加速度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其涉及一種加速度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度計就是使用MEMS技術(shù)制造的加速度計。由于采用了微機電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大大縮小，具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在軍事、汽車工業(yè)、消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。
[0003]其中，較為常用的是電容式加速度傳感器，其基本工作原理在于，敏感質(zhì)量塊借助于懸掛裝置支撐在基底上，同時連接可動電極?？蓜与姌O和固定電極形成一個或多個敏感電容，待測加速度作用在敏感質(zhì)量塊上產(chǎn)生的慣性力引起敏感電容的極板間隙變化。
[0004]在現(xiàn)有的Z軸加速度傳感器中，懸于基底的多晶硅敏感質(zhì)量塊與固定在基底的多晶硅電極形成平板電容，在加工過程中，敏感質(zhì)量塊和底部電極設(shè)置有絕緣介質(zhì)層(如氧化硅)，受限于工藝條件，往往絕緣介質(zhì)厚度在幾微米，導(dǎo)致間隙很小。易引起敏感電容電極在過載加速度下相接觸，而引起電極短路。
[0005]同時，可動多晶硅敏感質(zhì)量結(jié)構(gòu)通過濕法或蒸汽法工藝釋放，而氧化硅絕緣介質(zhì)產(chǎn)生的間隙很小，因此需要在敏感質(zhì)量塊上刻蝕密集的釋放孔，此舉減少了敏感質(zhì)量塊的有效質(zhì)量。也減小了敏感質(zhì)量塊對加速度產(chǎn)生的慣性力，降低了傳感器的靈敏度。為防止敏感電容電極在過載加速度下相接觸引起電極短路，提高扭轉(zhuǎn)梁的剛度，而此舉也降低了傳感器的靈敏度。
[0006]因此，需要對現(xiàn)有技術(shù)進行改進。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]本實用新型實施例提供一種加速度傳感器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中z軸向的敏感電容的靈敏度低的問題。
[0008]基于上述目的，本實用新型提供一種加速度傳感器，包括:包含至少一個腔體的單晶硅基底;其中，所述腔體包括:為豎直軸向加速度敏感電容提供運動空間的第一腔體;覆蓋在所述單晶硅基底上的敏感器件層，包括:均懸于所述第一腔體的第一固定梳齒、由所述第一固定梳齒兩端延伸至所述第一腔體外邊沿延伸的懸臂梁、包含與所述第一固定梳齒有間隙的嚙合的第一可動梳齒的第一質(zhì)量塊、以及橫跨所述第一腔體并將所述第一質(zhì)量塊分為質(zhì)量不等兩部分的扭轉(zhuǎn)梁，其中，所述扭轉(zhuǎn)梁的兩端部固定于所述第一腔體的外邊沿上；位于所述敏感器件層上、且與所述第一固定梳齒和第一可動梳齒所構(gòu)成的敏感電容相連的金屬電極;位于所述懸梁臂的氧化硅薄膜;所述氧化硅薄膜的固有壓應(yīng)力使懸臂梁向下發(fā)生彎曲，使連接在所述懸臂梁上的第一固定梳齒的頂部和底部、與所述第一質(zhì)量塊上的第一可動梳齒的頂部和底部形成高度差；當(dāng)豎直軸向加速度作用時，所述第一質(zhì)量塊帶動第一可動梳齒繞所述扭轉(zhuǎn)梁轉(zhuǎn)動，第一可動梳齒與第一固定梳齒交疊面積發(fā)生改變。
[0009]優(yōu)選地，在包含所述腔體的單晶硅基底和所述敏感器件層之間設(shè)有氧化硅層。
[0010]優(yōu)選地，所述第一固定梳齒和第一可動梳齒對稱于所述扭轉(zhuǎn)梁兩側(cè)。
[0011]優(yōu)選地，所述腔體還包括:為水平正交兩軸向加速度敏感電容提供空間的兩個第二腔體;覆蓋在每個所述第二腔體上的敏感器件層構(gòu)成水平平面水平軸向加速度敏感電容、或垂直于所述水平平面的垂直軸向加速度敏感電容;其中，覆蓋在所述第二腔體上的敏感器件層包括:懸于所述第二腔體并包含第二可動梳齒的第二質(zhì)量塊，其中，所述第二固定梳齒與所述第二可動梳齒有間隙的嚙合，并所述第二固定梳齒與所述第二可動梳齒所對應(yīng)的兩個敏感電容在敏感方向上輸出差分敏感信號；以及由所述第二質(zhì)量塊沿敏感方向?qū)ΨQ延伸至所述第二腔體外邊沿的彈性梁;對應(yīng)的，所述加速度傳感器還包括:位于所述敏感器件層上、且單獨與所述加速度敏感電容和水平軸向加速度敏感電容相連的金屬電極。
[0012]優(yōu)選地，在所述第一腔體中設(shè)有止擋部;所述止擋部位于所述扭轉(zhuǎn)梁一側(cè)質(zhì)量較輕的第一質(zhì)量塊部分處;在所述第二腔體中設(shè)有止擋部;對應(yīng)的，所述第一質(zhì)量塊位于所述扭轉(zhuǎn)梁一側(cè)質(zhì)量較輕的部分與所述止擋部之間具有間隙;所述第二質(zhì)量塊與相應(yīng)止擋部之間具有間隙。
