專利名稱：一種孔縫雙橋式加速度傳感器芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加速度傳感器芯片，具體涉及一種孔縫雙橋式加速度傳感器芯片及其制備方法。
背景技術(shù)：
壓阻式加速度傳感器作為最早開發(fā)的微加速度傳感器，經(jīng)歷長期的發(fā)展和完善， 已經(jīng)形成了許多經(jīng)典結(jié)構(gòu)，有單懸臂梁、雙懸臂梁、四梁、雙橋梁和五梁結(jié)構(gòu)等。這些結(jié)構(gòu)的傳感器芯片均采用微機械加工技術(shù)形成梁一島結(jié)構(gòu)，利用壓阻效應(yīng)來檢測加速度。單懸臂梁和雙懸臂梁結(jié)構(gòu)中，質(zhì)量塊作上下自由擺動，該類結(jié)構(gòu)傳感器芯片靈敏度很高，但固有頻率低，頻率響應(yīng)范圍窄，而且橫向靈敏度較大。單橋梁、雙橋梁和十字梁結(jié)構(gòu)為固支梁結(jié)構(gòu)， 質(zhì)量塊的運動受到固支梁的約束，所以該類結(jié)構(gòu)靈敏度較低，但固有頻率較高，頻率響應(yīng)范圍寬，而且橫向靈敏度較小。但是，隨著微機電系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，早期開發(fā)出的經(jīng)典的芯片結(jié)構(gòu)已逐漸無法滿足和適應(yīng)不同領(lǐng)域?qū)Ω哽`敏度和高響應(yīng)頻率的要求，汽車工業(yè)的沖擊加速度傳感器， 高速機床的主軸加速度傳感器，均對傳感器的靜態(tài)和動態(tài)靈敏度提出了較高的要求?？紤]到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，對經(jīng)典結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)?shù)母倪M以滿足故障診斷、汽車檢測行業(yè)等眾多領(lǐng)域的需要就具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種孔縫雙橋式加速度傳感器芯片及其制備方法，能夠提高傳感器的靜態(tài)和動態(tài)靈敏度，芯片具有體積小，重量小， 高頻響和高靈敏度的優(yōu)點。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種孔縫雙橋式加速度傳感器芯片，包括硅基底1和鍵合于硅基底1背面的玻璃襯底2，硅基底1的中心空腔內(nèi)配置有質(zhì)量塊4，四個開孔敏感梁3的一端與質(zhì)量塊4的四個邊角連接，另一端與硅基底1連接，每個開孔敏感梁3的中央設(shè)有一個應(yīng)力集中孔8，每個應(yīng)力集中孔8兩側(cè)布置兩根壓敏電阻條，兩根壓敏電阻條組成一個壓敏電阻5，四個壓敏電阻5通過第一金屬引線6相連并構(gòu)成半開環(huán)的惠斯通全橋電路，四個壓敏電阻5同時通過第二金屬引線9和五個金屬焊盤7連接，應(yīng)力集中孔8的深度和開孔敏感梁3的厚度相同。所述的四個壓敏電阻5在開孔敏感梁3上均沿著[110]或[110]晶向布置。一種孔縫雙橋式加速度傳感器芯片的制備方法，包括以下步驟a)使用體積濃度為49%的HF酸溶液，清洗硅片，硅片為η型，(100)晶面；b)在900°C -1200°C下進行高溫氧化，在硅片上形成二氧化硅層，然后用P-壓敏電阻版，正面光刻壓敏電阻圖形，對硅片頂部的器件層注入劑量為3X IO14CnT2硼離子，獲得 P-型輕摻雜的壓敏電阻5 ；c)利用P+歐姆接觸版，正面光刻形成硼離子重摻雜區(qū)，進行硼離子重摻雜，注入劑量為1.5 X IO16CnT2，獲得低阻的P+歐姆接觸區(qū)；d)利用引線孔版，正面光刻引線孔圖形，刻蝕出引線孔，保證壓敏電阻5的歐姆連接；e)利用金屬引線版，正面光刻處金屬引線的形狀，依次濺射15 150A、300 A和 1000 A (1 A=10_1(lm)的Ti、Pt、AU金屬層，形成傳感器芯片的金屬引線6;f)利用質(zhì)量塊減薄版，對硅片進行光刻，采用前面所述的ICP刻蝕，減薄質(zhì)量塊區(qū)域的硅，刻蝕深度為10 