CN106053881B - 单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法。通过使用一对质量块、第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第一连接板及第二连接板的组合作为Z轴微机械敏感结构单元，将垂直表面Z轴加速度引起的结构形变转化为易于检测的表面内直拉直压梁的拉压，解决了目前垂直表面Z轴加速计不能同时获得高灵敏度及高谐振频率这一问题。综合考虑晶向对各向异性腐蚀、压阻系数等影响，优化结构布局，实现了小芯片上三轴高频宽高冲击加速度计的集成。提供了一套可靠的制作方法，使加速度计同时具备工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸小、结构强度高、适于批量生产等优势。
Description
技术领域
本发明属于硅微机械传感器领域，涉及一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法。
背景技术
随着硅基MEMS加工技术的日益成熟，MEMS高g值加速度计凭借其体积小、成本低、性能高和适于量产等优势，目前已广泛应用于汽车碰撞试验、航天导航、军用惯性导航、侵彻弹引信等领域。为真实再现碰撞、起飞、侵侧等过程中的加速度信号细节，尽可能地减小信号失真，高g值加速度计不仅要具备高抗冲击性及足够的灵敏度，还要具备较高的谐振频率及工作带宽。三轴集成高g值加速度计可同时检测同一位置XYZ三轴的加速度信号，可实现加速度矢量信号实时输出，相比于三个检测轴正交的单轴高g加速度计，芯片安装更加简易，信号读取更加准确，制造成本更加低廉。
目前国内应用较广的悬臂梁式高g值加速度计，多为(100)双抛片双面微机械加工后键合制作而成，这类加速度计有一些明显的缺点：工艺复杂、尺寸较大、成本较高、残余应力大。中科院上海微***与信息技术研究所高g加速度计研究组通过改进工艺，使用(111)单抛片通过单面微机械加工制造出性能更优的悬臂梁式高g值加速度计，同时具备制造工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸较小、结构强度高等优点。随着该项技术的进步和推广，中科院上海微***与信息技术研究所高g加速度计研究组研发出基于(111)单抛片单面工艺的三轴悬臂梁式高g值加速度计，在性能高低、制造工艺复杂度、成本高低、芯片尺寸大小、结构强度等指标上，几近做到了悬臂梁式高g值加速度计的极致。然而，由于悬臂梁结构自身的限制，这类加速度计无法同时获得高灵敏度和高谐振频率。
改用直拉直压梁作为高g加速度的检测结构，可同时获得高灵敏度及高谐振频率。鉴于此，中科院上海微***与信息技术研究所高g加速度计研究组研发出了基于(111)单晶硅基底的高谐振频率高冲击加速度计，在不失工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸较小、结构强度高等优势的前提下，在保持较高灵敏度的同时，大大提高了传感器的一阶谐振频率，即大大提高了工作带宽。然而，三边固支板与直拉直压梁的组合结构仅适用于检测硅片表面内二轴(XY轴)的加速度，而垂直硅片表面一轴(Z轴)加速度计目前并不能同时获得高灵敏度及高谐振频率。
鉴于此，本发明提出了一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明旨在提供一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法，用以解决垂直硅片表面一轴(Z轴)加速度计目前并不能同时获得高灵敏度及高谐振频率这一瓶颈问题，同时，在不失工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸较小、结构强度高、适于批量生产等优势的前提下，实现高频宽高冲击加速度计的三轴集成。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，所述单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计包括：(111)单晶硅基底及Z轴微机械敏感结构单元；其中，所述Z轴微机械敏感结构单元包括：两块平行分布的质量块、第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第一连接板及第二连接板；所述质量块嵌入在所述(111)单晶硅基底内，所述质量块外侧的侧面与所述(111)单晶硅基底之间及所述质量块相邻的侧面之间均设有第一深槽，所述质量块之间通过所述第一连接板相连接，所述质量块的外侧通过所述第二连接板与所述(111)单晶硅基底相连接；所述第一直拉直压梁位于所述两块质量块之间，且所述第一直拉直压梁两端分别与所述两块质量块相连接；所述第二直拉直压梁位于所述两块质量块外侧，且所述第二直拉直压梁横跨所述质量块外侧的所述第一深槽，一端与所述质量块相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述质量块的长度方向与<110>晶向相平行，所述质量块的侧面与<211>晶向相垂直。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述第一连接板及所述第二连接板的上表面及下表面均为(111)面。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的数量均为两个，所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向均为<211>晶向，且所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向与所述质量块的侧面相垂直。