CN106809799A - 加速度传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种加速度传感器及其制造方法。所述制造方法包括：在单晶硅基底上刻蚀包括为z轴向加速度敏感电容提供空间的第一腔体；在刻蚀了各所述腔体的单晶硅基底上生成氧化硅层；在生成氧化硅层后的所述单晶硅基底上采用硅硅键合方式覆盖单晶硅基板，并予以减薄，以形成敏感器件层；所述敏感器件层用于形成包含z轴向加速度敏感电容的敏感电容；在所述敏感器件层上生成氧化硅薄膜，并将除所述z轴向加速度敏感电容结构中悬臂梁处以外的氧化硅薄膜腐蚀掉；在敏感器件层上沉淀与各敏感电容相连的金属电极；按照预设的包含竖直轴向加速度敏感电容的结构图案，将位于相应腔体上的敏感器件层进行刻蚀。本发明解决了z轴加速度传感器灵敏度低的问题。

Description

加速度传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种加速度传感器及其制造方法。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。由于采用了微机电***技术，使得其尺寸大大缩小，具有体积小、重量轻、能耗低等优点，广泛应用在军事、汽车工业、消费类电子产品等领域。
其中，较为常用的是电容式加速度传感器，其基本工作原理在于，敏感质量块借助于悬挂装置支撑在基底上，同时连接可动电极。可动电极和固定电极形成一个或多个敏感电容，待测加速度作用在敏感质量块上产生的惯性力引起敏感电容的极板间隙变化。
在现有的Z轴加速度传感器中，悬于基底的多晶硅敏感质量块与固定在基底的多晶硅电极形成平板电容，在加工过程中，敏感质量块和底部电极设置有绝缘介质层(如氧化硅)，受限于工艺条件，往往绝缘介质厚度在几微米，导致间隙很小。易引起敏感电容电极在过载加速度下相接触，而引起电极短路。
同时，可动多晶硅敏感质量结构通过湿法或蒸汽法工艺释放，而氧化硅绝缘介质产生的间隙很小，因此需要在敏感质量块上刻蚀密集的释放孔，此举减少了敏感质量块的有效质量。也减小了敏感质量块对加速度产生的惯性力，降低了传感器的灵敏度。为防止敏感电容电极在过载加速度下相接触引起电极短路，提高扭转梁的刚度，而此举也降低了传感器的灵敏度。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明实施例提供一种加速度传感器及其制造方法，用于解决现有技术中z轴向的敏感电容的灵敏度低的问题。
本发明实施例采用以下技术方案：
第一方面，提供一种制造加速度传感器的方法，包括：在单晶硅基底上刻蚀至少一个腔体；其中，所述腔体包括：为竖直轴向加速度敏感电容提供运动空间的第一腔体；在刻蚀了各所述腔体的单晶硅基底上生成氧化硅层；在生成氧化硅层后的所述单晶硅基底上采用硅硅键合方式覆盖单晶硅基板，并予以减薄，以形成敏感器件层；其中，所述单晶硅基板覆盖所有腔体；所述敏感器件层用于形成包含竖直轴向加速度敏感电容的敏感电容；在所述敏感器件层上生成氧化硅薄膜，并将除所述竖直轴向加速度敏感电容结构中悬臂梁处以外的氧化硅层腐蚀掉；在所述敏感器件层上沉淀与竖直轴向加速度敏感电容相连的金属电极；按照预设的包含所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案，将位于相应腔体上的敏感器件层进行刻蚀，以得到对应所述结构图案中的器件结构；其中，所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案包括：均悬于所述第一腔体的第一固定梳齿的图案、由所述第一固定梳齿的图案两端延伸至所述第一腔体外边沿的悬臂梁的图案、包含与所述第一固定梳齿图案有间隙啮合的第一可动梳齿图案的第一质量块的图案、以及横跨所述第一腔体并将所述第一质量块图案分为质量不等两部分的扭转梁的图案，其中，所述扭转梁图案的两端部位于所述第一腔体的外边沿上。
优选地，所述按照预设的包含所述竖直轴向加速度敏感电容的感应电容图案，将位于相应腔体上的敏感器件层进行刻蚀的方式包括：按照预设的第一固定梳齿和第一可动梳齿对称于所述扭转梁两侧的结构图案，将位于所述第一腔体上的敏感器件层进行刻蚀。
优选地，所述腔体还包括：为水平正交两轴向加速度敏感电容提供空间的两个第二腔体；对应的，所述按照预设的包含所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案，将位于相应腔体上的敏感器件层进行刻蚀的方式包括：按照所述第一腔体所对应的竖直轴向加速度敏感电容的、和各所述第二腔体所对应的各水平轴向加速度敏感电容的结构图案，分别将所述第一腔体和第二腔体上的敏感器件层进行刻蚀。