μ m，形成質(zhì)量塊4和玻璃襯底2之間的運動間隙；g)利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)在硅片正反兩面沉積一層Si3N4，正面 Si3N4作為保護層，防止后續(xù)工藝破壞前面工藝所得的壓敏電阻5 ；反面Si3N4作為硅濕法腐蝕遮蔽層，然后利用背腔版，再次對硅片的背面進行光刻，利用TMAH溶液進行各向異性濕法刻蝕，形成傳感器的質(zhì)量塊4和開孔敏感梁3 ；h)正面光刻去除之前工藝步驟中留下的Si3N4和5102層，利用正面穿透版，在硅片正面進行ICP刻蝕，刻蝕寬度為5 μ m-10 μ m，形成外圍的硅基底1和質(zhì)量塊4之間的間隙；i)通過陽極鍵合技術(shù)在硅基底1的背面粘接玻璃襯底2 ；j)劃片；k)低溫退火，釋放、緩解加工殘余內(nèi)應(yīng)力。對傳統(tǒng)的雙橋結(jié)構(gòu)和本發(fā)明的孔縫雙橋式結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析(加載 IOOg的Z向加速度)，得到如下的分析結(jié)果
^^^^比較項目結(jié)構(gòu)一階固有頻率(KHZ)最大等效應(yīng)力(MPA)雙橋梁結(jié)構(gòu)14. 2624. 5本發(fā)明11. 7635. 9經(jīng)數(shù)據(jù)比較分析，發(fā)現(xiàn)孔縫雙橋式結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力較雙橋梁結(jié)構(gòu)提高了 46.5%，有明顯的提高，而一階固有頻率僅下降了 17. 53%，其一階固有頻率仍較高，可以滿足不同領(lǐng)域?qū)Ω哳l響的要求，所以，分析結(jié)果顯示敏感梁上開孔的結(jié)構(gòu)較好的解決了雙橋梁結(jié)構(gòu)靈敏度較低的不足。與傳統(tǒng)雙橋梁結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明提出的孔縫雙橋式結(jié)構(gòu)將孔縫結(jié)構(gòu)和雙橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點有效的結(jié)合在一起，使得本發(fā)明所述的加速度傳感器芯片具有較高靈敏度和較高的固有頻率，能有效的滿足汽車工業(yè)和機床主軸振動測量等對高靈敏度和高相應(yīng)頻率的要求。


圖1為本發(fā)明的軸側(cè)示意圖。圖2為本發(fā)明的正面示意圖。圖3為本發(fā)明的原理示意圖。
圖4為本發(fā)明的半開環(huán)的惠斯通全橋電路圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行更為詳細的說明。參照圖1和圖2，一種孔縫雙橋式加速度傳感器芯片，包括硅基底1和鍵合于硅基底1背面的玻璃襯底2，硅基底1的中心空腔內(nèi)配置有質(zhì)量塊4，四個開孔敏感梁3的一端與質(zhì)量塊4的四個邊角連接，另一端與硅基底1連接，每個開孔敏感梁3的中央設(shè)有一個應(yīng)力集中孔8，每個應(yīng)力集中孔8兩側(cè)布置兩根壓敏電阻條，兩根壓敏電阻條組成一個壓敏電阻5，四個壓敏電阻5中的第一壓敏電阻5-1、第三壓敏電阻5-3布置于開孔敏感梁3與質(zhì)量塊4連接的部位，第二壓敏電阻5-2、第四壓敏電阻5-4布置于開孔敏感梁3和硅基底1 連接的部位，第一壓敏電阻5-1、第二壓敏電阻5-2、第三壓敏電阻5-3、第四壓敏電阻5-4通過第一金屬引線6相連并構(gòu)成半開環(huán)的惠斯通全橋電路，四個壓敏電阻5同時通過第二金屬引線9和五個金屬焊盤7連接，參照圖4，其中第一壓敏電阻5-1和第四壓敏電阻5-4之間連接線與第一金屬焊盤7-1連接，第四壓敏電阻5-4的另一端與第二金屬焊盤7-2連接， 第二壓敏電阻5-2和第三壓敏電阻5-3之間連接線與第四金屬焊盤7-4連接，第三壓敏電阻5-3的另一端與第三金屬焊盤7-3連接，第一壓敏電阻5-1和第二壓敏電阻5-2之間的連接線與第五金屬焊盤7-5連接，應(yīng)力集中孔8的深度和開孔敏感梁3的厚度相同。