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，还包括：X轴微机械敏感结构单元及Y轴微机械敏感结构单元；其中，所述X轴微机械敏感结构单元包括：两块平行间隔分布的第一固支板及第三直拉直压梁；所述第一固支板为矩形板，所述第一固支板位于所述(111)单晶硅基底上表面内的一边为自由边，其余三边固支于所述(111)单晶硅基底内，所述第一固支板的两侧面与所述(111)单晶硅基底之间设有第二深槽；所述第三直拉直压梁对称地分布于所述第一固支板的两侧，且所述第三直拉直压梁横跨所述第二深槽，一端与所述第一固支板相连接，另一端与(111)单晶硅基底相连接；所述Y轴微机械敏感结构单元包括：两块平行间隔分布的第二固支板及第四直拉直压梁；所述第二固支板为矩形板，所述第二固支板的长度方向与所述第一固支板的长度方向相垂直，所述第二固支板位于所述(111)单晶硅基底上表面内的一边为自由边，其余三边固支于所述(111)单晶硅基底内，所述第二固支板的两侧面与所述(111)单晶硅基底之间设有第三深槽；所述第四直拉直压梁对称地分布于所述第二固支板的两侧，且所述第四直拉直压梁横跨所述第三深槽，一端与所述第二固支板相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述第一固支板及所述第二固支板均为矩形板，且所述第一固支板的侧面及所述第二固支板的侧面与<110>晶向均呈45°夹角。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的数量均为四个；四个所述第三直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第一固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第三直拉直压梁的长度方向与所述第一固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角；四个所述第四直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第二固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第四直拉直压梁的长度方向与所述第二固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，所述(111)单晶硅基底的上表面、所述质量块的上表面、所述第一直拉直压梁的上表面、所述第二直拉直压梁的上表面、所述第一固支板的自由边、所述第三直拉直压梁的上表面、所述第二固支板的自由边及所述第四直拉直压梁的上表面均位于同一平面内。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的一种优选方案，还包括力敏电阻，所述力敏电阻通过离子注入方法形成于所述第一直拉直压梁、所述第二直拉直压梁、所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁上，所述力敏电阻的长度与所述第一直拉直压梁、所述第二直拉直压梁、所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的长度相同，且各微机械敏感结构单元内的所述力敏电阻互相连接构成惠斯通全桥电路。
本发明还提供一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法，包括以下步骤：
1)提供一(111)单晶硅基底；
2)采用离子注入的方法在所述(111)单晶硅基底上制作力敏电阻，然后化学气相沉积氧化硅制作表面钝化保护层；
3)利用深度反应离子刻蚀工艺在所述(111)单晶硅基底上间隔的制作多个释放窗口，所述释放窗口勾勒出所需的固支板、直拉直压梁和质量块的轮廓；
4)采用二步深度反应离子刻蚀工艺自所述(111)单晶硅基底背面定义所述质量块的轮廓；
5)在所述释放窗口内化学气相沉积氧化硅作为侧壁钝化保护层；
6)利用反应离子刻蚀工艺去除所述释放窗口底部的所述侧壁钝化保护层，然后再利用硅深度反应离子刻蚀工艺继续向下刻蚀所述释放窗口底部裸露出来的单晶硅，以形成所述固支板、所述质量块、连接板及所述直拉直压梁的释放牺牲间隙；
7)通过所述释放牺牲间隙利用湿法刻蚀工艺横向腐蚀所述(111)单晶硅基底，释放所述直拉直压梁；
8)去除所述(111)单晶硅基底表面残余的钝化保护层，制作欧姆接触区域和引线孔；
9)在所述(111)单晶硅基底表面制作引线和焊盘。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法的一种优选方案，在步骤2)中，通过向所述(111)单晶硅基底进行硼离子注入的方法制作所述力敏电阻，注入倾斜角度为7°～10°，所述力敏电阻的方块电阻值为85欧姆～92欧姆。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法的一种优选方案，在步骤6)中，形成的所述固支板包括第一固支板及第二固支板，所述第一固支板及所述第二固支板的数量均为两块，所述两块第一固支板及所述两块第二固支板分别平行间隔分布，所述第一固支板及所述第二固支板均为矩形板，且所述第一固支板的侧面及所述第二固支板的侧面与<110>晶向均呈45°夹角。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法的一种优选方案，在步骤6)中，形成的所述质量块的数量为两块，所述两块质量块平行排布，所述质量块的长度方向与<110>晶向相平行，所述质量块的侧面与<211>晶向相垂直。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法的一种优选方案，在步骤6)中，形成的所述连接板包括第一连接板及第二连接板；所述第一连接板位于两所述质量块之间，所述第一连接板两端分别与所述两质量块相连接；所述第二连接板位于所述质量块外侧，一端与所述质量块相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法的一种优选方案，在步骤7)中，释放的所述直拉直压梁包括第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第三直拉直压梁及第四直拉直压梁；所述第一直拉直压梁位于所述两块质量块之间，且所述第一直拉直压梁两端分别与所述两块质量块相连接；所述第二直拉直压梁位于所述两块质量块外侧，且一端与所述质量块相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接；所述第三直拉直压梁对称地分布于所述第一固支板的两侧，且一端与所述第一固支板相连接，另一端与(111)单晶硅基底相连接；所述第四直拉直压梁对称地分布于所述第二固支板的两侧，且一端与所述第二固支板相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。
