專利名稱：微機電加速度計及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微機電加速度傳感技術領域，尤其涉及一種基于電容傳導技術的微機電加速度計及其制造方法。
背景技術：
在傳統的微機電加速度計制造工藝中，普遍通過切割來分離芯片。在利用切割機進行切割的過程中，不僅需要水進行冷卻，還會產生碎屑。因此，為了保護由硅制成的精密結構不被碎屑損傷，需要使該精密結構覆蓋有例如光致抗蝕劑等的保護層。然而，在切割之后去除光致抗蝕劑非常麻煩，通常會有一定比例的芯片被毀壞從而導致產量減少。另一方面，通過切割分離芯片，使得微機電加速度計中的質量體的尺寸受到限制。然而，微機電加速度計的靈敏度與質量體的尺寸密切相關，例如布朗噪聲與質量體的重量 成反比。因此，為了彌補小質量體對微機電加速度計的靈敏度造成的負面影響，現有技術中通常需要提高對封裝、電子接口和控制系統等方面的技術要求，例如a、真空封裝以及在真空條件下操作微機電加速度計芯片，以盡量降低布朗噪聲；以及b、接口電路用ASIC實現，以盡量減少干擾和其它電子噪聲。綜上所述，有必要研發(fā)一種免切割的、能夠形成大質量體的微機電加速度計制造工藝。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種微機電加速度計及其制造方法，其能夠免切割地形成大質量體，從而有效提高微機電加速度計的靈敏度，而無需對微機電加速度計的封裝、電子接口和控制系統等方面施加過多的技術要求。為了實現上述目的，根據本發(fā)明的實施例，提供了一種微機電加速度計的制造方法，其包括對包括第一硅層、氧化物層以及第二硅層的絕緣體上硅晶片進行第一刻蝕，以在所述第一硅層中形成延伸至所述氧化物層的若干個第一刻痕，從而利用所述第一硅層形成所述微機電加速度計的質量體的兩個支腳，其中所述第一硅層、所述氧化物層以及所述第二娃層沿層疊方向依次堆疊；對所述絕緣體上硅晶片進行第二刻蝕，以在所述第二硅層中形成延伸至所述氧化物層的若干個第二刻痕，從而利用所述第二硅層形成所述微機電加速度計的質量體中的電極；以及對所述氧化物層進行刻蝕，以使得所述兩個支腳之間的第一硅層脫離。為了實現上述目的，根據本發(fā)明的另一實施例，提供了一種微機電加速度計，包括質量體，其沿靈敏軸方向上的兩端分別具有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽中設置有若干個第一移動電極，所述第二凹槽中設置有若干個第二移動電極；
第一支架，其連接有若干個伸入進所述第一凹槽的第一固定電極，各所述第一固定電極與各所述第一移動電極組成若干個第一電容；第二支架，其連接有若干個伸入進所述第二凹槽的第二固定電極，各所述第二固定電極與各所述第二移動電極組成若干個第二電容；以及固定架，所述質量體沿所述靈敏軸方向可移動地連接至所述固定架，所述第一支架和第二支架固定于所述固定架上。由于通過刻蝕工藝來分離出單個芯片，根據本發(fā)明實施例所提供的微機電加速度計及其制造方法避免了切割工藝給質量體帶來的損傷，提高了產量。實踐中，根據本發(fā)明實施例所提供的微機電加速度計制造方法的產品合格率在95%以上。此外，免切割的制造工藝有助于形成大的底切區(qū)域、即有助于形成大尺寸的質量體。而大尺寸的質量體使得微機電加速度計更容易實現高靈敏度，例如能夠實現本底噪聲 低于I μ g/rt-hZ、線性度好于1%以及滿量程為+/-2. 5g。另一方面，大的質量體有助于提高微機電加速度計的靈敏度，使得根據本發(fā)明實施例所提供的微機電加速度計對封裝、電子接口和控制系統等方面的技術要求更低。例如，由于大的質量體的布朗噪聲的影響幾乎可以忽略，因此該微機電加速度計在大氣壓力下進行封裝即可，而無需在真空條件下封裝。又例如，大的質量體意味著大的差模電容，因此電輸出信號的信噪比較高，從而可以在印刷電路板上實現接口電路，而無需利用開發(fā)成本高昂的ASIC來實現接口電路。