优选地，所述水平正交两轴向加速度敏感电容的结构图案包括：垂直于其中一水平轴向的敏感方向、且由所述第二腔体对称的两外边沿向腔内延伸的第二固定梳齿的图案；悬于所述第二腔体并包含第二可动梳齿图案的第二质量块图案，其中，所述第二固定梳齿的图案与所述第二可动梳齿的图案有间隙的啮合，并所述第二固定梳齿的图案与所述第二可动梳齿的图案所对应的两个敏感电容在相应敏感方向上输出差分敏感信号；以及由所述第二质量块的图案沿敏感方向对称延伸至所述第二腔体外边沿的弹性梁的图案。
优选地，所述在单晶硅基底上刻蚀多个腔体的方式包括：在单晶硅基底上刻蚀包含止挡部的各腔体；其中，所述第一腔体中的止挡部位于所述第一质量块图案所对应的第一质量块中位于扭转梁图案所对应的扭转梁一侧质量较轻的位置；对应的，所述按照预设的包含所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案，将位于相应腔体上的敏感器件层进行刻蚀的方式包括：将所述敏感器件层与相应止挡部之间刻蚀出空隙。
第二方面，本发明还提供一种加速度传感器，包括：包含至少一个腔体的单晶硅基底；其中，所述腔体包括：为竖直轴向加速度敏感电容提供运动空间的第一腔体；覆盖在所述单晶硅基底上的敏感器件层，包括：均悬于所述第一腔体的第一固定梳齿、由所述第一固定梳齿两端延伸至所述第一腔体外边沿延伸的悬臂梁、包含与所述第一固定梳齿有间隙的啮合的第一可动梳齿的第一质量块、以及横跨所述第一腔体并将所述第一质量块分为质量不等两部分的扭转梁，其中，所述扭转梁的两端部固定于所述第一腔体的外边沿上；位于所述敏感器件层上、且与所述第一固定梳齿和第一可动梳齿所构成的敏感电容相连的金属电极；位于所述悬梁臂的氧化硅薄膜；所述氧化硅薄膜的固有压应力使悬臂梁向下发生弯曲，使连接在所述悬臂梁上的第一固定梳齿的顶部和底部、与所述第一质量块上的第一可动梳齿的顶部和底部形成高度差；当竖直轴向加速度作用时，所述第一质量块带动第一可动梳齿绕所述扭转梁转动，第一可动梳齿与第一固定梳齿交叠面积发生改变。
优选地，在包含所述腔体的单晶硅基底和所述敏感器件层之间设有氧化硅层。
优选地，所述第一固定梳齿和第一可动梳齿对称于所述扭转梁两侧。
优选地，所述腔体还包括：为水平正交两轴向加速度敏感电容提供空间的两个第二腔体；覆盖在每个所述第二腔体上的敏感器件层构成水平平面水平轴向加速度敏感电容、或垂直于所述水平平面的垂直轴向加速度敏感电容；其中，覆盖在所述第二腔体上的敏感器件层包括：悬于所述第二腔体并包含第二可动梳齿的第二质量块，其中，所述第二固定梳齿与所述第二可动梳齿有间隙的啮合，并所述第二固定梳齿与所述第二可动梳齿所对应的两个敏感电容在敏感方向上输出差分敏感信号；以及由所述第二质量块沿敏感方向对称延伸至所述第二腔体外边沿的弹性梁；对应的，所述加速度传感器还包括：位于所述敏感器件层上、且单独与所述加速度敏感电容和水平轴向加速度敏感电容相连的金属电极。
优选地，在所述第一腔体中设有止挡部；所述止挡部位于所述扭转梁一侧质量较轻的第一质量块部分处；在所述第二腔体中设有止挡部；对应的，所述第一质量块位于所述扭转梁一侧质量较轻的部分与所述止挡部之间具有间隙；所述第二质量块与相应止挡部之间具有间隙。
如上所述，本发明的加速度传感器及其制造方法，具有以下有益效果：利用导电性良好的单晶硅作为基板，多腔硅基底与所述基板通过硅硅键合工艺合成一体，对基板一面进行减薄后制成敏感器件层，解决了基板上的腔体无法深度刻蚀、导致z轴方向灵敏度低的问题；此外，所述敏感器件层厚度从几微米到几百微米任意可调；同时，由于单晶硅基底和敏感器件层都为单晶硅，具有相同的热膨胀系数，拓宽了传感器工作温度范围；另外，将第一固定梳齿悬于第一腔体增加了敏感器件层和基底的间隙，这减少了传感器的寄生电容，提高了传感器的灵敏度；此外，悬臂梁设置在多腔硅基底的空腔体上方，增加了敏感器件层和基底的间隙，减少了传感器的寄生电容，提高了传感器的灵敏度；第一腔体为第一质量块提供了一定角度范围内自由扭转的空间，提高了Z轴敏感电容的灵敏度，并拓宽了Z方向加速度的测量范围。腔体的深度决定了Z轴第一质量块绕扭转梁的最大扭转角度；还有，采用止挡部来限制最大扭转角度，尤其是抑制了过大的Z轴方向加速度产生的扭转力矩损坏传感器结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的制造加速度传感器的方法中一个实施例的方法流程图。
图2是本发明的加速度传感器中z轴向的敏感电容结构图样的一个实施例的结构图。
图3是本发明的加速度传感器中x轴和y轴向的敏感电容结构图样的一个实施例的结构示意图。
图4是本发明的加速度传感器的一个实施例的结构示意图。
图5是本发明的加速度传感器中第二固定梳齿和第二可动梳齿的结构示意图。
图6是本发明的加速度传感器中第二固定梳齿和第二可动梳齿受加速度作用变形的结构示意图。
图7是本发明的加速度传感器沿x轴或y轴截面的结构示意图。