作为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法的一种优选方案，所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的数量均为两个，所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向均为<211>晶向，且所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向与所述质量块的侧面相垂直；所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的数量均为四个；四个所述第三直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第一固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第三直拉直压梁的长度方向与所述第一固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角；四个所述第四直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第二固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第四直拉直压梁的长度方向与所述第二固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角。
如上所述，本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法，具有以下有益效果：1)通过使用一对质量块、第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第一连接板及第二连接板的组合作为Z轴微机械敏感结构单元，将垂直表面一轴(Z轴)加速度引起的结构形变转化为易于检测的表面内直拉直压梁的拉压，解决了目前垂直表面一轴(Z轴)加速计并不能同时获得高灵敏度及高谐振频率这一问题；2)综合考虑晶向对各向异性腐蚀、压阻系数等的影响，通过布局优化，实现了小芯片上三轴高频宽高冲击加速度计的集成；3)提供了一套可靠的制作方法，使该三轴加速度计在具备优异性能的同时还具有工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸较小、结构强度高、适于批量生产等优势。
附图说明
图1显示为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的三维结构示意图。
图2显示为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计中Z轴微机械敏感结构单元中质量块的纵截面三维结构示意图。
图3显示为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计中Z轴微机械敏感结构单元中第一直拉直压梁的纵截面三维结构示意图。
图4显示为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计中X轴微机械敏感结构单元中第一固支板的纵截面三维结构示意图。
图5显示为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计中Y轴微机械敏感结构单元中第四直拉直压梁的纵截面三维结构示意图。
图6显示为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的背面三维结构示意图。
图8至图16显示为本发明的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法各步骤的纵截面结构示意图。
元件标号说明
10 (111)单晶硅基底
11 质量块
12 第一直拉直压梁
13 第二直拉直压梁
14 第一连接板
15 第二连接板
16 第一深槽
17 第一固支板
18 第三直拉直压梁
19 第二深槽
20 第二固支板
21 第四直拉直压梁
22 第三深槽
23 力敏电阻
24 表面钝化层
241 TEOS二氧化硅
242 热氧化二氧化硅
25 释放窗口
26 背面凹槽
27 侧壁钝化保护层TEOS二氧化硅
28 释放牺牲间隙
29 引线孔
30 引线
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图请参阅图1至图16。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图1至图6，本发明提供一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，所述单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计包括：(111)单晶硅基底10及Z轴微机械敏感结构单元；其中，所述Z轴微机械敏感结构单元包括：两块平行分布的质量块11、第一直拉直压梁12、第二直拉直压梁13、第一连接板14及第二连接板15；所述质量块11嵌入在所述(111)单晶硅基底10内，所述质量块11外侧的侧面与所述(111)单晶硅基底10之间及所述质量块11相邻的侧面之间均设有第一深槽16，所述质量块11之间通过所述第一连接板14相连接，所述质量块11的外侧通过所述第二连接板15与所述(111)单晶硅基底10相连接；所述第一直拉直压梁12位于所述两块质量块11之间，且所述第一直拉直压梁12横跨所述质量块11之间的所述第一深槽16，所述第一直拉直压梁12两端分别与所述两质量块11相连接；所述第二直拉直压梁13位于所述两块质量块11外侧，且所述第二直拉直压梁13横跨所述质量块11外侧的所述第一深槽16，一端与所述质量块11相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底10相连接。
