CN102798734B - Mems三轴加速度计及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS三轴加速度计及其制造方法。MEMS三轴加速度计包括敏感器件层、上盖板层和下支撑体层；敏感器件层与上盖板层、下支撑体层之间有间隙；敏感器件层包括支撑框体、弹性梁、三个独立的敏感质量块、可动梳齿、固定梳齿以及电极，敏感器件层中的三个独立的敏感质量块分别实现X、Y、Z三轴加速度信号的检测；每个方向的加速度传感器由相应的一个敏感质量块通过仅对检测方向敏感的弹性梁悬挂于支撑框体之间，每个敏感质量块上利用体硅加工工艺制作了多对可动梳齿，支撑框体相应地制作多对固定梳齿，以构成一对差分电容作为敏感电容；不同方向的差分梳齿电容对该方向的加速度信号的响应产生差分电容变化。

Description

MEMS三轴加速度计及其制造方法

技术领域

本发明涉及传感技术、微电子机械(MEMS)技术领域，具体地说，本发明涉及一种梳齿式MEMS三轴加速度计，更具体涉及一种单芯片变面积型三轴梳齿式加速度传感器及其制作方法。

背景技术

加速度计是惯性器件的一种，目前被广泛应用于汽车，医疗，消费电子，工业等各个领域。引入了微电子机械***技术后的三轴加速度计具有尺寸小，重量轻，交叉灵敏度低，可批量生产等优点。MEMS加速度计在我们的生产与生活中发挥着巨大作用，目前主要应用于运动感知、动作识别、姿态控制、振动探测、安防报警等方面，基于加速度传感器还可以实现更多的检测功能，获得更为广泛的应用。

MEMS加速度计按其检测原理主要分为：压阻式、压电式、容感式以及热感式。对于灵敏度要求较高的低g加速度计一般采用电容检测方式。

许多应用需要能同时检测三分量加速度信号的三轴加速度传感器。传统的加速度计多为单矢量测量的单轴传感器，需要将三个(或两个)单轴的加速度计组装起来才能构成三轴(或两轴)加速度计。组装方法构成的三轴加速度计必然导致三轴正交性误差较大，体积大，成本高。为了实现单芯片的三轴加速度传感器，已有的三轴加速度计技术方案利用一个惯性敏感质量块实现三轴加速度测量，这种方案的不足是三个轴向的加速度检测将产生较大的偏轴灵敏度，同时不同轴向的灵敏度差异较大。实现三轴向的灵敏度基本相同、偏轴灵敏度小、三轴正交性好的三轴加速度传感器将是三轴加速度计的发展方向。

