一種mems橫向加速度敏感芯片及其制造工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種加速度敏感芯片，該敏感芯片的制造工藝 W及帶有該敏感芯片的加速度計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)今，加速度計(jì)可適用于諸多應(yīng)用，例如在測(cè)量地震的強(qiáng)度并收集數(shù)據(jù)、檢測(cè)汽車 碰撞時(shí)的撞擊強(qiáng)度、W及在手機(jī)及游戲機(jī)中檢測(cè)出傾斜的角度和方向。而在微電子機(jī)械系 統(tǒng)（MEM巧技術(shù)不斷進(jìn)步的情況下，許多納米級(jí)的小型加速度測(cè)量儀已經(jīng)被商業(yè)化廣泛采 用。
[0003] 現(xiàn)今的加速度敏感芯片分為兩種，一種為平板式的，例如公開號(hào)為CN102768290A 的中國發(fā)明專利，平板式的加速度敏感芯片是依靠通電后上蓋板、質(zhì)量塊和下蓋板之間所 形成的平板電容來檢測(cè)加速度。當(dāng)外界有加速度時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)應(yīng)慣性向加速度的反方向相 對(duì)敏感芯片框架產(chǎn)生位移。該位移同時(shí)會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量塊與上蓋板W及下蓋板之間的間隔距離 或者投影面積的的變化，因而產(chǎn)生上蓋板與質(zhì)量塊、下蓋板與質(zhì)量塊之間的電容變化。集成 電路會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的電容變化來計(jì)算出加速度的方向和幅度。
[0004] 另外一種為梳齒式的，例如公開號(hào)為CN1605871的中國專利申請(qǐng)，梳齒式加速度 敏感芯片是通過檢測(cè)兩個(gè)相互間隔的梳齒結(jié)構(gòu)上的電容變化來檢測(cè)加速度的。梳齒結(jié)構(gòu)包 括設(shè)置在質(zhì)量塊上的活動(dòng)梳齒，W及與活動(dòng)梳齒相互間隔設(shè)置的固定梳齒。當(dāng)質(zhì)量塊受加 速度活動(dòng)的時(shí)候，活動(dòng)梳齒會(huì)與質(zhì)量塊同時(shí)活動(dòng)，因而跟固定梳齒之間會(huì)產(chǎn)生間隔距離或 者投影面積的變化，從而產(chǎn)生電容變化。集成電路會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的電容變化來計(jì)算出加速 度的方向和幅度。
[0005] 平板式電容加速度敏感芯片中的質(zhì)量塊都比較大；質(zhì)量對(duì)于檢測(cè)精度的影響可W 體現(xiàn)在：
[000引噪聲等效加速度
[0007] ke為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，ω。為諧振頻率，Q為品質(zhì)因數(shù)，m為質(zhì)量，由此可見， 諧振頻率與Q值確定，增大質(zhì)量將減小噪聲影響。質(zhì)量塊與蓋板之間形成的電容值也比較 大。其在檢測(cè)加速度時(shí)的靈敏度也比較高。然而，在制造過程中，平板式電容加速度敏感芯 片的壓膜阻尼比較高，需要在真空的環(huán)境下封裝，送樣大大地增加了封裝和制造成本。相 比之下，梳齒式的加速度敏感芯片的壓膜阻尼小，根據(jù)鮑敏航的書《AnalysisandDesign PrinciplesofMEMSDevices》中所述，MEMS芯片的阻尼力系數(shù)Cj^。。的計(jì)算公式為：
[0008]
[0009] L〉〉B，目=1，LWB，目=0. 42，