作为示例，所述(111)单晶硅基底10的形状可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述(111)单晶硅基底10横截面的形状为正方形，所述(111)单晶硅基底10的四条边方均向为<211>和<110>的角分线，即与所述(111)单晶硅基底10的主切边呈45°夹角。
作为示例，所述Z轴微机械敏感结构单元中，所述质量块11可以为但不仅限于长方体；所述质量块11的长度方向与<110>晶向相平行，所述质量块11的侧面与<211>晶向相垂直；所述第一连接板14及所述第二连接板15的上表面及下表面均为(111)面；所述第一直拉直压梁12及所述第二直拉直压梁13的数量均为两个，所述第一直拉直压梁12及所述第二直拉直压梁13的长度方向均为<211>晶向，且所述第一直拉直压梁12及所述第二直拉直压梁13的长度方向与所述质量块11的侧面相垂直。由于所述(111)单晶硅基底10表面纵向压阻系数不随偏转角度改变，将所述第一直拉直压梁12及所述第二直拉直压梁13的长度方向取向为<211>晶向，有利于保证所述质量块11在各向异性湿法腐蚀过程中损耗尽可能小。
作为示例，所述质量块11的背面轮廓通过硅片背面二步深槽刻蚀形成，两所述质量块11的形状及尺寸完全相同。(质量块并非仅有背面刻蚀形成，正面三个深槽贡献更大)
作为示例，所述(111)单晶硅基底10的上表面、所述质量块11的上表面、所述第一直拉直压梁12的上表面及所述第二直拉直压梁13的上表面均位于同一平面内。
作为示例，所述加速度计还包括还包括力敏电阻(未示出)，所述力敏电阻通过离子注入方法形成于所述第一直拉直压梁12及所述第二直拉直压梁13上，所述力敏电阻的长度与所述第一直拉直压梁12及所述第二直拉直压梁13的长度相同，且所述力敏电阻互相连接，在Z轴加速度作用下其阻值两增两减，可构成惠斯通全桥检测电路。
通过使用一对所述质量块11、所述第一直拉直压梁12、所述第二直拉直压梁13、所述第一连接板14及所述第二连接板15的组合作为Z轴微机械敏感结构单元，在外加垂直表面一轴(即Z轴)加速度时，所述质量块11受惯性力作用趋于沿Z轴位移，但由于所述第一连接板14及所述第二连接板15对每个所述质量块11两侧的限制不对称，两所述质量块11之间有横向的相对运动，所述第一连接板14及所述第二连接板15扭曲，两所述质量块11相邻的两边或者相靠近或者相远离，所述第一直拉直压梁12受拉则所述第二直拉直压梁13受压，所述第一直拉直压梁12受压则所述第二直拉直压梁13受拉，这就将垂直表面一轴(Z轴)加速度引起的结构形变转化为易于检测的表面内直拉直压梁的拉压，解决了目前垂直表面一轴(Z轴)加速计并不能同时获得高灵敏度及高谐振频率这一问题。所述Z轴微机械敏感结构单元的谐振频率主要由所述质量块11、所述第一连接板14及所述第二连接板15的尺寸决定，灵敏度主要由所述第一直拉直压梁12及所述第二直拉直压梁13的尺寸决定，综合考虑工艺可行性以及结构抗冲击性，通过优化尺寸即可同时获得高灵敏度及高谐振频率。
作为示例，请继续参阅图1，所述单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计还包括：X轴微机械敏感结构单元及Y轴微机械敏感结构单元；其中，所述X轴微机械敏感结构单元包括：两块平行间隔分布的第一固支板17及第三直拉直压梁18；所述第一固支板17为矩形板，所述第一固支板17位于所述(111)单晶硅基底10上表面内的一边为自由边，其余三边固支于所述(111)单晶硅基底10内，所述第一固支板17的两侧面与所述(111)单晶硅基底10之间设有第二深槽19；所述第三直拉直压梁18对称地分布于所述第一固支板17的两侧，且所述第三直拉直压梁18横跨所述第二深槽19，一端与所述第一固支板17相连接，另一端与(111)单晶硅基底10相连接；所述Y轴微机械敏感结构单元包括：两块平行间隔分布的第二固支板20及第四直拉直压梁21；所述第二固支板20为矩形板，所述第二固支板20的长度方向与所述第一固支板17的长度方向相垂直，所述第二固支板20位于所述(111)单晶硅基底10上表面内的一边为自由边，其余三边固支于所述(111)单晶硅基底10内，所述第二固支板20的底边及两侧边为固支边，所述第二固支板20的两侧面与所述(111)单晶硅基底10之间设有第三深槽22；所述第四直拉直压梁21对称地分布于所述第二固支板20的两侧，且所述第四直拉直压梁21横跨所述第三深槽22，一端与所述第二固支板20相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底10相连接。
作为示例，所述第一固支板17的形状及尺寸与所述第二固支板20的形状及尺寸完全相同，所述第三直拉直压梁18的形状及尺寸与所述第四直拉直压梁21的形状及尺寸完全相同。
作为示例，所述第一固支板17及所述第二固支板20均为矩形板，且所述第一固支板17的侧面及所述第二固支板20的侧面与<110>晶向均呈45°夹角。
作为示例，所述第三直拉直压梁18及所述第四直拉直压梁21的数量均为四个；四个所述第三直拉直压梁18分别两两对称地分布于所述第一固支板17的两侧，且呈“一”字分布，所述第三直拉直压梁18的长度方向与所述第一固支板17的侧面相垂直，且均为<211>与<110>的角分线，即均与所述(111)单晶硅基底10的主切边呈45°夹角，亦即与<110>晶向呈45°夹角；四个所述第四直拉直压梁21分别两两对称地分布于所述第二固支板20的两侧，且呈“一”字分布，所述第四直拉直压梁21的长度方向与所述第二固支板20的侧面相垂直，且均为<211>与<110>的角分线，即均与所述(111)单晶硅基底10的主切边呈45°夹角，亦即与<110>晶向呈45°夹角。
