一種三軸電容式mems加速度傳感器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于SOI技術(shù)的、可應(yīng)用于軍工領(lǐng)域、汽車工業(yè)和其他消費類電子產(chǎn)品中的三軸式加速度傳感器，具體為一種三軸電容式MEMS加速度傳感器及制備方法。其技術(shù)方案對三軸加速度的檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS是未來武器的精華部分、是未來軍用武器裝備中的支撐技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，國外已搶先將MEMS傳感器應(yīng)用于導(dǎo)彈和導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)、智能武器系統(tǒng)中。美國國防部高級研宄計劃局(DARPA)把MEMS技術(shù)確認(rèn)為美國急需發(fā)展的新興技術(shù)，正在重點推進MEMS傳感器的研宄計劃。
[0003]MEMS慣性器件可以為制導(dǎo)導(dǎo)彈提供一種經(jīng)濟的制導(dǎo)系統(tǒng)，采用MEMS慣性系統(tǒng)可以使導(dǎo)彈的可靠性、性能及服務(wù)時間提高5~10倍，啞彈的數(shù)量級減少一個數(shù)量級，應(yīng)用于靈巧彈頭和鉆地彈頭中的MEMS慣性傳感器，其抗震能力足以使其能夠做到彈頭鉆入地下后，仍能對其進行制導(dǎo)、控制并引爆。
[0004]MEMS加速度計是慣性傳感器系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)元器件，需要專用的MEMS加工技術(shù)，具有較高技術(shù)門檻。目前歐美和日本企業(yè)基本壟斷了全球的高端加速度計器件市場。又由于加速度計可用于軍事和航空航天等工業(yè)，西方國家一直禁止此類技術(shù)對中國出口。發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的MEMS傳感器，推進MEMS傳感器技術(shù)在軍事領(lǐng)域的迅速應(yīng)用，是保持軍隊技術(shù)優(yōu)勢、維護國家安全的重要戰(zhàn)略。
[0005]本發(fā)明利用SOI技術(shù)，采用同一加速度敏感質(zhì)量塊單元來分別檢測X、Y和Z三個軸向的加速度，該三軸MEMS加速度傳感器的制備工藝方面簡單，能和加速度傳感器的信號檢測電路集成在同一芯片上，具有長期穩(wěn)定性和較好的可靠性，能滿足特種領(lǐng)域?qū)铀俣葯z測的需求，為實現(xiàn)高精度MEMS加速度傳感器的國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)，打破歐美國家在這一領(lǐng)域的技術(shù)壟斷和禁運。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于SOI硅基片的三軸電容式MEMS加速度傳感器，采用一個加速度敏感質(zhì)量塊單元，對三軸加速度的檢測相互間無交叉干擾，可與信號檢測電路實現(xiàn)單片集成。本發(fā)明具體如下:
一種三軸電容式MEMS加速度傳感器，包括SOI硅基片、加速度敏感質(zhì)量塊單元和玻璃基片。所述加速度敏感質(zhì)量塊單元由水平軸向檢測單元和平行板檢測單元兩部分構(gòu)成。在SOI硅基片的正面設(shè)有水平軸向檢測單元。所述水平軸向檢測單元為定齒偏置式電容傳感器，由平軸向檢測單元檢測并反饋X軸向的電容信號和Y軸向的電容信號。在SOI硅基片的背面設(shè)有凹槽。在凹槽中設(shè)有平行板檢測單元。在凹槽的底部設(shè)有連通孔，由該連通孔導(dǎo)通SOI硅基片的正面與凹槽底面，所述連通孔與SOI硅基片的正面相互垂直。所述平行板檢測單元經(jīng)連通孔與水平軸向檢測單元固定連接。在SOI硅基片的背面固定連接有玻璃基，即平行板檢測單元封裝在SOI硅基片背面的凹槽中，且可沿著SOI硅基片上連通孔的方向滑動，檢測并反饋Z軸向的電容信號。