电容式加速度传感器一般包括平板敏感电容和变间隙梳齿敏感电容，这些技术方案利用电容极板间距的变化来感测加速度信号。为了增大检测灵敏度往往需要很小的电容极板间隙(如数微米)，电容极板运动时产生的压膜阻尼很强，导致MEMS加速度计由于空气阻尼产生的热机械噪声较高，严重影响检测精度，因此需要真空封装才能降低热机械噪声，增加封装难度和成本。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提出了一种能够采用集成制造的单芯片MEMS三轴加速度计，其由三个独立的MEMS加速度传感元件组成，并且采用变面积型梳齿敏感电容检测方法，从而可以实现三轴向的灵敏度一致、低偏轴灵敏度、三轴正交性好的三轴加速度传感器。并且，本发明还提出了制造上述单芯片MEMS三轴加速度计的方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS三轴加速度计，其包括敏感器件层、上盖板层和下支撑体层；敏感器件层与上盖板层、下支撑体层之间有间隙；其中敏感器件层包括支撑框体、弹性梁、三个独立的敏感质量块、可动梳齿、固定梳齿以及电极，并且敏感器件层中的三个独立的敏感质量块分别实现X、Y、Z三轴加速度信号的检测；X、Y、Z三轴的每个方向的加速度传感器由相应的一个敏感质量块通过仅对检测方向敏感的弹性梁悬挂于支撑框体之间，每个敏感质量块上利用体硅加工工艺制作了多对可动梳齿，支撑框体相应地制作多对固定梳齿，以构成一对差分电容作为敏感电容；从而不同方向的差分梳齿电容对该方向的加速度信号的响应产生差分电容变化，通过差分电容的检测得到X、Y、Z三轴加速度信号。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，X、Y、Z三轴的每个方向的加速度传感器彼此独立，均采用双端固支弹性梁连接支撑框体与敏感质量块，通过双端固支弹性梁的参数设计实现仅对检测方向敏感。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，X、Y轴加速度传感器在敏感质量块的相对的两侧对称设计偶数根梁，Z轴加速度传感器在敏感质量块的四周对称设计偶数根梁。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，可动梳齿结构与固定梳齿结构错位平行放置，且每个静齿均位于两个动齿的中间位置，形成等间距的梳齿，可动梳齿与固定梳齿之间的电容构成敏感梳齿电容，可动梳齿与固定梳齿之间的交叠面积随敏感方向的加速度信号的线性变化。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，敏感水平方向加速度信号的X轴与Y轴加速度传感器具有相同结构，其弹性梁的方向彼此垂直，X轴或Y轴加速度传感器在其敏感质量块的两侧的两个梳齿电容初始值相同，在其敏感方向的加速度信号的作用下，X轴和Y轴加速度传感器的的梳齿电容中的一个电容增大、另一个电容减小，以构成一对差分电容。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，X轴、Y轴和Z轴加速度传感器的的梳齿电容之间的电容差值与加速度信号成线性关系。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，敏感垂直方向加速度信号的Z轴在其敏感质量块的四周的动梳齿与支撑框体上对应制作的固定梳齿构成敏感梳齿电容。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，下支撑体和上盖板的材料可以是硅或玻璃中的一种，支撑框体、弹性梁、敏感质量块、梳齿的材料为硅材料。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，弹性梁在检测方向上容易变形，在其它方向刚度较大。

根据本发明的第二方面，提供了一种MEMS三轴加速度计制造方法，其包括：对SOI片进行双面热氧化、光刻、腐蚀阻尼腔；去除氧化层，光刻，并深刻蚀去除可动结构下对应部分的SOI衬底硅；清洗以去除刻蚀产生的侧壁残渣，之后腐蚀可动结构对应的窗口处的埋氧层；将具有膜结构的SOI片与未做图形的玻璃片进行阳极键合，以形成SOI-玻璃键合片；对SOI-玻璃键合片进行金属溅射以制作金属电极；生长氧化层、光刻、刻蚀氧化层，并制作待释放的梁及梳齿图形的掩膜；释放梁、质量块与梳齿结构；双抛硅片双面热氧化，光刻，腐蚀保护腔体和电极通孔；将SOI-玻璃键合片与硅盖板进行键合；释放电极通孔；划片。

本发明提出的MEMS三轴加速度计及其制造方法至少可以解决如下技术问题中的一种或多种：(1)可解决降低热机械噪声与提高灵敏度之间的矛盾；(2)可解决真空封装的困难与成本问题；(3)可解决采用单轴加速度计组合封装实现三轴或多轴测量的轴向正交性低的不足；(4)可解决变间距电容型加速度计的灵敏度非线性的问题。本发明利用MEMS工艺的优势，在同一芯片内同时制作三轴独立检测的加速度传感器，不仅解决了三轴正交性问题，而且具有较高的灵敏度和分辨率，同时实现低偏轴灵敏度。

并且，本发明与现有技术相比至少具有如下优势：

(1)采用三个独立的敏感质量块对三轴加速度信号进行测量，避免了不同轴向运动的耦合；而且通过差分梳齿电容的分别检测得到X、Y、Z三轴加速度信号，具有灵敏度高，热机械噪声低、三轴正交、无交叉敏感、可集成批量制造等优点。