作为示例，所述第一固支板17为通过在所述(111)单晶硅基底10内所述第一固支板17两侧刻蚀所述第二深槽19而获得，所述第二固支板20为通过在所述(111)单晶硅基底10内所述第二固支板20两侧刻蚀所述第三深槽22而获得。
作为示例，所述(111)单晶硅基底10的上表面、所述第一固支板17的自由边、所述第三直拉直压梁18的自由边、所述第二固支板20的自由边及所述第四直拉直压梁21的上表面均位于同一平面内。
作为示例，所述加速度计还包括力敏电阻(未示出)，所述力敏电阻通过离子注入方法形成于所述第三直拉直压梁18及所述第四直拉直压梁21上，所述力敏电阻的长度与所述第三直拉直压梁18及所述第四直拉直压梁21的长度相同，且各微机械敏感结构单元内的所述力敏电阻互相连接,构成惠斯通全桥电路，即所述X轴微机械敏感结构单元中的所述第三直拉直压梁18表面的所述力敏电阻相互连接，在X轴加速度的作用下其阻值两增两减，可构成惠斯通全桥检测电路，所述Y轴微机械敏感结构单元中的所述第四质量拉直压梁21表面的所述力敏电阻相互连接，在Y轴加速度的作用下其阻值两增两减，可构成惠斯通全桥检测电路。
作为示例，所述单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计通过单面加工工艺，将所述X轴微机械敏感结构单元、所述Y轴微机械敏感结构单元及所述Z轴微机械敏感结构单元集成于所述(111)单晶硅基底10内；所述Z轴微机械敏感结构单元位于所述(111)单晶硅基底10的正中心，所述X轴微机械敏感结构单元及所述Y轴微机械敏感结构单元分别位于所述(111)单晶硅基底10的四边，且与所述(111)单晶硅基底10的边缘留有足够的距离，以保证在外加X轴加速度或Y轴加速度时，除了所述X轴微机械敏感结构单元或所述Y轴微机械敏感结构单元之外的其他部分的形变可忽略。
以X轴微机械敏感结构单元为例，在外加X轴向加速度的作用下，所述第一固支板17在自身惯性力作用下挠曲，其非固支边的位移会使得所述第三直拉直压梁18一拉一压，使得相应所述第三直拉直压梁18上的所述力敏电阻的阻值两增两减，构成惠斯通全桥检测电路。Y轴微机械敏感结构单元的工作原理与X轴微机械敏感结构单元的工作原理相似。所述X轴微机械敏感结构单元的一阶谐振频率主要由所述第一固支板17的尺寸决定，灵敏度主要由所述第三直拉直压梁18的尺寸决定；所述Y轴微机械敏感结构单元的一阶谐振频率主要由所述第二固支板20的尺寸决定，灵敏度主要由所述第四直拉直压梁21的尺寸决定，综合考虑工艺可行性以及结构抗冲击性，通过优化尺寸，可同时获得高灵敏度及高谐振频率。
实施例二
请参阅图7至图16，本发明还提供一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法，适于制作如实施例一中所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计；请结合实施例一中的图1至图6，以量程为10万g、一阶谐振频率为1.5MHz、灵敏度为0.5μV/g的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计为例，X轴微机械敏感结构单元中的第三直拉直压梁及Y轴微机械敏感结构单元中的第四直拉直压梁的长度方向取向均为<211>与<110>的角分线，所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的长度均为20微米、宽度均为3微米、厚度均为3微米；X轴微机械敏感结构单元中的第一固支板及所述Y轴微机械敏感结构单元中的第二固支板的长度均为720微米、宽度均为250微米、厚度均为30微米；
请参阅图7至图16，以量程为10万g、一阶谐振频率为1.5MHz、灵敏度为0.5μV/g的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计为例，所述单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法至少包括以下步骤：
1)提供一(111)单晶硅基底10，如图8所示；需要说明的是，执行步骤2)之前，需要先将所述(111)单晶硅基底10进行热氧化处理；
2)制作热氧化二氧化硅242，采用硼离子注入的方法在所述(111)单晶硅基底10正面注入硼离子并主扩后制作力敏电阻23，注入倾斜角度为7°～10°，所述力敏电阻23的方块电阻值为85欧姆～92欧姆；然后采用化学气相沉积工艺制作TEOS二氧化硅241作为表面钝化保护层24，如图9所示；
3)利用深度反应离子刻蚀工艺在所述(111)单晶硅基底10上间隔的制作多个释放窗口25，所述释放窗口25勾勒出所需的固支板、直拉直压梁和质量块的轮廓，如图10所示；
4)采用二步深度反应离子刻蚀工艺自所述(111)单晶硅基底10背面定义所述质量块的轮廓，如图11所示；
5)在所述释放窗25口内化学气相沉积氧化硅作为侧壁钝化保护层27，所述侧壁钝化保护层27优选为TEOS二氧化硅，如图12所示；
6)利用反应离子刻蚀工艺去除所述释放窗口25底部的所述侧壁钝化保护层27，然后再利用硅深度反应离子刻蚀工艺继续向下刻蚀所述释放窗口25底部裸露出来的单晶硅，以形成所述固支板、所述质量块11、连接板及所述直拉直压梁的释放牺牲间隙28，如图13所示；请结合实施例一，形成的所述固支板包括第一固支板及第二固支板，所述第一固支板及所述第二固支板位于所述(111)单晶硅基底10的四边，且与所述(111)单晶硅基底10的边缘留有足够的距离；所述第一固支板及所述第二固支板的数量均为两块，所述两块第一固支板及所述两块第二固支板分别平行间隔分布，所述第一固支板及所述第二固支板均为矩形板，且所述第一固支板的侧面及所述第二固支板的侧面与<110>晶向均呈45°夹角；形成的所述质量块11位于所述(111)单晶硅基底10的正中心，所述质量块11的数量为两块，所述两块质量块11平行排布，所述质量块11的长度方向与<110>晶向相平行，所述质量块的侧面与<211>晶向相垂直；形成的所述连接板包括第一连接板14及第二连接板15；所述第一连接板14位于两所述质量块11之间，所述第一连接板14的两端分别与两所述质量块11相连接，即所述第一连接板14的一端与一所述质量块11相连接，另一端与另一所述质量块11相连接；所述第二连接板15位于所述质量块11外侧，一端与所述质量块11相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底10相连接，所述第一连接板14及所述第二连接板15的上表面及下表面均为(111)面；所述第一固支板及所述第二固支板的长度均为720微米、宽度均为250微米、厚度均为30微米；所述质量块的长度为1200微米、宽度为250微米，厚度为430微米；所述第一连接板14及所述第二连接板15的厚度为80微米；