图8是本发明的加速度传感器沿z轴截面的结构示意图。
图9是本发明的加速度传感器中第一固定梳齿和第一可动梳齿在无z轴加速度时的结构示意图。
图10是本发明的加速度传感器中第一固定梳齿和第一可动梳齿在z轴加速度时的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明中所述的x、y、z轴分别对应水平平面的水平轴向、同样位于所述水平平面且与所述水平轴向垂直的垂直轴向、以及与所述水平平面垂直的竖直轴向。
实施例一
图1示出根据本申请一个方面的制造加速度传感器的方法。所述制造方法可以制造仅测量z轴向加速度的传感器，也可以用来制造三轴轴向加速度的传感器。
在步骤S1中，在单晶硅基底上刻蚀至少一个腔体；其中，所述腔体包括：为竖直轴向加速度敏感电容提供运动空间的第一腔体。
在此，所述在单晶硅基底上刻蚀至少一个腔体的方式可采用先在单晶硅基底上涂光刻胶，再按照预设的腔***置图案，通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理并刻蚀加工包含所述第一腔体的所有腔体。
或者，所述在单晶硅基底上刻蚀至少一个腔体的方式可采用按照预设的腔***置图案，利用溶液、反应离子或其它机械方式来加工包含所述第一腔体的所有腔体。
在此，根据所要制造的加速度传感器所敏感的加速度方向，来确定所刻蚀的腔体的数量。若所要制造的为z轴加速度传感器，则可仅刻蚀一个所述第一腔体。若所要制造的为三轴加速度传感器，则所刻蚀的腔体包括所述第一腔体和两个第二腔体。其中，所述第二腔体用于为x轴或y轴的加速度敏感电容提供空间。其中，所述第一腔体和第二腔体的深度可固定，也可以根据每个腔体所对应的敏感电容的移动幅度、或灵敏度需要而设定不同深度。例如，所述第一腔体的深度大于悬于其上的加速度敏感电容的最大移动幅度。
在步骤S2中，采用硅硅键合方式在所述单晶硅基底上覆盖单晶硅基板，并予以减薄，以形成敏感器件层；其中，所述单晶硅基板覆盖所有腔体；所述敏感器件层用于形成包含竖直轴向加速度敏感电容的敏感电容。
具体地，本发明将刻蚀了腔体的单晶硅基底上生成氧化硅层(绝缘层)，再在生成氧化硅层后的所述单晶硅基底上采用硅硅键合方式覆盖单晶硅基板。
在此，在刻蚀了腔体的单晶硅基底上生成氧化硅层的方式可采用热氧化的方式在在刻蚀了腔体的单晶硅基底上生成氧化硅层。其中，所生成的氧化硅覆盖整个单晶硅基底表面，包含所有腔体的内侧壁和底部。如此形成一绝缘的氧化硅薄膜。
接着，再按照所要制造的加速度敏感电容灵敏度要求，将所键合的单晶基板进行削减后，进入步骤S3。其中，将所述敏感器件层刻蚀成感应电容的方式将在后续步骤S5中予以详细描述。
需要说明的是，所述氧化硅层的厚度仅描述了微米级的数值，但该精度并非一定在微米级，也可以为更高精度。
在步骤S3中，在所述敏感器件层上生成氧化硅薄膜，并将除所述竖直轴向加速度敏感电容结构中悬臂梁处以外的氧化硅薄膜腐蚀掉。
在此，所述生成氧化硅薄膜的方式可与前述在单晶硅基底上生成氧化硅层的方式相同或相似，在此不再详述。
生成氧化硅薄膜后再通过湿法腐蚀的方式，将除所述悬臂梁图案位置之外的氧化硅层腐蚀掉。由此将敏感器件层再次暴露出来。
需要说明的是，所述氧化硅薄膜的厚度仅描述了微米级的数值，但该精度并非一定在微米级，也可以为更高精度。
接着，在步骤S4中，在所述敏感器件层上沉淀与各敏感电容相连的金属电极。
具体地，在所述敏感器件层上淀积金属层，按照预设的布线图案，采用湿法腐蚀工艺刻蚀出用于与外部引脚相连的金属电极、以及将所述金属电极和各敏感电容相连的金属布线。其中金属电极200可如图4所述排布。
在步骤S5中，按照预设的包含所述竖直轴向(z轴)加速度敏感电容的结构图案，将位于相应腔体上的敏感器件层进行刻蚀。
在此，所述刻蚀方式与步骤S1中的刻蚀方式相同或相似，在此不再详述。例如，在所述敏感器件层上按照预设的加速度敏感电容的结构图案涂上光刻胶，再进行光刻刻蚀，并按照结构图案将不需要的单晶硅全部刻蚀掉。所得到的各腔体上的敏感电容彼此绝缘。
其中，如图2所示，所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案包括：均悬于所述第一腔体的第一固定梳齿的图案15、由所述第一固定梳齿的图案15两端延伸至所述第一腔体外边沿的悬臂梁的图案13、包含与所述第一固定梳齿的图案15有间隙的啮合的第一可动梳齿图案14的第一质量块图案11、以及横跨所述第一腔体并将所述第一质量块的图案11分为质量不等两部分的扭转梁的图案12，其中，所述悬臂梁图案13悬于所述第一腔体上方并沿其内边沿、并与所述第一固定梳齿图案15整体成型。所述悬臂梁图案13的端部位于所述第一腔体的外边沿靠近所述扭转梁图案12的位置，且所述悬臂梁的图案13和扭转梁的图案12的两端部位于所述第一腔体的外边沿上。
