基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计及制作方法

摘要

本发明提供一种基于（111）单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计及制作方法，所述加速度计包括（111）单晶硅基底和集成于单晶硅基底一面的固支板、微梁与力敏电阻。该单晶硅基底上所有功能部件均位于所述单晶硅基底的一面，所述单晶硅基底的另一面不参与工艺制作，加工后的芯片具有尺寸小、工艺简单、成本低的特点，适合大批量生产。同时，所述加速度计实现了高g值、高频响、高带宽的测量要求，大大改善了加速度计的动态测量特性。

说明书

技术领域

本发明属于硅微机械传感器领域，涉及一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加 速度计及制作方法。

背景技术

随着控制技术的不断发展与深入，汽车碰撞试验、航空航天、工业自动控制、特别是军 事等领域对高g值加速度计的需求量逐年增加。硅微机械加速度计以其低成本、高性能、可 量产等优势占领着高g值加速度计的主要市场。为了能够真实再现加速度计在碰撞瞬间输入 信号的变化细节，要求加速度计不但要具备高量程，同时还要具有较高的谐振频率和工作带 宽。

目前，高g值加速度计的核心部件一般为硅悬臂梁结构及布置在悬臂梁上的敏感电阻。 传统高g值加速度计一般由(100)双抛硅片通过正反双面微机械加工结合键合工艺制作而成， 这种方法会导致制造成本提高，芯片尺寸较大，工艺复杂，键合工艺还会引入不必要的残余 应力。为了解决上述问题，中科院上海微系统与信息技术研究所科研人员通过优化悬臂梁结 构和改进工艺，首次成功使用普通(111)单抛片通过单硅片单面加工制造出悬臂梁式高g值 加速度计，缩小了芯片尺寸、降低了制作成本，简化了制作工艺，最大化提高了加速度计量 程。但由于受到悬臂梁自身结构的限制，这种基于悬臂梁式的加速度计无法同时实现高灵敏 度和高工作带宽。

鉴于此，本发明提出了一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计及制作方 法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于(111)单晶硅片的高谐 振频率高冲击加速度计及制作方法，用于解决现有技术中双面微机械加工结合键合工艺制作 过程中存在的制造成本提高，芯片尺寸较大，工艺复杂，引入不必要的残余应力的问题，以 及单面加工过程中，由于受到悬臂梁自身结构的限制，无法同时实现高灵敏度和高工作带宽 的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高 冲击加速度计，所述基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计包括：(111)单晶硅 基底、固支板、微梁和力敏电阻；其中，所述固支板三边固支于所述(111)单晶硅基底内； 所述固支板在单晶硅基底表面上的一边为非固支边，所述固支板的两侧面与所述(111)单晶 硅基底之间具有一定间距的间隙；所述微梁对称地分布于所述固支板两侧；且所述微梁横跨 所述间隙，一端与所述弹性板的非固支边相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底相连接； 所述微梁纵截面的形状为矩形；所述力敏电阻位于所述微梁上，且相互连接成惠斯通全桥电 路。

优选地，所述固支板为矩形立方结构，所述固支板的侧面与<211>晶向垂直。

优选地，所述微梁为直拉直压微梁，所述微梁的长度方向均为<211>晶向，且所述微梁的 长度方向与所述固支板的侧面相垂直。

优选地，所述微梁的数量为四个，分别两两对称地分布于所述固支板的两侧。

优选地，所述单晶硅基底的上表面、所述微梁的上表面与所述固支板的非固支边位于同 一平面。

优选地，所述力敏电阻通过离子注入方法形成于所述微梁上，所述力敏电阻的长度与所 述微梁的长度相同，所述力敏电阻沿长度方向上的对称轴与所述微梁沿长度方向上的对称轴 相重合。

本发明还提供一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计的制作方法，包括 以下步骤：

1)提供一单晶硅片；

2)采用离子注入的方法在所述单晶硅片上制作力敏电阻，然后制作表面钝化保护层；

3)利用硅深度反应离子刻蚀工艺在所述单晶硅片上间隔的制作多个释放窗口，所述释放 窗口勾勒出所需的微梁和固支板的轮廓；所述释放窗口的深度与所述微梁的厚度一致；

4)在所述释放窗口内沉积钝化材料作为侧壁钝化保护层；

5)利用反应离子刻蚀工艺去除所述释放窗口底部的钝化保护层，然后再利用硅深度反应 离子刻蚀工艺继续向下刻蚀出所述微梁的释放牺牲间隙，所述释放牺牲间隙的深度与所述固 支板的宽度一致；