7)通过所述释放牺牲间隙28利用KOH溶液或TMAH(TetramethylammoniumHydroxide，四甲基氢氧化铵)溶液沿<110>晶向横向腐蚀所述(111)单晶硅基底10，释放所述直拉直压梁，如图14所示；优选地，本实施例中，使用TMAH溶液沿<110>晶向横向腐蚀所述(111)单晶硅基底10，腐蚀时间约为10分钟。在结构释放过程中，由于所述直拉直压梁要腐蚀释放的结构尺寸特别小，横向释放时间比较短，又所述直拉直压梁的下表面为(111)晶面，横向释放时所述直拉直压梁下表面腐蚀速率接近于0，横向释放时所述直拉直压梁下表面基本保持原貌，释放过程中所述直拉直压梁的截面始终保持为矩形，使得所述直拉直压梁各方向的尺寸可精确控制，所述直拉直压梁的制造成品率高。请结合实施例一，释放的所述直拉直压梁包括第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第三直拉直压梁及第四直拉直压梁；所述第一直拉直压梁位于所述两块质量块之间，且所述第一直拉直压梁两端分别与所述两块质量块相连接；所述第二直拉直压梁位于所述两块质量块外侧，且一端与所述质量块相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接；所述第三直拉直压梁对称地分布于所述第一固支板的两侧，且一端与所述第一固支板相连接，另一端与(111)单晶硅基底相连接；所述第四直拉直压梁对称地分布于所述第二固支板的两侧，且一端与所述第二固支板相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接；所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的数量均为两个，所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向均为<211>晶向，且所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向与所述质量块的侧面相垂直；所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的数量均为四个；四个所述第三直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第一固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第三直拉直压梁的长度方向与所述第一固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角；四个所述第四直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第二固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第四直拉直压梁的长度方向与所述第二固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角；所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度均为20微米、宽度均为3微米、厚度均位3微米；所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的长度均为20微米、宽度均为3微米、厚度均为3微米；
8)去除所述(111)单晶硅基底10表面残余的钝化保护层，制作欧姆接触区域(未示出)和引线孔29，如图15所示；
9)在所述(111)单晶硅基底10正面溅射铝薄膜，光刻引线30和焊盘；腐蚀所述引线30并合金化，如图16所示。
综上所述，本发明提供一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计及其制作方法，所述单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计包括：(111)单晶硅基底及Z轴微机械敏感结构单元；其中，所述Z轴微机械敏感结构单元包括：两块平行分布的质量块、第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第一连接板及第二连接板；所述质量块嵌入在所述(111)单晶硅基底内，所述质量块外侧的侧面与所述(111)单晶硅基底之间及所述质量块相邻的侧面之间均设有第一深槽，所述质量块之间通过所述第一连接板相连接，所述质量块的外侧通过所述第二连接板与所述(111)单晶硅基底相连接；所述第一直拉直压梁位于所述两块质量块之间，且所述第一直拉直压梁横跨所述质量块之间的所述第一深槽，所述第一直拉直压梁两端分别与所述两块质量块相连接；所述第二直拉直压梁位于所述两块质量块外侧，且所述第二直拉直压梁横跨所述质量块外侧的所述第一深槽，一端与所述质量块相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。本发明通过使用一对质量块、第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第一连接板及第二连接板的组合作为Z轴微机械敏感结构单元，将垂直表面一轴(Z轴)加速度引起的结构形变转化为易于检测的表面内直拉直压梁的拉压，解决了目前垂直表面一轴(Z轴)加速计并不能同时获得高灵敏度及高谐振频率这一问题；综合考虑晶向对各向异性腐蚀、压阻系数等的影响，通过布局优化，实现了小芯片上三轴高频宽高冲击加速度计的集成；提供了一套可靠的制作方法，使该三轴加速度计在具备优异性能的同时还具有工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸较小、结构强度高、适于批量生产等优势。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (16)