在此，所述第一固定梳齿的图案15和第一可动梳齿的图案14成排的位于所述第一质量块的图案11中质量较重的部分、或者成排的位于所述第一质量块的图案11中质量较轻的部分。其中，所述第一固定梳齿的图案15和第一可动梳齿的图案14之间具有间隙，以使得所制造的各第一固定梳齿和第一可动梳齿构成竖直轴向(z轴)的敏感电容。当所生产的加速度传感器沿z轴加速移动时，根据牛顿第二定律和杠杆作用原理，所述第一可动梳齿围绕所述扭转梁所在轴向发生转动。故而改变了该第一可动梳齿与第一固定梳齿之间的正对面积，使得z轴向的敏感电容的变化与加速度变化成比例关系。
优选地，为了使所输出的z轴敏感信号滤除噪声信号，提高信噪比，所述竖直轴向加速度传感器的结构图案中第一固定梳齿的图案15和第一可动梳齿的图案14成排的对称于所述扭转梁的图案12两侧。当所制造的加速度传感器沿z轴加速移动，由扭转梁分割的第一质量块中质量较重的部分和质量较轻的部分产生带动各自的第一可动梳齿沿所述扭转梁轴向转动，以输出差分的敏感信号。
若所制造的加速度传感器中还包含：x轴和y轴的加速度敏感电容，则本步骤中还按照相应的结构图案对相应第二腔体上的敏感器件层部分进行刻蚀。
如图3所示，本发明中所述的x轴和y轴的加速度敏感电容结构图案包括：垂直于其中一水平轴向的敏感方向、且由所述第二腔体对称的两外边沿分别向腔内延伸的第二固定梳齿的图案23；悬于所述第二腔体并包含第二可动梳齿图案21的第二质量块图案22，其中，所述第二固定梳齿的图案23与所述第二可动梳齿的图案21有间隙的啮合，并所述第二固定梳齿的图案23与所述第二可动梳齿的图案21所对应的两个敏感电容在相应敏感方向上输出差分敏感信号；以及由所述第二质量块的图案22沿敏感方向对称延伸至所述第二腔体外边沿的弹性梁的图案24。其中，所述弹性梁的图案24可延伸至所述第二腔体内边沿处并由锚定部的图案25接于所述第二腔体外边沿。
在此，所述第二可动梳齿的图案21和第二固定梳齿的图案23之间留有间隙，以使得所制造出的所述第二可动梳齿和第二固定梳齿构成相应的x轴或y轴方向的加速度敏感电容。同时，所述第二可动梳齿的图案21和第二固定梳齿的图案23成排设置。其中，所述第二固定梳齿的图案23和第二可动梳齿的图案21所构成的敏感电容可仅位于所述第二质量块的图案22一侧。优选地，所述第二质量块的图案22为轴对称，两排第二固定梳齿的图案23并非轴对称，而是根据量程彼此交错，所述第二可动梳齿的图案21啮合在量程的中间。如此，使得所制造出的x轴或y轴方向的加速度敏感电容能够输出差分的敏感信号。
在此，所述弹性梁的图案24由所述第二质量块的图案22的侧边蜿蜒而至所述第二腔体的外边沿。例如，所述弹性梁的图案24为直角弯折的蛇形曲线。
在本步骤中，刻蚀后的敏感器件层得到了对应x轴、y轴和z轴的敏感电容中各器件的结构。
实施例二
与实施例一中的步骤S1不同之处在于，在单晶硅基底上刻蚀包含止挡部的各腔体；其中，所述第一腔体中的止挡部位于所述第一质量块图案11所对应的第一质量块中位于扭转梁图案12所对应的扭转梁一侧质量较轻的位置。
例如，所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案中扭转梁图案12将第一质量块图案11平分，在所述第一质量块图案11中对应质量较轻的部分包含镂空区域，所述第一腔体中的止挡部对应所述镂空区域而设。
与实施例一中的步骤S2不同的是，在按照预设的包含所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案，将位于相应腔体上的敏感器件层进行刻蚀期间，将所述敏感器件层与相应止挡部之间刻蚀出空隙。所刻蚀出的间隙的大小与相应敏感电容所感应的最大量程有关。
例如，对于z轴加速度敏感电容来说，所刻蚀的第一质量块和止挡部之间的间隙应确保：第一可动梳齿所能移动的距离应小于其与相邻第一固定梳齿之间的距离，以及确保当第一可动梳齿沿扭转梁转动时与第一固定梳齿仍构成电容的最大距离。
又如，对于x轴和y轴加速度敏感电容来说，所述第二质量块与止挡部的间隙即为第二可动梳齿所能移动的距离，应小于第二可动梳齿与相邻第二固定梳齿之间的距离，以防止敏感电容两极板相碰。
实施例三
如图4、7和8所示，本发明的另一个实施例为按照上述制造方法所制造的加速度传感器。
所述加速度传感器可以仅测量竖直轴向(z轴向)加速度的传感器，也可以是包含三轴轴向加速度的传感器。
所述加速度传感器包括：单晶硅基底100、敏感器件层500、氧化硅薄膜408和金属电极200。
所述单晶硅基底100上包含至少一个腔体，其中，所述腔体包括：为竖直轴向加速度敏感电容提供空间的第一腔体102。