(2)利用MEMS体硅加工工艺的优势实现单芯片三轴加速度测量，解决了组装加速度计的组合封装引入的三轴向角度垂直性差的问题。

(3)大厚度的敏感质量块与多对垂直梳齿可有效提高器件的检测灵敏度、降低热机械噪声，无需真空封装，减低了成本。

(4)利用梳齿电容检测的方法解决了提高传感器灵敏度与降低低热机械噪声之间的矛盾，提高了传感器的综合性能。

(5)变面积型的电容检测方法能够实现待测量加速度信号与输出量之间严格的线性关系，不需要闭环反馈与检测，降低了***的复杂性。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1是根据本发明实施例的MEMS三轴加速度计的剖视图。

图2是根据本发明实施例的基于MEMS加工技术的单芯片变面积型梳齿MEMS三轴加速度计的平面结构示意图。

图3是根据本发明实施例的MEMS三轴加速度计的制作工艺流程图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

图1是根据本发明实施例的MEMS三轴加速度计的剖视图。并且，图2是根据本发明实施例的基于MEMS加工技术的单芯片变面积型梳齿MEMS三轴加速度计的平面结构示意图。

如图1所示，根据本发明实施例的基于大敏感质量块的单芯片变面积型差分梳齿结构MEMS三轴加速度计包括敏感器件层、上盖板层和下支撑体层。并且，如图2所示，其中上方的加速度传感器为X轴加速度传感器部分，下方左侧的加速度传感器为Y轴加速度传感器部分，并且下方右侧的加速度传感器为Z轴加速度传感器部分。可选地，在另一个实施例中，上方的加速度传感器也可以为Y轴加速度传感器部分，这样，下方左侧的加速度传感器为X轴加速度传感器部分。

具体地说，其中，对于X轴加速度传感器、Y轴加速度传感器、Z轴加速度传感器中的每一个，敏感器件层包括支撑框体1、弹性梁2、敏感质量块3、可动梳齿4、固定梳齿5以及电极6。敏感器件层与下支撑体7之间有间隙8。下支撑体层主要起支撑作用。上盖板9制作有保护腔体10和电极通孔11，可以保护梳齿结构。

更具体地说，变面积型梳齿三轴加速度计结构包括外部支撑框架1、三个中心对称的敏感质量块3、与支撑框架1和敏感质量块3相连的双端固支直梁2、可动梳齿4、固定梳齿5和电极6；双端固支梁2的一端连接在敏感质量块的边缘，另一端连接到与其垂直的外部支撑框架1上。质量块四周制作了多个可动垂直梳齿4，采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)片中的底层硅材料；敏感质量块3的背面刻蚀有腔体，形成质量块与下盖板之间的间隙8；固定支撑框架1边缘制作了多个固定垂直梳齿5；可动梳齿4与固定梳齿5交错平行排列，且每个可动梳齿4都在相邻两个固定梳齿5的中间位置；下支撑体7采用玻璃材料，与敏感元件层的固定框架1之间用阳极键合工艺进行连接。上盖板9的背面刻蚀有保护腔体10和电极通孔11，用于保护器件结构和引出电极。

如图1所示，优选地，为实现弹性梁仅对检测方向敏感，X、Y轴加速度传感器在敏感质量块的相对的两侧对称设计偶数根梁，Z轴加速度传感器在敏感质量块的四周对称设计偶数根梁，弹性梁的参数设计保证在检测方向上容易变形，在其它方向刚度较大。

对于X轴加速度传感器、Y轴加速度传感器、Z轴加速度传感器中的每一个，敏感器件层都可由硅材料制作，其中的敏感质量块3为矩形大厚度硅材料，通过对称的双端固支梁2与固定支撑框架1相连。敏感质量块3的周边对称分布多个可动梳齿4，可动梳齿4与敏感质量块3侧边垂直。固定梳齿5与支撑框体1相连，且可动梳齿4与固定梳齿5交错平行放置，且每个固定梳齿5均位于两个可动梳齿4中间位置，形成梳齿电容结构，梳齿之间的间距相等。敏感质量块3的下方刻有凹槽8，可以控制运动阻尼系数并防止敏感质量块3与下支撑体7粘连。支撑框体1与下支撑体7通过阳极键合工艺连接。

