一種對稱的mems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。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)今，加速度計可適用于諸多應(yīng)用，例如在測量地震的強(qiáng)度并收集數(shù)據(jù)、檢測汽車 碰撞時的撞擊強(qiáng)度、W及在手機(jī)及游戲機(jī)中檢測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，許多納米級的小型加速度測量儀已經(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加速度。當(dāng)外界有加速度時，質(zhì)量塊會應(yīng)慣性向加速度的反方向相 對敏感芯片框架產(chǎn)生位移。該位移同時會產(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 電路會根據(jù)檢測到的電容變化來計算出加速度的方向和幅度。
[0004] 另外一種為梳齒式的，例如公開號為CN1605871的中國專利申請，梳齒式加速度 敏感芯片是通過檢測兩個相互間隔的梳齒結(jié)構(gòu)上的電容變化來檢測加速度的。梳齒結(jié)構(gòu)包 括設(shè)置在質(zhì)量塊上的活動梳齒，W及與活動梳齒相互間隔設(shè)置的固定梳齒。當(dāng)質(zhì)量塊受加 速度活動的時候，活動梳齒會與質(zhì)量塊同時活動，因而跟固定梳齒之間會產(chǎn)生間隔距離或 者投影面積的變化，從而產(chǎn)生電容變化。集成電路會根據(jù)檢測到的電容變化來計算出加速 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)量對于檢測精度的影響可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。其在檢測加速度時的靈敏度也比較高。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)：
[0008]
[0009]L>>B，目=1，目=0. 42 ;
[0010]WlOOOumXlOOOum的電容轉(zhuǎn)化為等正對面積等間距的100對500umX20um的梳 齒為例計算，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，其封裝成本相對較低。但由于梳齒結(jié)構(gòu)的特性，其質(zhì)量塊均比較 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2um，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lum左右。但平板加速度計的 關(guān)鍵工藝是鍵合工藝，其精準(zhǔn)度低于梳齒加速度計的關(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 各自的不足，提供一種靈敏度、檢測精準(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，所述加速度敏感芯片包括上半部及 下半部，所述上半部與所述下半部鍵合后形成框架整體W及設(shè)置在所述框架內(nèi)的質(zhì)量塊整 體；所述框架整體及所述質(zhì)量塊整體之間通過彈性梁相連接，所述質(zhì)量塊整體的上下兩端 分別形成有多個凹陷部及第一連接部，所述框架整體的上下兩端分別形成有第二連接部； 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梳齒W及從所述第二連接部延伸出 的固定梳齒，所述活動梳齒與所述固定梳齒之間形成有活動間隙，所述活動間隙形成差分 檢測電容。
[0013] 本發(fā)明中的對稱的MEMS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梳齒。
[0015] 所述質(zhì)量塊整體W及所述框架整體的上下兩端結(jié)構(gòu)相同，形成上下端對稱設(shè)計。
[0016] 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。
[0017] 所述彈性梁為彎折梁，所述彈性梁與位于四個端角的所述橫向齒樞的末端相連 接。
[0018] 所述第一連接部W及所述第二連接部上淀積有金屬電極。
[0019] 所述加速度敏感芯片通過檢測所述活動梳齒側(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加速度。
[0020] 所述加速度敏感芯片通過檢測所述活動梳齒的側(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加速度。
[0021] 所述加速度敏感芯片的每個半部中形成有第一娃層、第二娃層；其中，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。
[0022] 所述加速度敏感芯片采用絕緣體上外延娃結(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。
[0023] 所述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、第二連 接部、彈性梁W及所述梳齒結(jié)構(gòu)形成于所述下娃層內(nèi)，所述框架及所述質(zhì)量塊形成于所述 娃片內(nèi)。
[0024] -種對稱的MEMS加速度敏感芯片的制造工藝，所述制造工藝包括W下步驟：
[00巧]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孔，形成彈性梁、第 一連接部、第二連接部W及梳齒結(jié)構(gòu)；
[0026] 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凹坑，形成凹陷部；
[0027] 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；
[0028] 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；
[0029] 第五步，在所述第二娃片的底面上淀積氮化娃層，通過光刻和刻蝕，將所述第二娃 片的底面的部分氮化娃及二氧化娃層去除；
[0030] 第六步，對暴露在外的第二娃片的底面進(jìn)行深度刻蝕至所述第二娃片頂面的二氧 化娃層；同時將第一娃片減薄一定厚度；
[0031] 第走步，去除氮化娃層，刻蝕二氧化娃，形成質(zhì)量塊；
[0032] 第八步，將兩塊經(jīng)前述步驟加工的加速度敏感芯片的半部沿底面進(jìn)行娃-娃鍵 合；
[0033] 第九步，通過深娃刻蝕形成自由的加速度敏感芯片；
[0034] 第十步，制作加速度計下蓋板，挖空活動區(qū)域?qū)?yīng)位置，并淀積金屬電極；
[0035] 第^^一步，將加速度計與下蓋板鍵合；
[0036] 第十二步，在所述第一娃片上淀積金屬，并引出電極。
[0037] -種對稱的MEMS加速度敏感芯片的制造工藝，所述制造工藝包括W下步驟：
[0038] 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；
[0039] 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；
[0040] 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；
[0041] 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；
[0042] 第五步，通過深度刻蝕，將所述下娃層刻蝕至氧化埋層；
[0043] 第六步，通過刻蝕，將淀積在所述底面的氮化娃與二氧化娃去除；
[0044] 第走步，將兩片經(jīng)過前述步驟加工的加速度敏感芯片的半部沿底面進(jìn)行娃-娃鍵 合；
[0045] 第八步，去除兩面氮化娃，對暴露在外的兩層上娃層分別深度刻蝕至氧化埋層，形 成第一連接部、第二連接部、彈性梁W及梳齒結(jié)構(gòu)；
[0046] 第九步，對所述絕緣體上外延娃娃片進(jìn)行高溫氧化或化學(xué)氣相淀積，在暴露在外 的所述上娃層和所述下娃層的表面形成一層二氧化娃層；
[0047] 第十步，通過刻蝕，將所述上娃層的孔內(nèi)的氧化埋層去除；
[0048] 第十一步，通過深度刻蝕，將所述上娃層的孔進(jìn)一步刻蝕至一定深度；
[0049] 第十二步，對所述孔進(jìn)行橫向腐蝕，形成凹陷部W及自由的彈性梁；
[0050] 第十Η步，將所述絕緣體上外延娃娃片表面的二氧化娃去除，形成加速度敏感芯 片；
[0051] 第十四步，制作加速度計下蓋板，挖空活動區(qū)域?qū)?yīng)位置，并淀積金屬電極；
[0052] 第十五步，將加速度計與下蓋板鍵合；
[0053]