圖I為根據本發(fā)明實施例所提供的微機電加速度計的俯視圖；圖2(a)_(d)為根據本發(fā)明實施例所提供的微機電加速度計中的質量體的制造方法的各步驟中質量體的剖視圖。附圖標記說明I :質量體；11 :第一凹槽；12 :第二凹槽；13 :第一電極架；14 :第三電極架；2 :第一電容；21 :第一移動電極；22 :第一固定電極；3 :第二電容；31 :第二移動電極；32 :第二固定電極；4 :第一支架；41 :第二電極架；5 :第二支架；51 :第四電極架；6 :彈性部件；7 :第三電容:第三移動電極；72 :第三固定電極；8 :第四電容；81 :第四移動電極；82 :第四固定電極；9 :第三支架；10 :第四支架；15 :支腳；101 :第一硅層；102 :氧化物層；103 :第二硅層；104 :第一刻痕；105 :第二刻痕。
具體實施例方式圖I為根據本發(fā)明實施例所提供的微機電加速度計的結構示意圖，該微機電加速度計包括質量體I、第一電容2、第二電容3、第一支架4、第二支架5以及固定架(未不出)。其中，質量體I包括約50 μ m厚的單晶硅層，并且由四個片狀彈簧掛起從而在垂直方向上移動。如果由于加速行為產生的慣性力在垂直方向上作用于質量體I上，質量體I在相同方向上偏轉。偏轉量與加速度成正比。偏轉導致電容正比例差動變化。傳感電容包括許多(大約1000個)連接到質量體I的移動電極和同樣數量的連接到芯片的固定部分的固定電極。這兩種電極都短(70 μ m)，并且固定電極連接到較厚(20 μ m)的固定電極用骨架，而移動電極連接到移動電極用骨架。這種配置使得電極對頻率不在加速度計的帶寬內的振動不敏感。具體而言，質量體I在靈敏軸方向上的兩端分別具有凹槽，本實施例以圖I中的上方的凹槽為第一凹槽11，圖I中的下方的凹槽為第二凹槽12。第一凹槽11中具有若干個第一電容2,每個第一電容2都由第一移動電極21和第一固定電極22組成。其中第一移動電極21與質量體I連接，也可以與質量體I 一體形成。第一固定電極22的個數與第一移動電極21的個數相同,第一固定電極22伸入進第一凹槽11中并與第一移動電極21相配合形成第一電容2。第一固定電極22還連接至第一支架4上。第一支架4連接至固定架。本實施例中的第一移動電極21和第一固定電極22是按下述方式排布的。在第一凹槽11中，質量體I具有若干個與靈敏軸方向同方向的第一電極架13,第一電極架13在微機電加速度計所在的平面的垂直連接有若干個第一移動電極21 ;第一支架4上也具有若干個與靈敏軸方向同方向的第二電極架41，第二電極架41在微機電加速度計所在的平面上 垂直連接有若干個第一固定電極22,第一移動電極21和第一固定電極22相配合形成第一電容2。第二凹槽12中具有若干個第二電容3，每個第二電容3都由第二移動電極31和第二固定電極32組成。其中第二移動電極31與質量體I連接，也可以與質量體I 一體形成。第二固定電極32的個數與第二移動電極31的個數相同，第二固定電極32伸入進第二凹槽12中并與第二移動電極31相配合形成第二電容3。第二固定電極32還連接至第二支架5上。第二支架5連接至固定架。第二移動電極31和第二固定電極32的排布與第一移動電極21以及第一固定電極22相同。第二移動電極31通過第三電極架14連接至質量體I上，第二固定電極32通過第四電極架51連接至第二支架5上。優(yōu)選地，本實施例中的質量體I采用硅制作，呈工字型，使得第一凹槽11和第二凹槽12的形狀為長方形。