在本具体实施例中，单芯片的三个方向的加速度传感器优选地是彼此独立，三者的MEMS结构类似，均采用双端固支弹性梁连接支撑框体与敏感质量块，但通过双端固支弹性梁的参数设计实现仅对检测方向敏感，并通过参数的设计实现三个方向的加速度传感器的敏感特性接近一致。

优选地，为实现弹性梁仅对检测方向敏感，X、Y轴加速度传感器在敏感质量块的相对的两侧对称设计偶数根梁，Z轴加速度传感器在敏感质量块的四周对称设计偶数根梁，弹性梁的参数设计保证在检测方向上容易变形，在其它方向刚度较大。

优选地，Z轴加速度传感器的8根(在其它实施例中，也可以是其它数量的根数)弹性梁的尺寸完全一致，可以保证水平面内的平动与转动受到有效抑制；进一步优选地，敏感垂直方向加速度信号的Z轴在其敏感质量块的四周的动梳齿与支撑框体上对应制作的固定梳齿构成敏感梳齿电容。

优选地，敏感水平方向加速度信号的X轴与Y轴加速度传感器具有相同结构，其弹性梁的方向彼此垂直，X(或Y)轴加速度传感器在其敏感质量块的两侧的两个梳齿电容初始值相同，在其敏感方向的加速度信号的作用下一个电容增大，一个电容减小，构成一对差分电容，其电容差值与加速度信号成线性关系。同样地，优选地，对于Z轴，加速度传感器的差分电容与加速度信号之间也是线性变化关系。

在另一个优选实施例中，可在敏感质量块的四周对称分布多个可动梳齿结构，梳齿与质量块侧边垂直，利用体硅刻蚀工艺制作。并且，可动梳齿结构与固定梳齿结构错位平行放置，且每个静齿均位于两个动齿的中间位置，形成等间距的梳齿，可动梳齿与固定梳齿之间的电容构成敏感梳齿电容，可动梳齿与固定梳齿之间的交叠面积随敏感方向的加速度信号的线性变化。

进一步优选地，梳齿与弹性梁的厚度一致，敏感质量块与梳齿、弹性梁的厚度可以相同，也可以不同。当敏感质量块与梳齿、弹性梁的厚度设计为不同时，可同时实现大厚度的敏感质量块与高垂直度、小间距的梳齿结构，提高传感器的灵敏度。下支撑体层的可以是玻璃材料，也可以是硅材料。

敏感器件层与下支撑体层通过键合技术连接构成传感器主体结构，上盖板9与传感器主体结构通过BCB键合方法连接。上盖板的材料通常为易于加工的硅材料，也可以是其它材料如玻璃、陶瓷等，上盖板可起到保护传感器主体结构及对Z向运动进行限位、防止器件破坏的作用。

其中，例如，下支撑体和上盖板的材料可以是硅或玻璃中的一种，支撑框体、弹性梁、敏感质量块、梳齿的材料为硅材料。

由此，在本发明的该市实施例中，传感器X/Y轴加速度传感器的阻尼类型为滑膜阻尼，包括质量块与玻璃衬底之间，动齿与静齿之间。用滑膜阻尼取代已有技术方案中的压膜阻尼可大大减小运动阻尼力系数，降低热机械噪声。Z轴加速度传感器的敏感质量块与玻璃衬底之间虽为压膜阻尼，但由于敏感电容为质量块两侧的梳齿电容，与敏感质量块和下支撑体之间的间隙无关，故可以通过增大间隙来大幅减小运动阻尼系数，从而降低Z轴加速度传感器的热机械噪声。