[0013]如上所述，本實用新型的加速度傳感器，具有以下有益效果:利用導(dǎo)電性良好的單晶硅作為基板，多腔硅基底與所述基板通過硅硅鍵合工藝合成一體，對基板一面進行減薄后制成敏感器件層，解決了基板上的腔體無法深度刻蝕、導(dǎo)致z軸方向靈敏度低的問題;此夕卜，所述敏感器件層厚度從幾微米到幾百微米任意可調(diào)；同時，由于單晶硅基底和敏感器件層都為單晶硅，具有相同的熱膨脹系數(shù)，拓寬了傳感器工作溫度范圍；另外，將第一固定梳齒懸于第一腔體增加了敏感器件層和基底的間隙，這減少了傳感器的寄生電容，提高了傳感器的靈敏度;此外，懸臂梁設(shè)置在多腔硅基底的空腔體上方，增加了敏感器件層和基底的間隙，減少了傳感器的寄生電容，提高了傳感器的靈敏度;第一腔體為第一質(zhì)量塊提供了一定角度范圍內(nèi)自由扭轉(zhuǎn)的空間，提高了 Z軸敏感電容的靈敏度，并拓寬了 Z方向加速度的測量范圍。腔體的深度決定了Z軸第一質(zhì)量塊繞扭轉(zhuǎn)梁的最大扭轉(zhuǎn)角度;還有，采用止擋部來限制最大扭轉(zhuǎn)角度，尤其是抑制了過大的Z軸方向加速度產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩?fù)p壞傳感器結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0014]為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術(shù)方案，下面將對本實用新型實施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)本實用新型實施例的內(nèi)容和這些附圖獲得其他的附圖。
[0015]圖1是本實用新型的加速度傳感器的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本實用新型的加速度傳感器中第二固定梳齒和第二可動梳齒的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是本實用新型的加速度傳感器中第二固定梳齒和第二可動梳齒受加速度作用變形的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4是本實用新型的加速度傳感器沿X軸或y軸截面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖5是本實用新型的加速度傳感器沿z軸截面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖6是本實用新型的加速度傳感器中第一固定梳齒和第一可動梳齒在無z軸加速度時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖7是本實用新型的加速度傳感器中第一固定梳齒和第一可動梳齒在z軸加速度時的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為使本實用新型解決的技術(shù)問題、采用的技術(shù)方案和達到的技術(shù)效果更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實用新型實施例的技術(shù)方案作進一步的詳細描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0023]需要說明的是，本實用新型中所述的x、y、z軸分別對應(yīng)水平平面的水平軸向、同樣位于所述水平平面且與所述水平軸向垂直的垂直軸向、以及與所述水平平面垂直的豎直軸向。
[0024]如圖1、4和5所示，本實用新型提供一種加速度傳感器。所述加速度傳感器可以僅測量豎直軸向(z軸向)加速度的傳感器，也可以是包含三軸軸向加速度的傳感器。
[0025]所述加速度傳感器包括:單晶硅基底100、敏感器件層500、氧化硅薄膜408和金屬電極200。
[0026]所述單晶硅基底100上包含至少一個腔體，其中，所述腔體包括:為豎直軸向加速度敏感電容提供空間的第一腔體102。
[0027]在此，所述腔體的數(shù)量與所述加速度傳感器所能感應(yīng)的加速度方向相關(guān)。若所述傳感器為z軸加速度傳感器，則可僅包含所述第一腔體102。若所述傳感器為三軸加速度傳感器，則所述腔體包括所述第一腔體102和兩個第二腔體103。其中，所述第二腔體103用于為X軸或y軸的加速度敏感電容提供空間。其中，所述第一腔體102和第二腔體103的深度可固定，也可以根據(jù)每個腔體所對應(yīng)的敏感電容的移動幅度、或靈敏度需要而設(shè)定不同深度。例如，所述第一腔體102的深度大于懸于其上的加速度敏感電容的最大移動幅度。
[0028]所述敏感器件層500覆蓋在所述單晶硅基底100上。其中，所述敏感器件層500覆蓋所述單晶硅基底的所有腔體。優(yōu)選地，在包含所述腔體的單晶硅基底100和所述敏感器件層500之間設(shè)有氧化硅層101。
[0029]需要說明的是，所述氧化硅層101的厚度僅描述了微米級的數(shù)值，但該精度并非一定在微米級，也可以為更高精度。
[0030]其中，覆蓋在