1.一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于，包括：(111)单晶硅基底及Z轴微机械敏感结构单元；其中，
所述Z轴微机械敏感结构单元包括：两块平行分布的质量块、第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第一连接板及第二连接板；所述质量块嵌入在所述(111)单晶硅基底内，所述质量块外侧的侧面与所述(111)单晶硅基底之间及所述质量块相邻的侧面之间均设有第一深槽，所述质量块之间通过所述第一连接板相连接，所述质量块的外侧通过所述第二连接板与所述(111)单晶硅基底相连接；所述第一直拉直压梁位于所述两块质量块之间，且所述第一直拉直压梁横跨所述质量块之间的所述第一深槽，所述第一直拉直压梁两端分别与所述两块质量块相连接；所述第二直拉直压梁位于所述两块质量块外侧，且所述第二直拉直压梁横跨所述质量块外侧的所述第一深槽，一端与所述质量块相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。
2.根据权利要求1所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述质量块的长度方向与<110>晶向相平行，所述质量块的侧面与<211>晶向相垂直。
3.根据权利要求1所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述第一连接板及所述第二连接板的上表面及下表面均为(111)面。
4.根据权利要求1所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的数量均为两个，所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向均为<211>晶向，且所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向与所述质量块的侧面相垂直。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：还包括：X轴微机械敏感结构单元及Y轴微机械敏感结构单元；其中，
所述X轴微机械敏感结构单元包括：两块平行间隔分布的第一固支板及第三直拉直压梁；所述第一固支板为矩形板，所述第一固支板位于所述(111)单晶硅基底上表面内的一边为自由边，其余三边固支于所述(111)单晶硅基底内，所述第一固支板的两侧面与所述(111)单晶硅基底之间设有第二深槽；所述第三直拉直压梁对称地分布于所述第一固支板的两侧，且所述第三直拉直压梁横跨所述第二深槽，一端与所述第一固支板相连接，另一端与(111)单晶硅基底相连接；
所述Y轴微机械敏感结构单元包括：两块平行间隔分布的第二固支板及第四直拉直压梁；所述第二固支板为矩形板，所述第二固支板的长度方向与所述第一固支板的长度方向相垂直，所述第二固支板位于所述(111)单晶硅基底上表面内的一边为自由边，其余三边固支于所述(111)单晶硅基底内，所述第二固支板的两侧面与所述(111)单晶硅基底之间设有第三深槽；所述第四直拉直压梁对称地分布于所述第二固支板的两侧，且所述第四直拉直压梁横跨所述第三深槽，一端与所述第二固支板相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。
6.根据权利要求5所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述第一固支板及所述第二固支板均为矩形板，且所述第一固支板的侧面及所述第二固支板的侧面与<110>晶向均呈45°夹角。
7.根据权利要求5所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的数量均为四个；四个所述第三直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第一固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第三直拉直压梁的长度方向与所述第一固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角；四个所述第四直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第二固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第四直拉直压梁的长度方向与所述第二固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角。
8.根据权利要求5所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：所述(111)单晶硅基底的上表面、所述质量块的上表面、所述第一直拉直压梁的上表面、所述第二直拉直压梁的上表面、所述第一固支板的自由边、所述第三直拉直压梁的上表面、所述第二固支板的自由边及所述第四直拉直压梁的上表面均位于同一平面内。
9.根据权利要求5所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计，其特征在于：还包括力敏电阻，所述力敏电阻通过离子注入方法形成于所述第一直拉直压梁、所述第二直拉直压梁、所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁上，所述力敏电阻的长度与所述第一直拉直压梁、所述第二直拉直压梁、所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的长度相同，且各微机械敏感结构单元内的所述力敏电阻互相连接构成惠斯通全桥电路。