采用大厚度的敏感质量块，也是降低加速度传感器的热机械噪声的重要措施，本发明采用的芯片工艺流程将质量块与梳齿分别制作，避免了深反应离子刻蚀(DeepRIE)工艺深宽比的限制，实现了较大敏感质量块的制作，同时实现梳齿结构的良好释放。降低热机械噪声，将可以提高加速度传感器的分辨率和精度，同时使加速度传感器适合应用于低频使用领域。本发明的实施例中使用SOI材料准确控制敏感质量块及弹性梁、梳齿结构的厚度，保证了传感器的结构的均匀一致性。

本发明实施例设计的变面积型梳齿电容加速度计结构，X、Y轴加速度传感器工作过程中的阻尼为滑膜阻尼，空气阻尼系数很小。Z轴加速度传感器工作过程中的阻尼虽然仍为压膜阻尼，但敏感质量块与下支撑体和上盖板的间隙为数十至数百微米，空气阻尼系数也很小。由于三轴加速度计每个轴向的阻尼都很小，即使采用大气封装仍可得到很低的热机械噪声。

根据本发明实施例的MEMS三轴微加速度传感器可应用于加速度、振动的测量与监测，并可应用于基于加速度信号检测的各种传感器、仪表和***中。

本发明的实施例涉及的变面积型梳齿三轴加速度计制作方法参考图3所示的工艺流程图进行说明，具体的工艺实施方法如下：

如步骤a所示，首先对SOI片进行双面热氧化、光刻、腐蚀阻尼腔。

如步骤b所示，去除氧化层，光刻，并利用例如ICP(电感耦合等离子体)深刻蚀去除可动结构下对应部分的SOI衬底硅。

如步骤c所示，兆声清洗，去除ICP刻蚀产生的侧壁残渣后，例如利用BOE(HF酸的一种缓冲液)腐蚀可动结构对应的窗口处的埋氧层。

如步骤d所示，将具有膜结构的SOI片与未做图形的玻璃片进行阳极键合，以形成SOI-玻璃键合片。

如步骤e所示，SOI-玻璃(SOI-glass)键合片金属溅射，以制作金属电极，例如Au电极。

如步骤f所示，例如通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)生长总厚度例如为的氧化层、光刻、RIE刻蚀氧化层；制作待释放的梁及梳齿图形的掩膜。ICP释放梁、质量块与梳齿结构。

如步骤g所示，双抛硅片双面热氧化、光刻、腐蚀保护腔体和电极通孔。

如步骤如步骤h所示，SOI-玻璃键合片与硅盖板进行键合，例如BCB(苯并环丁烯)键合。

如步骤i所示，例如通过ICP深刻蚀释放电极通孔。

如步骤j所示，划片。

由此可以得到一个变面积型梳齿MEMS三轴加速度计，其在单芯片上的三个独立的质量块分别实现X、Y、Z三轴加速度信号的检测，包括支撑框体、弹性梁、敏感质量块、多对梳齿式敏感电容、下支撑体、上盖板和引线电极。每个方向的加速度传感器由敏感质量块通过仅对检测方向敏感的弹性梁悬挂于支撑框体之间，敏感质量块上利用体硅加工工艺制作了多对可动梳齿，支撑框体对应制作多对固定梳齿，构成一对差分电容作为敏感电容，支撑框体通过键合技术与下支撑体、上盖板连接，敏感质量块与上盖板、下支撑体之间存在间隙。不同方向的差分梳齿电容对该方向的加速度信号的响应产生差分电容变化，通过差分电容的检测得到X、Y、Z三轴加速度信号。

并且，本发明给出了采用基于SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)材料的实施例的结构设计和制作方法，可实现大敏感质量块、较大的初始电容值，从而提高了检测灵敏度、分辨率与检测精度。此外，本发明中的梳齿电容采用等间距的对称设计，梳齿电容的动齿与静齿之间的静电力自动平衡抵消，避免了变间隙梳齿加速度计中梳齿易吸合的技术问题。