在此，所述腔体的数量与所述加速度传感器所能感应的加速度方向相关。若所述传感器为z轴加速度传感器，则可仅包含所述第一腔体102。若所述传感器为三轴加速度传感器，则所述腔体包括所述第一腔体102和两个第二腔体103。其中，所述第二腔体103用于为x轴或y轴的加速度敏感电容提供空间。其中，所述第一腔体102和第二腔体103的深度可固定，也可以根据每个腔体所对应的敏感电容的移动幅度、或灵敏度需要而设定不同深度。例如，所述第一腔体102的深度大于悬于其上的加速度敏感电容的最大移动幅度。
所述敏感器件层500覆盖在所述单晶硅基底100上。其中，所述敏感器件层500覆盖所述单晶硅基底的所有腔体。优选地，在包含所述腔体的单晶硅基底100和所述敏感器件层500之间设有氧化硅层101。
需要说明的是，所述氧化硅层101的厚度仅描述了微米级的数值，但该精度并非一定在微米级，也可以为更高精度。
其中，覆盖在所述第一腔体上的敏感器件层500包括：均悬于所述第一腔体102的第一固定梳齿405、由所述第一固定梳齿405两端延伸至所述第一腔体102外边沿延伸的悬臂梁407、包含与所述第一固定梳齿405有间隙的啮合的第一可动梳齿404的第一质量块401、以及横跨所述第一腔体102并将所述第一质量块401分为质量不等两部分的扭转梁402，其中，所述悬臂梁407悬于所述第一腔体102上方并沿其内边沿、并与所述第一固定梳齿405整体成型。所述悬臂梁407的端部位于所述第一腔体的外边沿靠近所述扭转梁402的位置，且所述悬臂梁407和扭转梁402的两端部固定于所述第一腔体的外边沿上。例如，所述悬臂梁407和扭转梁402的两端部由锚定部403固定于所述第一腔体的外边沿上。
在此，所述第一固定梳齿405和第一可动梳齿404成排的位于所述第一质量块401中质量较重的部分、或者成排的位于所述第一质量块401中质量较轻的部分。其中，所述第一固定梳齿405和第一可动梳齿404之间具有间隙，以使得各第一固定梳齿405和第一可动梳齿404构成竖直轴向(z轴)的敏感电容。所述悬臂梁407位于成排的第一固定梳齿405的两端。当所生产的加速度传感器沿z轴加速移动时，根据牛顿第二定律和杠杆作用原理，所述第一可动梳齿404围绕所述扭转梁402所在轴向发生转动。故而改变了该第一可动梳齿404与第一固定梳齿405之间的正对面积，使得z轴向的敏感电容的变化与加速度变化成比例关系。
优选地，为了使所输出的z轴敏感信号滤除噪声信号，提高信噪比，所述第一固定梳齿405和第一可动梳齿404成排的对称于所述扭转梁402两侧。相应的，所述悬臂梁407所述第一固定梳齿405排的两端沿所述第一腔体102内边沿延伸，并由锚定部403固定在所述第一腔体102的外边沿上。
当所述加速度传感器沿z轴加速移动，由扭转梁402分割的第一质量块401中质量较重的部分和质量较轻的部分产生带动各自的第一可动梳齿404沿所述扭转梁402轴向转动，以输出差分的敏感信号。
在所述悬臂梁407上固设有氧化硅薄膜408。所述氧化硅薄膜408在几微米左右。
需要说明的是，所述氧化硅薄膜408的厚度仅描述到微米级，但该精度并非一定在微米级，也可以为更高精度。
具体地，所述氧化硅薄膜408是在所述敏感器件层500上生成氧化硅薄膜后，再将除悬臂梁图案13所对应的悬臂梁407处以外的氧化硅薄膜腐蚀掉而得到的。
如图9所示，所述氧化硅薄膜408的固有压应力使悬臂梁407向下发生弯曲。当所述传感器未接收到z轴向的加速度时，连接在所述悬臂梁407上的第一固定梳齿405的顶部和底部、与所述第一质量块401上的第一可动梳齿404的顶部和底部形成高度差。
如图10所示，当竖直轴向加速度作用时，所述第一质量块401带动第一可动梳齿404绕所述扭转梁转动，第一可动梳齿404与第一固定梳齿405交叠面积发生改变。
若所述第一固定梳齿405和第一可动梳齿404为对称的成排而设，所述第一可动梳齿404与第一固定梳齿405在交叠面积发生改变时，输出差分敏感信号。例如，当竖直轴向加速度作用时，第一质量块401两侧的第一可动梳齿404围绕扭转梁402转动时，一侧由第一可动梳齿404与第一固定梳齿405构成的敏感电容的极板面积减小，同时另一侧由第一可动梳齿404与第一固定梳齿405构成的敏感电容的极板面积增加。如此，输出差分敏感信号。
若所述加速度传感器中还包含：x轴和y轴的加速度敏感电容，则覆盖在相应第二腔体103上的敏感器件层包括：垂直于其中一水平轴向的敏感方向、且由所述第二腔体103对称的两外边沿分别向腔内延伸的第二固定梳齿205(或305)；悬于所述第二腔体103并包含第二可动梳齿204(或304)的第二质量块201(或301)，其中，所述第二固定梳齿205(或305)与所述第二可动梳齿204(或304)有间隙的啮合，并所述第二固定梳齿205(或305)与所述第二可动梳齿204(或304)所对应的两个敏感电容在相应敏感方向上输出差分敏感信号；以及由所述第二质量块201(或301)沿敏感方向对称延伸至所述第二腔体103外边沿的弹性梁202(或302)。其中，所述弹性梁202(或302)可延伸至所述第二腔体103内边沿处并由锚定部203(或303)接于所述第二腔体103外边沿。