[0010]WlOOOumXlOOOum的電容轉(zhuǎn)化為等正對(duì)面積等間距的100對(duì)500umX20um的梳 齒為例計(jì)算，阻尼力系數(shù)減小為原來的1.5%。。因此，梳齒式的加速度敏感芯片在非真空的 環(huán)境下就可w進(jìn)行封裝，其封裝成本相對(duì)較低。但由于通常的梳齒型加速度計(jì)的制造方法 是在同一層娃片上同時(shí)放置質(zhì)量塊和梳齒，質(zhì)量塊和梳齒所占的總面積一定；因此，在質(zhì)量 塊大小與電容值之間存在一個(gè)權(quán)衡的關(guān)系，大的質(zhì)量塊必然要占據(jù)更多的面積，留給梳齒 的面積就減小，從而電容減小，反之亦然。送個(gè)權(quán)衡關(guān)系的存在使得梳齒型加速度計(jì)的質(zhì)量 塊通常被限制的較??；同時(shí)由于梳齒電容的極板正對(duì)面積較小，所產(chǎn)生的電容值也相比平 板式結(jié)構(gòu)小很多，因而其檢測(cè)靈敏度相比起平板式加速度敏感芯片要低。此外，梳齒結(jié)構(gòu)主 要通過光刻和刻蝕的方式來制造，活動(dòng)梳齒與固定梳齒所間隔的距離有一定的受刻蝕工藝 深寬比的限制，最小的間隔距離大致為2微米，而平板式敏感芯片都是靠鍵合工藝，其質(zhì)量 塊和蓋板之間的間隔可W控制在1微米左右。但平板加速度計(jì)的關(guān)鍵工藝是鍵合工藝，其 精準(zhǔn)度低于梳齒加速度計(jì)的關(guān)鍵工藝光刻和刻蝕。因此，平板式和梳齒式的兩種敏感芯片 都有其自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于將上述現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并克服其 現(xiàn)有之不足，提供一種靈敏度、檢測(cè)精準(zhǔn)度較高，但其制造、封裝成本都比較便宜的加速度 敏感芯片。
[0012] 按照本發(fā)明提供的一種MEMS加速敏感芯片，包括框架，設(shè)置在所述框架內(nèi)的質(zhì)量 塊，W及用于連接所述框架及所述質(zhì)量塊的彈性梁，所述質(zhì)量塊上形成有多個(gè)凹陷部及第 一連接部，所述框架上形成有第二連接部，所述彈性梁連接所述第一連接部和第二連接部； 所述凹陷部上方設(shè)置有多組梳齒結(jié)構(gòu)；每組所述梳齒結(jié)構(gòu)包括從所述第一連接部延伸出的 活動(dòng)梳齒W及從所述第二連接部延伸出的固定梳齒；所述活動(dòng)梳齒與所述固定梳齒之間形 成有活動(dòng)間隙，所述活動(dòng)間隙形成差分檢測(cè)電容。
[0013] 本發(fā)明中的MEMS橫向加速度敏感芯片還包括如下附屬特征：
[0014] 所述第一連接部包括多根相互平行的橫向齒樞W及連接所述橫向齒樞的縱向齒 樞海根所述橫向齒樞的兩端分別向外延伸有活動(dòng)梳齒。
[0015] 所述第一連接部呈工字型，其中包括兩根相互平行的橫向齒樞W及連接所述橫向 齒樞的一根縱向齒樞。
[0016] 所述彈性梁為彎折梁，所述彈性梁與位于四個(gè)端角的所述橫向齒樞的末端相連 接。
[0017] 所述第一連接部W及所述第二連接部上淀積有金屬電極。
[0018] 所述橫向加速度敏感芯片通過檢測(cè)所述活動(dòng)梳齒側(cè)壁與所述固定梳齒側(cè)壁之間 的重合面積的變化引起的電容值變化來檢測(cè)加速度。
[0019] 所述橫向加速度敏感芯片通過檢測(cè)所述活動(dòng)梳齒的側(cè)壁與所述固定梳齒的側(cè)壁 的間距變化引起的電容值變化來檢測(cè)加速度。
[0020] 所述第一連接部、第二連接部、彈性梁W及所述梳齒結(jié)構(gòu)形成于第一娃層內(nèi)，所述 框架及所述質(zhì)量塊形成于第二娃層內(nèi)，所述第一娃層與第二娃層之間間隔有二氧化娃層。