沿靈敏軸方向的兩端具有凹槽的這種結構能夠實現較高的單位面積電容，從而使得微機電加速度計實現高靈敏度。質量體I沿靈敏軸方向可移動地連接至固定架。優(yōu)選地，質量體I的四個角分別通過四個彈性部件6連接在固定架上，使得質量體I能夠相對固定架沿靈敏軸方向(即圖I中的上下方向)移動，該彈性部件6可以為彈簧。質量體I沿靈敏軸方向移動，第一移動電極21以及第二移動電極31也隨之移動，而第一固定電極22和第二固定電極32是分別通過第一支架4和第二支架5固定在固定架上的，因此第一固定電極22和第二固定電極32固定，從而第一移動電極21與第一固定電極22之間的距離和第二移動電極31與第二固定電極32之間的距離發(fā)生變化，產生電容變化。優(yōu)選地，第一凹槽11與第二凹槽12的結構，以及第一電容2與第二電容3結構相對稱。本實施例中第一電容2和第二電容3的個數可以相同，大約為1000個。組成第一電容2的第一移動電極21和第一固定電極22以及組成第二電容3的第二移動電極31和第二固定電極32的長度大約為70 μ m。第一支架4和第二支架5的厚度大約為20 μ m。本實施例中第一電容2和第二電容3的這種配置使得電極的頻率對那些不在微機電加速度計的帶寬范圍內的振動不敏感，從而可以實現較高的單位面積電容，實現較高的靈敏度。優(yōu)選地，質量體I不具有凹槽的另外兩端分別設置有若干個第三電容7和第四電容8。第三電容7由若干個第三移動電極71和若干個第三固定電極72組成，若干個第三移動電極71連接至質量體I上，也可以與質量體I 一體形成，若干個第三固定電極72通過第三支架9連接至固定架上。若干個第四電容8由若干個第四移動電極81和若干個第四固定電極82組成，若干個第四移動電極81連接至質量體I上，若干個第四固定電極82通過第四支架10連接至固定架上。組成第三電容7和第四電容8的電極可以為梳齒狀電極，組成第三電容7和第四電容8的電極的長度可以比組成第一電容2和第二電容3的電極的長度短，可以為70 μ m。第三電容7的數量可以與第四電容8的數量相同。第三電容7和第四電容8用于在操作微機電加速度計時，為微機電加速度計提供反饋力，從而形成閉環(huán)控制，這時第三電容7和第四電容8產生的靜電作用力可以使質量體I移動空出(null out)。但是由于本實 施例提供的質量體I在微機電加速度計中所占的比重較大，因此即使開環(huán)控制也能夠實現上述目的。優(yōu)選地,如圖2(d)所示,質量體I的平行于靈敏軸方向的兩側底部還具有支腳15。優(yōu)選地，固定架的材質可以為陶瓷，第一支架4、第二支架5、第三支架9以及第四支架10可以通過粘接的方式固定于固定架中。使用時，將質量體I、第一固定電極22以及第二固定電極32連接至接口電路，該接口電路可以為由電荷放大器、模擬濾波器和儀表放大器組成的標準差分電容電壓變換器。當加速運動產生的慣性力沿靈敏軸方向作用于質量體I上時，質量體I沿靈敏軸方向發(fā)生偏轉(deflect)，偏轉量與加速度成正比，偏轉導致第一電容2和第二電容3的電容值正比例差動變化。接口電路將測得的電容的變化轉換為電壓的變化，從而計算出外界的激勵量。圖2(a)_(d)為根據本發(fā)明實施例所提供的微機電加速度計的制造方法的各步驟中SOI (絕緣體上硅晶片)的結構示意圖。如圖2(a)所示，SOI沿層疊方向依次包括第一硅層101、氧化物層102以及第二硅層103。其中，優(yōu)選地，第一硅層101的厚度為450μπι 600μπι;氧化物層102的厚度為2 μ m 5 μ m ;第二娃層103的厚度為40 μ m 60 μ m,更優(yōu)選為50 μ m。此外，氧化物層102的材質可優(yōu)選為二氧化硅。