在此，所述第二可动梳齿204(或304)和第二固定梳齿205(或305)之间留有间隙，以使得所制造出的所述第二可动梳齿204(或304)和第二固定梳齿205(或305)构成相应的x轴或y轴方向的加速度敏感电容。同时，所述第二可动梳齿204(或304)和第二固定梳齿205(或305)成排设置。其中，所述第二固定梳齿205(或305)和第二可动梳齿204(或304)所构成的敏感电容可仅位于所述第二质量块201(或301)一侧。优选地，所述第二质量块201(或301)呈轴对称，两排第二固定梳齿205(或305)根据量程彼此交错，所述第二可动梳齿204(或304)啮合在量程的中间。如此，使得在感应x轴或y轴方向的加速度时，所述第二固定梳齿205(或305)和第二可动梳齿204(或304)所构成的敏感电容能够输出差分的敏感信号。如图5、6所示。
在此，所述弹性梁202(或302)由所述第二质量块201(或301)的侧边蜿蜒而至所述第二腔体103的外边沿，并固定在所述第二腔体103的外边沿上。例如，所述弹性梁202(或302)为直角弯折的蛇形曲线。
例如，如图5所示，在加速度没有变化时，位于图下方的两个第二固定梳齿和与其啮合的第二可动梳齿之间的间隔A1，和位于图上方的两个第二固定梳齿和与其啮合的第二可动梳齿之间的间隔A2相对应；位于图下方的两个第二固定梳齿和与其啮合的第二可动梳齿之间的间隔A3，和位于图上方的两个第二固定梳齿和与其啮合的第二可动梳齿之间的间隔A4相对应。其中，间隔A1和A4的长度相等，间隔A2和A3的长度相等，但是，间隔A1和A2的长度不等。
如图6所示，当感应到加速度变化时，位于图下方的两个第二固定梳齿和与其啮合的第二可动梳齿之间的间隔A1变大；位于图上方的两个第二固定梳齿和与其啮合的第二可动梳齿之间的间隔A2变大；位于图下方的两个第二固定梳齿和与其啮合的第二可动梳齿之间的间隔A3变小；和位于图上方的两个第二固定梳齿和与其啮合的第二可动梳齿之间的间隔A4变小。这使得图下方所形成的敏感电容减小，图上方所形成的敏感电容增加。如此实现了差分敏感信号的输出。
所述金属电极200的数量与所述加速度传感器所感应的轴向有关。各所述金属电极200位于所述敏感器件层500上。所述金属电极200与所述第一固定梳齿405和第一可动梳齿404所构成的敏感电容相连，所述金属电极200与所述第二固定梳齿205(或305)和第二可动梳齿204(或304)所构成的敏感电容相连。如图4所示。
具体地，在所述敏感器件层500上淀积金属层，按照预设的布线图案，采用湿法腐蚀工艺刻蚀出用于与外部引脚相连的金属电极200、以及将所述金属电极和各敏感电容相连的金属布线。其中金属电极200可如图4所示的一字型排布。
实施例四
与实施例三不同之处在于，所述单晶硅基底100的各腔体内还设有止挡部411(或207、307)。其中，止挡部411位于所述扭转梁402一侧质量较轻的第一质量块部分处。所述第二质量块201(或301)与相应止挡部207(或307)之间具有间隙。
例如，所述扭转梁402将第一质量块401平分，在所述第一质量块401中质量较轻的部分包含镂空区域，所述第一腔体102中的止挡部411对应所述镂空区域而设。
与实施例三中不同的是，所述第一质量块401、或第二质量块201(或301)分别与相应止挡部之间的空隙大小与相应敏感电容所感应的最大量程有关。
例如，对于z轴加速度敏感电容来说，所述第一质量块401和止挡部411之间的间隙应确保：第一可动梳齿404所能移动的距离应小于其与相邻第一固定梳齿405之间的距离，以及确保当第一可动梳齿404沿扭转梁402转动时与第一固定梳齿405仍构成电容的最大距离。
又如，对于x轴和y轴加速度敏感电容来说，所述第二质量块201(或301)与止挡部207(或307)的间隙即为第二可动梳齿204(或304)所能移动的距离，应小于第二可动梳齿204(或304)与相邻第二固定梳齿205(或305)之间的距离，以防止敏感电容两极板相碰。
参考图4、7、8所示结构为例，所述加速度传感器的结构举例如下：
在单晶硅基底上设有第一腔体102和两个第二腔体103，每个腔体内均设有止挡部411、207、307。其中，第一腔体102内的止挡部411位于中心偏一侧的位置处。两个第二腔体103内的止挡部207、307位于大约中心位置。在所述单晶硅基底100上设有氧化硅层101。在所述氧化硅层101上的各腔体102、103上设有敏感器件层500。