6)通过所述释放牺牲间隙利用湿法刻蚀工艺沿<110>晶向横向腐蚀所述单晶硅片，释放 所述微梁和所述固支板，所述微梁的纵截面形状为矩形；

7)去除所述单晶硅片表面残余的钝化保护层，制作欧姆接触区域和引线孔；

8)在所述单晶硅片表面制作引线和焊盘。

优选地，所述单晶硅片为n型(111)单晶硅片。

优选地，在步骤2)中，通过向所述单晶硅片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。

优选地，在步骤4)中，利用LPCVD工艺依次沉积低应力氮化硅和TEOS氧化硅，或者 直接利用LPCVD工艺沉积低应力氮化硅的方法制作侧壁钝化保护层。

如上所述，本发明的基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计及制作方法，具 有以下有益效果：所发明的加速度计采用表面形成有力敏电阻的直拉直压微梁和三边固支的 固支板的组合结构作为加速度计的核心敏感元件；通过硅深反应离子刻蚀形成直拉直压微梁 结构及三边固支的固支板截面轮廓；最后通过直拉直压微梁底部横向刻蚀将直拉直压微梁及 三边固支的固支板的组合结构释放，完成整个加速度计的一体化制作。由于本发明的加速度 计在(111)单晶硅基底上通过单面加工形成集敏感结构与检测单元的一体式结构，本发明的 加速度计灵敏度与一阶谐振频率二次方的乘积(性能系数)远远高于传统的高g值加速度计。 通过优化所述加速度计各组成部分的尺寸，特别是四根直拉直压微梁结构尺寸，在保证加速 度计灵敏度足够高的同时，本发明的加速度计的一阶谐振频率可达数兆赫兹，大大提高了加 速度计的工作带宽，大大改善了传感器的动态测量特性。此外，本发明的传感器结构可使用 单抛硅片单面微加工制作，具有尺寸小、工艺简单、成本低的特点，适合大批量生产。

附图说明

图1显示为本发明的基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计的三维结构示意 图。

图2显示为本发明的基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计中固支板的纵截 面三维结构示意图。

图3显示为本发明的基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计中微梁的纵截面 三维结构示意图。

图4显示为本发明的基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计的制作方法的流 程图。

图5显示为本发明的基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计的制作方法各步 骤的纵截面结构示意图。(a)力敏电阻制作；(b)刻蚀直拉直压微梁结构；(c)直拉直压微 梁结构侧壁钝化保护；(d)深刻蚀三边固支板结构；(e)直拉直压检测梁结构湿法刻蚀释放； (f)加工引线孔及引线。

图6显示为本发明的基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计的SEM实物图。

图7显示为本发明的基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计中微梁的SEM 实物图。

图8显示为本发明的基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计冲击测试实验输 出电压与时间关系曲线图。

图9显示为本发明的基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计冲击测试实验输 出能量与频率关系曲线图。

元件标号说明

1                力敏电阻

2                微梁

21               第一微梁

22               第二微梁

23               第三微梁

24               第四微梁

3                固支板

4                间隙

5                力敏电阻引线孔

6                (111)单晶硅基底

7                引线

8                焊盘

L₁               固支板的长度

D₁               固支板的厚度

W₁               固支板的宽度

L₂               微梁的长度

D₂               微梁的厚度

W₂               微梁的宽度

d                相邻两微梁之间的间距

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9。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3，本发明提供一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计。 所述基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计至少包括：(111)单晶硅基底6、固 支板3、微梁2和力敏电阻1；其中，所述固支板3三面固支于所述(111)单晶硅基底6内； 所述固支板3的一对相对面为非固支面，所述固支板侧面与所述(111)单晶硅基底6之间具 有一定的间隙4；所述微梁2对称地分布于所述固支板3两侧；且所述微梁2横跨所述间隙4， 一端与所述弹性板3的非固支面相连接，另一端与所述(111)单晶硅基底6相连接；所述力 敏电阻1位于所述微梁2上；所述力敏电阻1相互连接成惠斯通全桥电路。

具体的，所述基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计是通过单面加工工艺， 将所述固支板3、所述微梁2和所述力敏电阻1集成于所述(111)单晶硅基底6的一个表面 内。所述固支板3为矩形立方结构，所述固支板3的下表面与两个相对的侧面分别与所述(111) 单晶硅基底6相连接，所述固支板3的侧面与<211>晶向相垂直，所述固支板3的两个非固支 面均为(211)晶面，所述固支板3的长度方向为<110>晶向。所述微梁2为直拉直压微梁， 所述微梁2的长度方向均为<211>晶向，且所述微梁2的长度方向与所述固支板3的侧面相垂 直，即所述固支板3的侧面的法线方向即为<211>晶向。所述微梁2的数量为四个，四个所述 微梁2分别两两对称地分布于所述固支板3的两侧，即所述固支板3非固支边的两侧分别分 布两个所述微梁2，位于所述固支板3同一侧的两个所述微梁2之间具有一定的间距，且相 互平行分布。四个所述微梁2的尺寸相同。每个所述微梁2上设有一个所述力敏电阻1，所 述力敏电阻1的数量与所述微梁2的数量相同，亦为四个。所述力敏电阻1通过离子注入方 法形成于所述微梁2上，所述力敏电阻1的长度与所述微梁2的长度相同，所述力敏电阻1 沿长度方向上的对称轴与所述微梁2沿长度方向上的对称轴相重合。四个所述力敏电阻1的 阻值大小相等。