10.一种单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)提供一(111)单晶硅基底；
2)采用离子注入的方法在所述(111)单晶硅基底上制作力敏电阻，然后化学气相沉积氧化硅制作表面钝化保护层；
3)利用深度反应离子刻蚀工艺在所述(111)单晶硅基底上间隔的制作多个释放窗口，所述释放窗口勾勒出所需的固支板、直拉直压梁和质量块的轮廓；
4)采用二步深度反应离子刻蚀工艺自所述(111)单晶硅基底背面定义所述质量块的轮廓；
5)在所述释放窗口内化学气相沉积氧化硅作为侧壁钝化保护层；
6)利用反应离子刻蚀工艺去除所述释放窗口底部的所述侧壁钝化保护层，然后再利用硅深度反应离子刻蚀工艺继续向下刻蚀所述释放窗口底部裸露出来的单晶硅，以形成所述固支板、所述质量块、连接板及所述直拉直压梁的释放牺牲间隙；
7)通过所述释放牺牲间隙利用湿法刻蚀工艺横向腐蚀所述(111)单晶硅基底，释放所述直拉直压梁；
8)去除所述(111)单晶硅基底表面残余的钝化保护层，制作欧姆接触区域和引线孔；
9)在所述(111)单晶硅基底表面制作引线和焊盘。
11.根据权利要求10所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法，其特征在于：在步骤2)中，通过向所述(111)单晶硅基底进行硼离子注入的方法制作所述力敏电阻，注入倾斜角度为7°～10°，所述力敏电阻的方块电阻值为85欧姆～92欧姆。
12.根据权利要求10所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法，其特征在于：在步骤6)中，形成的所述固支板包括第一固支板及第二固支板，所述第一固支板及所述第二固支板的数量均为两块，所述两块第一固支板及所述两块第二固支板分别平行间隔分布，所述第一固支板及所述第二固支板均为矩形板，且所述第一固支板的侧面及所述第二固支板的侧面与<110>晶向均呈45°夹角。
13.根据权利要求10所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法，其特征在于：在步骤6)中，形成的所述质量块的数量为两块，所述两块质量块平行排布，所述质量块的长度方向与<110>晶向相平行，所述质量块的侧面与<211>晶向相垂直。
14.根据权利要求13所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法，其特征在于：在步骤6)中，形成的所述连接板包括第一连接板及第二连接板；所述第一连接板位于两所述质量块之间，且所述第一连接板两端分别与所述两质量块相连接；所述第二连接板位于所述质量块外侧，一端与所述质量块相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接；形成的所述固支板包括第一固支板及第二固支板，所述第一固支板及所述第二固支板位于所述单晶硅基底的四边，且与所述(111)单晶硅基底的边缘具有间距。
15.根据权利要求14所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法，其特征在于：在步骤7)中，释放的所述直拉直压梁包括第一直拉直压梁、第二直拉直压梁、第三直拉直压梁及第四直拉直压梁；所述第一直拉直压梁位于所述两块质量块之间，且所述第一直拉直压梁两端分别与所述两块质量块相连接；所述第二直拉直压梁位于所述两块质量块外侧，且一端与所述质量块相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接；所述第三直拉直压梁对称地分布于所述第一固支板的两侧，且一端与所述第一固支板相连接，另一端与(111)单晶硅基底相连接；所述第四直拉直压梁对称地分布于所述第二固支板的两侧，且一端与所述第二固支板相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接。
16.根据权利要求15所述的单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计的制作方法，其特征在于：所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的数量均为两个，所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向均为<211>晶向，且所述第一直拉直压梁及所述第二直拉直压梁的长度方向与所述质量块的侧面相垂直；所述第三直拉直压梁及所述第四直拉直压梁的数量均为四个；四个所述第三直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第一固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第三直拉直压梁的长度方向与所述第一固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角；四个所述第四直拉直压梁分别两两对称地分布于所述第二固支板的两侧，且呈“一”字分布，所述第四直拉直压梁的长度方向与所述第二固支板的侧面相垂直，且与<110>晶向呈45°夹角。
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| 单片集成的高性能压阻式三轴高g加速度计的设计、制造与测试;董培涛 等;《半导体学报》;20070930;第28卷(第9期);1483-1484页，图1-5 * |
| 董培涛 等.单片集成的高性能压阻式三轴高g加速度计的设计、制造与测试.《半导体学报》.2007,第28卷(第9期),1483-1484页. * |
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