位于所述第一腔体102上的敏感器件层包括：均悬于所述第一腔体102的第一固定梳齿405、由所述第一固定梳齿405两端沿所述第一腔体102内边沿延伸的悬臂梁407、包含与所述第一固定梳齿405有间隙的啮合的第一可动梳齿404的第一质量块401、以及横跨所述第一腔体102并将所述第一质量块401分为质量不等两部分的扭转梁402，其中，所述悬臂梁407和扭转梁403的两端部固定于所述第一腔体102的外边沿上。所述第一质量块401对应止挡部411位置设有与该止挡部411留有空隙的镂空区域，使得所述第一质量块401位于扭转梁402的两侧质量不等。
分别位于两个所述第二腔体103上的敏感器件层包括：垂直于敏感方向、且由所述第二腔体103对称的两外边沿向腔内延伸的第二固定梳齿205(或305)；悬于所述第二腔体103并包含第二可动梳齿204(或304)的第二质量块201(或301)，其中，所述第二固定梳齿205(或305)与所述第二可动梳齿204(或304)有间隙的啮合；以及由所述第二质量块201(或301)沿敏感方向对称延伸至所述第二腔体103外边沿的弹性梁202(或302)。其中，所述弹性梁202(或302)由所述第二质量块201(或301)的侧边蜿蜒而至所述第二腔体103的外边沿，并由锚定部203(或303)固定在相应第二腔体103的外边沿上。
基于上述图4、7、8所示的结构，当所述加速度传感器受到x轴方向加速度作用时，因弹性梁的特别设计，故，该第一质量块401和第二质量块301在x轴上均不敏感。而当x轴向的第二质量块201时受到x轴方向加速度作用时，所述第二质量块201在弹性梁202发生弹性形变的带动下发生x轴向移动，使得所述第二质量块201上的一侧第二可动梳齿204与其配对的第二固定梳齿205之间的距离增加，同时，另一侧第二可动梳齿204与其配对的第二固定梳齿205之间的距离减小。如此，所述第二质量块201所在的敏感电容根据x轴加速度变化输出差分的对应该加速度的敏感信号。若在x轴向上的加速度过大，所述第二质量块201受相应的止挡部阻挡207，有效防止第二可动梳齿204与第二固定梳齿205相碰。同时，第一质量块401和第二质量块301所包围的相应止挡部411、307也能阻止相应质量块的异常晃动对相应轴向上敏感电容的不良影响。
所述加速度传感器在y轴方向加速移动的过程与上述x轴加速移动的过程相似，在此不再详述。
当所述加速度传感器在z轴方向加速移动时，所述第一质量块401中质量较重的部分和质量较轻的部分各自带动相应侧的第一可动梳齿404沿扭转梁402发生彼此反向的偏转(如质量较重的部分向下偏转，对应的质量较轻的部分向上偏转)，所述第一质量块401两侧的第一可动梳齿404与第一固定梳齿405之间所构成的敏感电容输出差分敏感信号。同时，当在z轴向上的加速度过大时，所述第一质量块B1所包围的相应止挡部411也能阻止所述第一质量块401的异常晃动对相应轴向上敏感电容的不良影响。
综上所述，本发明的加速度传感器及其制造方法，利用导电性良好的单晶硅作为基板，多腔硅基底与所述基板通过硅硅键合工艺合成一体，对基板一面进行减薄后制成敏感器件层，所述敏感器件层厚度从几微米到几百微米任意可调；同时，由于单晶硅基底和敏感器件层都为单晶硅，具有相同的热膨胀系数，拓宽了传感器工作温度范围；另外，将第一固定梳齿悬于第一腔体增加了敏感器件层和基底的间隙，这减少了传感器的寄生电容，提高了传感器的灵敏度；还有，采用止挡部来防止敏感电容极板相碰所造成的器件损坏等问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
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 (10)

1.一种制造加速度传感器的方法，其特征在于，包括：
在单晶硅基底上刻蚀至少一个腔体；其中，所述腔体包括：为竖直轴向加速度敏感电容提供运动空间的第一腔体；
在刻蚀了各所述腔体的单晶硅基底上生成氧化硅层；
在生成氧化硅层后的所述单晶硅基底上采用硅硅键合方式覆盖单晶硅基板，并予以减薄，形成敏感器件层；其中，所述单晶硅基板覆盖所有腔体；所述敏感器件层用于形成包含竖直轴向加速度敏感电容的敏感电容；
在所述敏感器件层上生成氧化硅薄膜，并将除所述竖直轴向加速度敏感电容结构中悬臂梁处以外的氧化硅层腐蚀掉；
在所述敏感器件层上沉淀与竖直轴向加速度敏感电容相连的金属电极；
按照预设的包含所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案，将位于相应腔体上的敏感器件层进行刻蚀，以得到对应所述结构图案中的感应电容结构；其中，所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案包括：均悬于所述第一腔体的第一固定梳齿的图案、由所述第一固定梳齿的图案两端延伸至所述第一腔体外边沿的悬臂梁的图案、包含与所述第一固定梳齿图案有间隙啮合的第一可动梳齿图案的第一质量块的图案、以及横跨所述第一腔体并将所述第一质量块图案分为质量不等两部分的扭转梁的图案，其中，所述扭转梁图案的两端部位于所述第一腔体的外边沿上。