此外，本领域技术人员来说可以理解的是，虽然以上述流程中的各个步骤说明了本发明，但是本发明并不排除除了上述步骤之外其它步骤的存在。本领域技术人员来说可以理解的是，可在不脱离本发明的范围的情况下，可以在所描述的步骤中加入其它步骤以形成其它结构或者实现其它目的。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种MEMS三轴加速度计，其特征在于包括敏感器件层、上盖板层和下支撑体层；敏感器件层与上盖板层、下支撑体层之间有间隙；其中敏感器件层包括支撑框体、弹性梁、三个独立的敏感质量块、可动梳齿、固定梳齿以及电极，并且敏感器件层中的三个独立的敏感质量块分别实现X、Y、Z三轴加速度信号的检测；X、Y、Z三轴的每个方向的加速度传感器由相应的一个敏感质量块通过仅对检测方向敏感的弹性梁悬挂于支撑框体之间，每个敏感质量块上利用体硅加工工艺制作了多对可动梳齿，支撑框体相应地制作多对固定梳齿，以构成一对差分梳齿电容作为敏感梳齿电容；从而不同方向的差分梳齿电容对该方向的加速度信号的响应产生差分梳齿电容变化，通过差分梳齿电容的检测得到X、Y、Z三轴加速度信号；可动梳齿结构与固定梳齿结构错位平行放置，且每个静齿均位于两个动齿的中间位置，形成等间距的梳齿，可动梳齿与固定梳齿之间的电容构成敏感梳齿电容，可动梳齿与固定梳齿之间的交叠面积随敏感方向的加速度信号线性变化；其中，X、Y、Z三轴的每个方向的加速度传感器彼此独立，均采用双端固支弹性梁连接支撑框体与敏感质量块，通过双端固支弹性梁的参数设计实现仅对检测方向敏感；敏感垂直方向加速度信号的Z轴在其敏感质量块的四周的可动梳齿与支撑框体上对应制作的固定梳齿构成敏感梳齿电容。

2.根据权利要求1所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，X、Y轴加速度传感器在敏感质量块的相对的两侧对称设计偶数根弹性梁，Z轴加速度传感器在敏感质量块的四周对称设计偶数根弹性梁。

3.根据权利要求1或2所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，敏感水平方向加速度信号的X轴与Y轴加速度传感器具有相同结构，其弹性梁的方向彼此垂直，X轴或Y轴加速度传感器在其敏感质量块的两侧的两个梳齿电容初始值相同，在其敏感方向的加速度信号的作用下，X轴和Y轴加速度传感器的梳齿电容中的一个电容增大、另一个电容减小，以构成一对差分梳齿电容。

4.根据权利要求3所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，X轴、Y轴和Z轴加速度传感器的梳齿电容之间的电容差值与加速度信号成线性关系。

5.根据权利要求1或2所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，下支撑体层和上盖板层的材料可以是硅或玻璃中的一种，支撑框体、弹性梁、敏感质量块、梳齿的材料为硅材料。

6.根据权利要求1或2所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，弹性梁在检测方向上容易变形，在其它方向刚度较大。

7.一种如权利要求1所述的MEMS三轴加速度计制造方法，其特征在于包括：

对SOI片进行双面热氧化、光刻、腐蚀阻尼腔；

去除氧化层，光刻，并深刻蚀去除可动结构下对应部分的SOI衬底硅；

清洗以去除刻蚀产生的侧壁残渣，之后腐蚀可动结构对应的窗口处的埋氧层；

将具有膜结构的SOI片与未做图形的玻璃片进行阳极键合，以形成SOI-玻璃键合片；

对SOI-玻璃键合片进行金属溅射以制作金属电极；

生长氧化层、光刻、刻蚀氧化层，并制作待释放的梁及梳齿图形的掩膜；

释放梁、质量块与梳齿结构；

双抛硅片双面热氧化，光刻，腐蚀保护腔体和电极通孔；

将SOI-玻璃键合片与硅盖板进行键合；

释放电极通孔；

划片。