[0007]三軸電容式MEMS加速度傳感器的制備方法，按如下步驟進行:
步驟1.備片:準(zhǔn)備一塊雙面拋光SOI硅基片，所述SOI硅基片由依次連接的上硅層、二氧化硅層302和下硅層201組成。
[0008]步驟2.進行第一次光刻:在SOI硅基片的下層硅201的背面沉積一層鋁作為深硅刻蝕的掩膜板，隨后旋涂正膠，對本步驟所旋涂的光刻膠層進行光刻，刻蝕本步驟所沉積的鋁層、露出光刻區(qū)域的下層硅201。隨后，刻蝕下層硅201，在下層硅201的背面形成淺槽。所述淺槽區(qū)域為待刻蝕成為凹槽側(cè)可動質(zhì)量塊202的下硅層201區(qū)域。
[0009]步驟3.進行第二次光刻:第二次在SOI硅基片的下層硅201的背面再沉積一層鋁作為第二次深硅刻蝕的掩膜板，隨后再次旋涂正膠，對本步驟所旋涂的光刻膠層進行光刻，刻蝕本步驟所沉積的鋁層、對淺槽四周的下層硅201進行刻蝕，形成背面深槽，所述背面深槽內(nèi)刻蝕形成凹槽側(cè)可動質(zhì)量塊202和兩個平行板下差分電容203結(jié)構(gòu)。本步驟中的凹槽側(cè)可動質(zhì)量塊202和平行板下差分電容203的內(nèi)側(cè)端面均與二氧化硅層302相連接。去除本步驟中在下層硅201背面沉積的起掩膜作用的鋁掩膜層。
[0010]步驟4.硅-玻鍵合:利用鍵合技術(shù)，將下層硅201的底面、平行板下差分電容203的外側(cè)端面與玻璃片400鍵合在一起。其中，玻璃片400的內(nèi)側(cè)表面上設(shè)有納米吸氣劑。通過納米吸氣劑實現(xiàn)下層硅201與玻璃片400之間毫托量級的高真空封裝。所述納米吸氣劑為二氧化鈦T12納米管陣列。
[0011]步驟5.進行第三次光刻:在SOI硅基片的上層硅的表面沉積一層鋁作為上層深硅刻蝕時的掩膜板、隨后涂正膠，對本步驟所形成的光刻膠層進行光刻，刻蝕本步驟中的鋁層、然后依次刻蝕上層硅和埋氧層的二氧化硅302，形成貫穿上層硅和二氧化硅層302的敏感質(zhì)量塊的連通孔114和下差分電容的連通孔111。其中，敏感質(zhì)量塊的連通孔114與凹槽側(cè)可動質(zhì)量塊202相對應(yīng)，下差分電容的連通孔111與平行板下差分電容203相對應(yīng)。
[0012]步驟6.沉積高摻雜的多晶硅:將敏感質(zhì)量塊的連通孔114和下差分電容的連通孔111分別由高摻雜的多晶硅填充滿，實現(xiàn)上層硅和下層硅201的互連，通過化學(xué)機械拋光去除并平坦化上層硅表面的多晶硅層。隨后，再去除上層硅表面的鋁掩膜，使得朝向上層硅一側(cè)的敏感質(zhì)量塊的連通孔114和下差分電容的連通孔111處的多晶硅層的端部外露出來，并分別形成凸起，所述凸起的高度與本步驟中所除去的鋁掩膜的厚度相等。其中，填充在敏感質(zhì)量塊的連通孔114的高摻雜的多晶硅記為敏感質(zhì)量塊連通件402，填充在下差分電容的連通孔111的高摻雜的多晶硅記為下差分電容連通件401。
[0013]步驟7.進行第四次光刻:在上層硅的表面淀積一層金屬鋁，然后在金屬鋁層的表面旋涂正膠，利用第四塊掩模板對光刻膠進行光刻，對所述的金屬鋁層進行刻蝕，分別形成頂部敏感質(zhì)量塊的金屬壓焊塊102、平行板上電極的金屬壓焊塊104、X軸向錨固塊的金屬壓焊塊106、Y軸向錨固塊的金屬壓焊塊108和下差分電容的金屬壓焊塊110。
