感器步驟包括1)在硅襯底上生長介質層，2) 在介質層上再生長一層薄膜金屬層，該薄膜金屬層為用于制作溫度傳感器，3) 光刻、腐蝕生成溫度傳感器，4) 將部分介質層和部分硅襯底腐蝕掉，形成懸橋式溫度傳感器，其中腔體 空腔與加速度傳感器硅襯底上的腔體空腔相匹配；5) 用光刻、薄膜生長、刻蝕工藝形成4定合結構；C、最后采用4建合工藝將兩襯底4建合成一體，再經(jīng)劃片、管芯分離、裝架、 鍵合引線、封裝即可。
4、 根據(jù)權利要求3所述的微加速度與微角速率集成傳感器制造方法，其特 征在于所述介質層為一層或一層以上，且介質層為絕緣體。
5、 根據(jù)權利要求l所述的微加速度與微角速率集成傳感器制造方法，其特 征在于所述溫度傳感器分別對稱設置加熱器的兩側或四周。
6、 根據(jù)權利要求l所述的微加速度與微角速率集成傳感器制造方法，其特 征在于所述溫度傳感器分別均勻設置在硅襯底框架上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微加速度與微角速率集成傳感器制造方法，采用氣體(如氬氣、氮氣、二氧化碳等氣體)作為感知元件，在一個襯底上制備微加速度傳感器需要的溫度傳感器和加熱器，該溫度傳感器和加熱器懸空在襯底腔體中，在另一個襯底上制備微角速率傳感器需要的溫度傳感器，該溫度傳感器懸空在襯底腔體中；采用鍵合工藝(如金硅鍵合工藝)將兩襯底鍵合成一體，再經(jīng)劃片、管芯分離、裝架、鍵合引線、封裝即可。本發(fā)明方法采用氣體作為感知元件代替固體活動質量塊，將加速度傳感器和角速率傳感器集成在同一個結構內(nèi)，加工工藝簡單、成本低，測量精度高。
文檔編號B81C3/00GK101509933SQ200910073948
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月19日 優(yōu)先權日2009年3月19日
發(fā)明者呂樹海, 張旭輝, 徐淑靜, 徐愛東, 楊擁軍 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所