2.根据权利要求1所述的制造加速度传感器的方法，其特征在于，所述按照预设的包含所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案，将位于相应腔体上的敏感器件层进行刻蚀的方式包括：
按照预设的第一固定梳齿和第一可动梳齿对称于所述扭转梁两侧的结构图案，将位于所述第一腔体上的敏感器件层进行刻蚀。
3.根据权利要求1所述的制造加速度传感器的方法，其特征在于，所述腔体还包括：为水平正交两轴向加速度敏感电容提供空间的两个第二腔体；
对应的，所述按照预设的包含所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案，将位于相应腔体上的敏感器件层进行刻蚀的方式包括：按照所述第一腔体所对应的竖直轴向加速度敏感电容的、和各所述第二腔体所对应的各水平轴向加速度敏感电容的结构图案，分别将所述第一腔体和第二腔体上的敏感器件层进行刻蚀。
4.根据权利要求3所述的制造加速度传感器的方法，其特征在于，所述水平正交两轴向加速度敏感电容的结构图案包括：
垂直于其中一水平轴向的敏感方向、且由所述第二腔体对称的两外边沿分别向腔内延伸的第二固定梳齿的图案；
悬于所述第二腔体并包含第二可动梳齿图案的第二质量块图案，其中，所述第二固定梳齿的图案与所述第二可动梳齿的图案有间隙的啮合，并所述第二固定梳齿的图案与所述第二可动梳齿的图案所对应的两个敏感电容在相应敏感方向上输出差分敏感信号；
以及由所述第二质量块的图案沿敏感方向对称延伸至所述第二腔体外边沿的弹性梁的图案。
5.根据权利要求1、2或3所述的制造加速度传感器的方法，其特征在于，所述在单晶硅基底上刻蚀多个腔体的方式包括：
在单晶硅基底上刻蚀包含止挡部的各腔体；其中，所述第一腔体中的止挡部位于所述第一质量块图案所对应的第一质量块中位于扭转梁图案所对应的扭转梁一侧质量较轻的位置；
对应的，所述按照预设的包含所述竖直轴向加速度敏感电容的结构图案，将位于相应腔体上的敏感器件层进行刻蚀的方式包括：将所述敏感器件层与相应止挡部之间刻蚀出空隙。
6.一种加速度传感器，其特征在于，包括：
包含至少一个腔体的单晶硅基底；其中，所述腔体包括：为竖直轴向加速度敏感电容提供运动空间的第一腔体；
覆盖在所述单晶硅基底上的敏感器件层，包括：均悬于所述第一腔体的第一固定梳齿、由所述第一固定梳齿两端延伸至所述第一腔体外边沿延伸的悬臂梁、包含与所述第一固定梳齿有间隙的啮合的第一可动梳齿的第一质量块、以及横跨所述第一腔体并将所述第一质量块分为质量不等两部分的扭转梁，其中，所述扭转梁的两端部固定于所述第一腔体的外边沿上；
位于所述敏感器件层上、且与所述第一固定梳齿和第一可动梳齿所构成的敏感电容相连的金属电极；
位于所述悬梁臂上的氧化硅薄膜，所述氧化硅薄膜的固有压应力使悬臂梁向下发生弯曲，使连接在所述悬臂梁上的第一固定梳齿的顶部和底部、与所述第一质量块上的第一可动梳齿的顶部和底部形成高度差；
当竖直轴向加速度作用时，所述第一质量块带动第一可动梳齿绕所述扭转梁转动，第一可动梳齿与第一固定梳齿交叠面积发生改变。
7.根据权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，在包含所述腔体的单晶硅基底和所述敏感器件层之间设有氧化硅层。
8.根据权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一固定梳齿和第一可动梳齿对称于所述扭转梁两侧。
9.根据权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，所述腔体还包括：为水平正交两轴向加速度敏感电容提供空间的两个第二腔体；
覆盖在每个所述第二腔体上的敏感器件层构成水平平面水平轴向加速度敏感电容、或垂直于所述水平平面的垂直轴向加速度敏感电容；
其中，覆盖在所述第二腔体上的敏感器件层包括：
悬于所述第二腔体并包含第二可动梳齿的第二质量块，其中，所述第二固定梳齿与所述第二可动梳齿有间隙的啮合，并所述第二固定梳齿与所述第二可动梳齿所对应的两个敏感电容在敏感方向上输出差分敏感信号；
以及由所述第二质量块沿敏感方向对称延伸至所述第二腔体外边沿的弹性梁；
对应的，所述加速度传感器还包括：位于所述敏感器件层上、且单独与所述加速度敏感电容和水平轴向加速度敏感电容相连的金属电极。
10.根据权利要求9所述的加速度传感器，其特征在于，在所述第一腔体中设有止挡部；所述止挡部位于所述扭转梁一侧质量较轻的第一质量块部分处；在所述第二腔体中设有止挡部；
对应的，所述第一质量块位于所述扭转梁一侧质量较轻的部分与所述止挡部之间具有间隙；所述第二质量块与相应止挡部之间具有间隙。
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