所述的四個壓敏電阻5在開孔敏感梁3上均沿著[110]或[110]晶向布置。本發(fā)明芯片的工作原理為參照圖3，根據(jù)牛頓第二定律F = ma,當(dāng)懸空的質(zhì)量塊4受到沿Z向的加速度a作用時，質(zhì)量塊4在力的作用向下移動，引起開孔敏感梁3的彎曲變形。根據(jù)硅的壓阻效應(yīng)， 開孔敏感梁3的彎曲變形產(chǎn)生的應(yīng)力，導(dǎo)致壓敏電阻5的阻值變化，四個壓敏電阻5所構(gòu)成的半開環(huán)惠斯通全橋電路失去平衡，輸出一個與外部加速度相應(yīng)的電壓值，從而實現(xiàn)傳感器芯片對加速度的測量。本發(fā)明中開孔敏感梁3上的壓敏電阻5阻值的變化量通過壓阻效應(yīng)的相關(guān)公式計算而來。壓阻效應(yīng)是指當(dāng)半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。當(dāng)壓阻條處于一定應(yīng)力作用下時，其阻值變化與其所受應(yīng)力之間的比例關(guān)系式如下
廠π 偵——=πισ + π R式中R——壓敏電阻5初始阻值；Ji χ——為壓敏電阻5橫向壓阻系數(shù)；Ji τ——壓敏電阻5縱向壓阻系數(shù)；σ i——壓敏電阻5受到的正應(yīng)力；τ i—壓敏電阻5受到的剪應(yīng)力；因此，開孔敏感梁3在外界加速度a的作用下產(chǎn)生的應(yīng)力將會使壓敏電阻5阻值變化，通過惠斯通電橋，參照圖4，將此變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞敵觯^而實現(xiàn)對加速度的感應(yīng)與測量。壓阻效應(yīng)具有各向異性的特點，沿著不同的方向施加應(yīng)力或沿不同方向通過電流， 材料的電阻率變化均不相同，為了在同樣的加速度作用下得到更大的輸出電信號，本發(fā)明中的開孔敏感梁3選擇(100)晶面硅片，利用(100)晶面硅在[110]和110]晶向上壓阻系數(shù)具有最大值，在[100]和W10]晶向上幾乎為零的特點，壓敏電阻5沿著[110]或[110] 晶向分布，提高了傳感器芯片對加速度的測量精度。一種孔縫雙橋式加速度傳感器芯片的制備方法，包括以下步驟a)使用體積濃度為49%的HF酸溶液，清洗硅片，硅片為η型，(100)晶面，4英寸， 400 μ m 厚；b)在900°C -1200°C下進行高溫氧化，在硅片上形成二氧化硅層，然后用P-壓敏電阻版，正面光刻壓敏電阻圖形，對硅片頂部的器件層注入劑量為3X IO14CnT2硼離子，獲得 P-型輕摻雜的壓敏電阻5 ；c)利用P+歐姆接觸版，正面光刻形成硼離子重摻雜區(qū)，進行硼離子重摻雜，注入劑量為1.5 X IO16CnT2，獲得低阻的P+歐姆接觸區(qū)；d)利用引線孔版，正面光刻引線孔圖形，刻蝕出引線孔，保證壓敏電阻5的歐姆連接；e)利用金屬引線版，正面光刻處金屬引線的形狀，依次濺射150A、300 A和 1000 A(1 A=10_lclm)的Ti、Pt、AU金屬層，形成傳感器芯片的金屬引線6;f)利用質(zhì)量塊減薄版，對硅片進行光刻，采用前面所述的ICP刻蝕，減薄質(zhì)量塊區(qū)域的硅，刻蝕深度為10 μ m，形成質(zhì)量塊4和玻璃襯底2之間的運動間隙；g)利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)在硅片正反兩面沉積一層Si3N4。正面Si3N4作為保護層，防止后續(xù)工藝破壞前面工藝所得的壓敏電阻5 ；反面Si3N4作為硅濕法腐蝕遮蔽層，然后利用背腔版，再次對硅片的背面進行光刻，利用TMAH溶液進行各向異性濕法刻蝕，形成傳感器的質(zhì)量塊4和開孔敏感梁3 ；h)正面光刻去除之前工藝步驟中留下的Si3N4和5102層，利用正面穿透版，在硅片正面進行ICP刻蝕，刻蝕寬度為5 μ m-10 μ m，形成外圍的硅基底2和質(zhì)量塊4之間的間隙， 以釋放質(zhì)量塊4 ；i)