[0021] 所述橫向加速度敏感芯片采用絕緣體上外延娃（SOI)結(jié)構(gòu)，包括上娃層及下娃 層；所述第一連接部、第二連接部、彈性梁W及所述梳齒結(jié)構(gòu)形成于所述上娃層；所述框架 及所述質(zhì)量塊形成于所述下娃層；所述上娃層和所述下娃層之間設(shè)置有二氧化娃層。
[0022] 所述第一連接部、所述第二連接部、所述彈性梁W及所述梳齒結(jié)構(gòu)形成于所述上 娃層，所述框架及所述質(zhì)量塊形成于所述下娃層。
[0023] 所述橫向加速度敏感芯片包括絕緣體上外延娃娃片W及鍵合在所述絕緣體上外 延娃娃片表面上的娃片，所述娃片與所述絕緣體上外延娃娃片的鍵合表面上形成有二氧化 娃層；所述絕緣體上外延娃娃片包括上娃層、下娃層W及氧化埋層；所述第一連接部、所述 第二連接部、所述彈性梁W及所述梳齒結(jié)構(gòu)形成于所述下娃層，所述框架及所述質(zhì)量塊形 成于所述娃片上。
[0024] -種加速度計(jì)，包括上蓋板、下蓋板W及橫向加速度敏感芯片，其中，所述加速敏 感芯片，包括框架，設(shè)置在所述框架內(nèi)的質(zhì)量塊，W及用于連接所述框架及所述質(zhì)量塊的彈 性梁，所述質(zhì)量塊上形成有多個(gè)凹陷部及第一連接部，所述框架上形成有第二連接部，所述 彈性梁連接所述第一連接部和第二連接部；所述凹陷部內(nèi)設(shè)置有多組梳齒結(jié)構(gòu)；每組所述 梳齒結(jié)構(gòu)包括從所述第一連接部延伸出的活動(dòng)梳齒W及與所述活動(dòng)梳齒相間隔設(shè)置的固 定梳齒；所述固定梳齒與所述第二連接部相連接，所述活動(dòng)梳齒與所述固定梳齒之間形成 有活動(dòng)間隙，所述活動(dòng)間隙形成差分檢測(cè)電容。
[0025] 一種MEMS橫向加速度敏感芯片的制造工藝，所述制造工藝包括W下步驟：
[0026] 第一步，通過光刻和深度刻蝕，在第一娃片的底面上形成多個(gè)孔，形成彈性梁、第 一連接部、束-連接部W及梳齒結(jié)構(gòu)；
[0027] 第二步，通過光刻和深度刻蝕，在第二娃片的頂面上形成多個(gè)凹坑，形成凹陷部；
[0028] 第Η步，在所述第二娃片的表面生長或者淀積一層二氧化娃層；
[0029] 第四步，將所述第一娃片的底面與所述第二娃片的頂面進(jìn)行鍵合；
[0030] 第五步，通過光刻和刻蝕，將所述第二娃片的底面的部分二氧化娃層去除；
[0031] 第六步，在所述第二娃片的底面上淀積氮化娃層；
[0032] 第走步，通過光刻和刻蝕，去除部分所述氮化娃層，暴露出部分所述第二娃片的底 面；
[0033] 第八步，對(duì)暴露在外的第二娃片的底面進(jìn)行深度刻蝕至一定深度；同時(shí)將第一娃 片被減薄一定厚度。
[0034] 第九步，將所述氮化娃層去除；
[0035] 第十步，對(duì)所述第二娃片的底面進(jìn)行深度刻蝕直至所述第二娃片頂面的二氧化娃 層，形成框架和質(zhì)量塊；
[0036] 第十一步，通過刻蝕，將暴露在外的所述二氧化娃層去除，深娃深度刻蝕，形成自 由的完整的橫向加速度敏感芯片；
[0037] 第十二步，在所述第一娃片上淀積金屬，并引出電極。
[003引一種MEMS橫向加速度敏感芯片的制造工藝，所述制造工藝包括W下步驟：
[0039] 第一步，在絕緣體上外延娃娃片的頂面和底面上生長或淀積出二氧化娃層；
[0040] 第二步，通過光刻和刻蝕，在所述絕緣體上外延娃娃片的頂面上的所述二氧化娃 層上刻蝕出多個(gè)深至上娃層的孔，并在所述絕緣體上外延娃娃片的底面刻蝕出深至下娃層 的凹坑；
[0041] 第Η步，在所述絕緣體上外延娃娃片的頂面和底面上淀積氮化娃；
[0042] 第四步，通過光刻和刻蝕，將所述底面上的部分氮化娃層去除，并露出所述下娃 層；
[0043] 第五步，通過深度刻蝕，將所述下娃層刻蝕至一定深度；
[0044] 第六步，通過刻蝕，將淀積在所述底面的氮化娃去除；
[0045] 第走步，進(jìn)一步刻蝕質(zhì)量塊，形成所述質(zhì)量塊與框架之間的高度差。