對于圖2(a)所示的S0I，通過第一刻蝕在第一硅層101上刻蝕出若干個第一刻痕104，第一刻痕104的深度延伸至氧化物層102。其中，優(yōu)選采用深反應離子刻蝕(De印Reactive Ion EtchingSystem, DRIE)系統來進行該次刻蝕。此外，第一刻痕104的寬度優(yōu)選為約50 μ m。第一刻痕104的圖案由第一掩模來限定，即第一掩模的圖案與質量體I的支腳的配置方式相對應。本步驟用于使得在第一硅層101上形成質量體I的支腳15。接著，對于圖2(b)所示的S0I，通過第二刻蝕在第二硅層103上形成若干個第二刻痕105，第二刻痕105的深度也延伸至氧化物層102。其中，也優(yōu)選采用DRIE系統來進行該次刻蝕。此外，如圖2(c)所示，第二刻痕105與第一刻痕104不相重疊，并且在與層疊方向垂直的方向上有大約50 μ m的偏移。第二刻痕105的圖案由第二掩模來限定，即第二掩模的圖案與質量體I中的電極的配置方式相對應。第二刻痕105用于使得第二硅層103上形成第一凹槽11、第二凹槽12、若干個第一移動電極21和若干個第二移動電極31。優(yōu)選地，第二刻痕105還用于形成第三移動電極71和第四移動電極81。需要說明的是，盡管以第一刻蝕發(fā)生在第二刻蝕之前作為示例進行了說明，但本領域技術人員應能明白，實際上這兩次刻蝕的執(zhí)行順序可以任意，例如可以先進行第二刻蝕再進行第一刻蝕，也可以同時進行第一刻蝕和第二刻蝕，只要能夠形成所需求的第一刻痕和第二刻痕即可。最后，對于圖2(c)所示的S0I，通過對氧化物層102進行刻蝕，使得質量體I的兩個支腳15之間的第一硅層101脫離，從而形成質量體I。其中，優(yōu)選通過利用氫氟酸(HF)蒸汽的高頻氣相刻蝕工藝來對氧化物層102進行刻蝕，從而得到如圖2 (d)所示的質量體I。上述制造方法對質量體的尺寸沒有限制,本實施例中質量體I可以實現7mmX4mm 甚至更大表面積的結構。根據本發(fā)明實施例所提供的微機電加速度計能夠應用于但不限于諸如石油、天然氣勘探、精密傾斜感應以及車輛穩(wěn)定和導航等要求較高的應用中。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種微機電加速度計的制造方法，包括 對包括第一硅層、氧化物層以及第二硅層的絕緣體上硅晶片進行第一刻蝕，以在所述第一硅層中形成延伸至所述氧化物層的若干個第一刻痕，從而利用所述第一硅層形成所述微機電加速度計的質量體的兩個支腳，其中所述第一硅層、所述氧化物層以及所述第二硅層沿層疊方向依次堆疊； 對所述絕緣體上硅晶片進行第二刻蝕，以在所述第二硅層中形成延伸至所述氧化物層的若干個第二刻痕，從而利用所述第二硅層形成所述微機電加速度計的質量體中的電極；以及 對所述氧化物層進行刻蝕，以使得所述兩個支腳之間的第一硅層脫離。
2.根據權利要求I所述的微機電加速度計的制造方法，其特征在于， 通過利用第一掩模對所述絕緣體上硅晶片進行深反應離子刻蝕來進行所述第一刻蝕，其中所述第一掩模的圖案與所述支腳的配置方式相對應；和/或 通過利用第二掩模對所述絕緣體上硅晶片進行深反應離子刻蝕來進行所述第二刻蝕，其中所述第二掩模的圖案與所述質量體中的電極的配置方式相對應。
3.根據權利要求I所述的微機電加速度計的制造方法，其特征在于，通過利用氫氟酸蒸汽進行高頻氣相刻蝕來進行對所述氧化物層的刻蝕。
4.根據權利要求I所述的微機電加速度計的制造方法，其特征在于，所述第一硅層的厚度為450 μ m 600 μ m,所述氧化物層的厚度為2 μ m 5 μ m,以及所述第二娃層的厚度力 40 μ m 60 μ m。