[0014]步驟8.進行第五次光刻:在完成步驟7的SOI硅基片的上層硅的表面積氧化層作為上層硅結(jié)構(gòu)層刻蝕的掩膜板，隨后涂正膠并刻蝕氧化層，然后對上層硅刻蝕，分別形成平行板上差分電容113、可動平行板電容上電極112。X軸向固定梳齒115、X軸向可動梳齒116、Y軸向固定梳齒117、Y軸向可動梳齒118、L型支撐彈簧梁119、頂部敏感質(zhì)量塊120、頂部敏感質(zhì)量塊X軸向凸塊121、頂部敏感質(zhì)量塊Y軸向連桿122、頂部敏感質(zhì)量塊錨固塊101、平行板上電極的錨固塊103、X軸向錨固塊105、Y軸向錨固塊107和下差分電容的錨固塊109。與此同時，在水平軸向檢測單元上刻蝕形成結(jié)構(gòu)釋放孔301。
[0015]步驟9.結(jié)構(gòu)釋放，獲得成品:利用腐蝕液對上硅層進行垂直刻蝕，將未被頂部敏感質(zhì)量塊120、頂部敏感質(zhì)量塊X軸向凸塊121和頂部敏感質(zhì)量塊Y軸向連桿122、頂部敏感質(zhì)量塊錨固塊101、平行板上電極的錨固塊103、X軸向錨固塊105、Y軸向錨固塊107和下差分電容的錨固塊109覆蓋保護的二氧化硅層302刻蝕掉，同時刻蝕去除在步驟8中制作的起掩膜板作用的氧化層，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)釋放，并形成下硅層201中凹槽的制作，完成本三軸電容式MEMS加速度傳感器的制備。
[0016]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是
本發(fā)明所述的三軸電容式MEMS加速度傳感器利用SOI硅基優(yōu)良的特性，其對各軸向的加速度敏感使用了同一個加速度敏感質(zhì)量塊單元，X、Y軸向加速度的檢測單元采用差分電容定齒偏置式，Z軸向加速度的檢測單元平行板差分電容式，實現(xiàn)對三軸加速度的無交叉干擾檢測，并具有抗輻射獨特優(yōu)越性。
[0017]本發(fā)明所述的三軸電容式MEMS加速度傳感器的制備方法，其制備工藝簡單且一致性和重復(fù)性好。
[0018]采用本結(jié)構(gòu)的傳感器與其信號檢測電路可實現(xiàn)單片集成制造，大大減小了芯片面積，具有較高的檢測靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明所述三軸電容式MEMS加速度傳感器的俯視圖。
[0020]圖2是圖1所示結(jié)構(gòu)移去玻璃基片的仰視圖。
[0021]圖3是圖1中A區(qū)域結(jié)構(gòu)關(guān)系的立體示意圖。
[0022]圖4是圖1中B區(qū)域結(jié)構(gòu)關(guān)系的立體示意圖。
[0023]圖5是圖1中C區(qū)域結(jié)構(gòu)關(guān)系的立體示意圖。
[0024]圖6是圖1中D區(qū)域結(jié)構(gòu)關(guān)系的立體示意圖。
[0025]圖7是圖1中E區(qū)域結(jié)構(gòu)關(guān)系的立體示意圖。
[0026]圖8是步驟I所用SOI硅基片的側(cè)視圖。
[0027]圖9是圖8所示的SOI硅基片在完成步驟2后橫向剖視圖。
[0028]圖10是圖9所示的結(jié)構(gòu)完成步驟3后的剖視圖。
[0029]圖11是圖10所示的結(jié)構(gòu)完成步驟4后的剖視圖。
[0030]圖12是圖11所示的結(jié)構(gòu)完成步驟5后的剖視圖。
[0031]圖13是圖11所示的結(jié)構(gòu)完成步驟6后的剖視圖。
[0032]圖14是圖11所示的結(jié)構(gòu)完成步驟7后的剖視圖。
[0033]圖15是按本發(fā)明方法制備圖11所示的結(jié)構(gòu)的原理結(jié)構(gòu)圖。
[0034]圖中的序號為:頂部敏感質(zhì)量塊錨固塊101、頂部敏感質(zhì)量塊的金屬壓焊塊102、平行板上電極的錨固塊103、平行板上電極的金屬壓焊塊104、X軸向錨固塊105、X軸