j)
k)
權(quán)利要求
1.一種孔縫雙橋式加速度傳感器芯片，包括硅基底(1)和鍵合于硅基底(1)背面的玻璃襯底0)，硅基底(1)的中心空腔內(nèi)配置有質(zhì)量塊G)，其特征在于四個開孔敏感梁(3) 的一端與質(zhì)量塊(4)的四個邊角連接，另一端與硅基底(1)連接，每個開孔敏感梁C3)的中央設(shè)有一個應(yīng)力集中孔(8)，每個應(yīng)力集中孔(8)兩側(cè)布置兩根壓敏電阻條，兩根壓敏電阻條組成一個壓敏電阻(5)，四個壓敏電阻(5)通過第一金屬引線(6)相連并構(gòu)成半開環(huán)的惠斯通全橋電路，四個壓敏電阻(5)同時通過第二金屬引線(9)和五個金屬焊盤(7)連接，應(yīng)力集中孔(8)的深度和開孔敏感梁(3)的厚度相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種孔縫雙橋式加速度傳感器芯片，其特征在于所述的四個壓敏電阻(5)在開孔敏感梁(3)上均沿著[110]或[110]晶向布置。
3.—種孔縫雙橋式加速度傳感器芯片的制備方法，其特征在于包括以下步驟a)使用體積濃度為49%的HF酸溶液，清洗硅片，硅片為η型，(100)晶面；b)在900°C-120(TC下進行高溫氧化，在硅片上形成二氧化硅層，然后用P-壓敏電阻版，正面光刻壓敏電阻圖形，對硅片頂部的器件層注入硼離子，注入劑量為3 X IO14CnT2硼離子，獲得P-型輕摻雜的壓敏電阻(5)；c)利用P+歐姆接觸版，正面光刻形成硼離子重摻雜區(qū)，進行硼離子重摻雜，注入劑量為1.5 X IO16CnT2，獲得低阻的P+歐姆接觸區(qū)；d)利用引線孔版，正面光刻引線孔圖形，刻蝕出引線孔，保證壓敏電阻(5)的歐姆連接；e)利用金屬引線版，正面光刻處金屬引線的形狀，依次濺射150A、300A和1000 A (1 A=10_lclm)的Ti、Pt、AU金屬層，形成傳感器芯片的金屬引線(6)；f)利用質(zhì)量塊減薄版，對硅片進行光刻，采用前面所述的ICP刻蝕，減薄質(zhì)量塊區(qū)域的硅，刻蝕深度為lOym，形成質(zhì)量塊(4)和玻璃襯底(2)之間的運動間隙；g)利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)在硅片正反兩面沉積一層Si3N4，正面 Si3N4作為保護層，防止后續(xù)工藝破壞前面工藝所得的壓敏電阻5 ；反面Si3N4作為硅濕法腐蝕遮蔽層，然后利用背腔版，再次對硅片的背面進行光刻，利用TMAH溶液進行各向異性濕法刻蝕，形成傳感器的質(zhì)量塊(4)和開孔敏感梁(3)；h)正面光刻去除之前工藝步驟中留下的Si3N4和SiO2層，利用正面穿透版，在硅片正面進行ICP刻蝕，刻蝕寬度為5μπι-10μπι，形成外圍的硅基底(1)和質(zhì)量塊⑷之間的間隙；i)通過陽極鍵合技術(shù)在硅基底(1)的背面粘接玻璃襯底O)；j)劃片；k)低溫退火，釋放、緩解加工殘余內(nèi)應(yīng)力。
全文摘要
一種孔縫雙橋式加速度傳感器芯片及其制備方法，芯片包括硅基底和鍵合于硅基底背面的玻璃襯底，硅基底的中心空腔內(nèi)配置有質(zhì)量塊，四個開孔敏感梁的一端與質(zhì)量塊的四個邊角連接，另一端與硅基底連接，每個開孔敏感梁設(shè)有一個應(yīng)力集中孔，每個應(yīng)力集中孔兩側(cè)布置兩根壓敏電阻條并組成一個壓敏電阻，四個壓敏電阻通過金屬引線相連并構(gòu)成半開環(huán)的惠斯通全橋電路，四個壓敏電阻同時和五個金屬焊盤連接，其制備方法是通過硅各項異性濕法刻蝕以及ICP等離子刻蝕得到硅基底中的質(zhì)量塊和開孔敏感梁，采用鈦-鉑-金多層引線技術(shù)制作金屬引線，芯片能夠提高傳感器的靜態(tài)和動態(tài)靈敏度，具有體積小，重量小，高頻響和高靈敏度的優(yōu)點。
文檔編號B81C1/00GK102298074SQ20111013396
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
發(fā)明者劉巖, 孫祿, 田邊, 蔣莊德, 趙玉龍 申請人:西安交通大學(xué)