5.根據權利要求I所述的微機電加速度計的制造方法，其特征在于，所述第一刻痕和所述第二刻痕在與所述層疊方向垂直的方向上偏移50 μ m。
6.一種微機電加速度計，包括 質量體，其沿靈敏軸方向上的兩端分別具有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽中設置有若干個第一移動電極，所述第二凹槽中設置有若干個第二移動電極； 第一支架，其連接有若干個伸入進所述第一凹槽的第一固定電極，各所述第一固定電極與各所述第一移動電極組成若干個第一電容； 第二支架，其連接有若干個伸入進所述第二凹槽的第二固定電極，各所述第二固定電極與各所述第二移動電極組成若干個第二電容；以及 固定架，所述質量體沿所述靈敏軸方向可移動地連接至所述固定架，所述第一支架和第二支架固定于所述固定架上。
7.根據權利要求6所述的微機電加速度計，其特征在于， 所述第一凹槽中沿所述靈敏軸方向設置有若干個與所述質量體連接的第一電極架，所述第一電極架在所述微機電加速度計所在的平面上垂直連接有若干個所述第一移動電極； 所述第一凹槽中沿所述靈敏軸方向還設置有若干個與所述第一支架連接的第二電極架，所述第二電極架在所述微機電加速度計所在的平面上垂直連接有若干個所述第一固定電極； 所述第二凹槽中沿所述靈敏軸方向設置有若干個與所述質量體連接的第三電極架，所述第三電極架在所述微機電加速度計所在的平面上垂直連接有若干個所述第二移動電極； 所述第二凹槽中沿所述靈敏軸方向還設置有若干個與所述第二支架連接的第四電極架，所述第四電極架在所述微機電加速度計所在的平面上垂直連接有若干個所述第二固定電極。
8.根據權利要求6所述的微機電加速度計，其特征在于，所述質量體的不沿所述靈敏軸方向的兩端還分別設置有若干個第三移動電極和第四移動電極，各所述第三移動電極分別與若干個第三固定電極組成第三電容，各所述第四移動電極分別與若干個第四固定電極組成第四電容。
9.根據權利要求8所述的微機電加速度計，其特征在于，各所述第三固定電極通過第三支架連接至所述固定架，各所述第四固定電極通過第四支架連接至所述固定架。
10.根據權利要求8所述的微機電加速度計，其特征在于，組成所述第三電容和所述第四電容的各電極的長度長于組成所述第一電容和所述第二電容的各電極的長度。
11.根據權利要求8所述的微機電加速度計，其特征在于，所述第一移動電極、所述第二移動電極、所述第三移動電極以及所述第四移動電極與所述質量體一體形成。
12.根據權利要求6所述的微機電加速度計，其特征在于，所述質量體的四個角分別通過彈性部件與所述固定架連接。
13.根據權利要求6所述的微機電加速度計，其特征在于，所述質量體的材質為硅。
14.根據權利要求6所述的微機電加速度計，其特征在于，所述質量體的底部具有支腳。
全文摘要
微機電加速度計及其制造方法，包括對包括依次層疊的第一硅層、氧化物層以及第二硅層的絕緣體上硅晶片進行第一刻蝕，以在所述第一硅層中形成延伸至所述氧化物層的若干個第一刻痕，從而利用所述第一硅層形成所述微機電加速度計的質量體的兩個支腳；對所述絕緣體上硅晶片進行第二刻蝕，以在所述第二硅層中形成延伸至所述氧化物層的若干個第二刻痕，從而利用所述第二硅層形成所述微機電加速度計的質量體中的電極；以及對所述氧化物層進行刻蝕，以使得所述兩個支腳之間的第一硅層脫離。由于能夠免切割地形成大尺寸的質量體，根據本發(fā)明實施例實現了高產能和高靈敏度。
文檔編號B81B3/00GK102879607SQ20121035324
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權日2012年9月20日
發(fā)明者劉禮, 趙邦六, 岳新波 申請人:北京金禾天晟高新技術有限責任公司