具体的，所述(111)单晶硅基底6的上表面、所述微梁2的上表面与所述固支板3的非 固支边位于同一平面。

请继续参阅图1，所述基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计的工作原理为： 所述基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计的敏感检测方向为所述固支板3的侧 面的法线方向，即<211>晶向；当所述加速度计受到沿<211>晶向的加速度作用时，所述固支 板3的非固支边将沿<211>晶向产生变形，进而带动与所述固支板3的非固支边相连接的所述 微梁2也发生变形；其中，位于图1中所述固支板3左侧的第一微梁21和第二微梁22受拉， 其上的所述力敏电阻1的阻值增大，位于所述固支板3另一侧的第三微梁23和第四微梁24 受压，位于其上的所述力敏电阻1的阻值减小。所述第一微梁21、第二微梁22、第三微梁 23和第四微梁24上的力敏电阻1正好组成惠斯通全桥检测电路，因此，通过检测电路的电 压信号输出可以获取加速度的大小。

所述加速度计的谐振频率和灵敏度满足如下公式：

${\omega }^{2}s=\mathrm{Gr}\frac{1}{L}---\left(1\right)$

式中G为应变系数(压阻系数π₄₄/2乘以单晶硅的杨氏模量)，s为传感器灵敏度，L为 力敏电阻的长度，r为力敏电阻应变量与微机械惯性敏感结构最大应变量之间的比值，ω为一 阶谐振频率。由公式(1)可知，在G值和力敏电阻长度L最优情况下，通过将所述力敏电 阻1布置在所述微梁2上可以获得比传统压阻式悬臂梁加速度计结构设计中更高的r值，从 而获得更大的ω²s。

本发明充分利用直拉直压检测梁具有极高的谐振频率和极强的抗冲击能力这一特性，结 合(111)单晶硅片单面加工制作工艺的特点，将所述微梁2和所述固支板3进行优化组合构 成加速度计的核心敏感部件。由于本发明的加速度计在所述(111)单晶硅基底6上通过单面 加工形成集敏感结构与检测单元的一体式结构，克服了传统硅-硅(或硅-玻璃)键合结构抗 冲击能力差、谐振频率难以进一步提高、制作成本高的不足，既满足加速度计高频带的要求 又具备高抗冲击能力。

实施例二

请参阅图4至图9，本发明还提供一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度 计的制作方法，请结合实施例一中的图1至图3，以量程为20万g的高谐振频率高冲击加速 度计为例，所述微梁2的长度L₂为20μm，厚度D₂为3μm，宽度W₂为3μm；所述固支板3 长度L₁为468μm，宽度W₁为156μm，厚度D₁为30μm，相邻两个所述微梁2之间的间距d 为86μm。加工后芯片整体尺寸为1.8×1.8×0.8mm³，加工后所述加速度计的灵敏度为0.15μV/g， 谐振频率为2.57MHz，工作带宽大于500kHz。

请参阅图4至图5，以量程为20万g的高谐振频率高冲击加速度计为例，基于(111) 单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计的制作方法至少包括以下步骤：

1)提供一n型(111)晶面的单晶硅片，所述单晶硅片为单面抛光或双面抛光的单晶硅 片，所述单晶硅片的厚度为430μm，电阻率为1～10Ω·cm，轴偏切为0±0.1°。

2)采用硼离子注入的方法在所述单晶硅片正面注入硼离子退火后形成力敏电阻，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。然后制作表面钝化保护层： 利用LPCVD工艺依次沉积低应力氮化硅和TEOS氧化硅，如图5(a)所示。

3)利用硅深度反应离子刻蚀工艺(Deep-RIE)在所述单晶硅片上间隔的制作多个释放窗 口，所述释放窗口勾勒出所需的微梁和固支板的轮廓，刻蚀确定的所述微梁的结构层长度为 20μm、厚度为3μm、宽度为3μm，所述固支板的长度为468μm、厚度为30μm，如图5(b) 所示。

4)在所述释放窗口内沉积钝化材料作为侧壁钝化保护层：利用LPCVD工艺依次沉积低 应力氮化硅和TEOS氧化硅，或者直接利用LPCVD工艺沉积低应力氮化硅，如图5(c)所 示。

5)利用反应离子刻蚀工艺(RIE)去除所述释放窗口底部的钝化保护层，然后再利用硅 深度反应离子刻蚀工艺继续向下刻蚀出所述微梁的释放牺牲间隙，所述释放牺牲间隙的深度 与为156μm，如图5(d)所示。

6)通过所述释放牺牲间隙利用KOH溶液或TMAH(Tetramethylammonium Hydroxide， 四甲基氢氧化铵)溶液沿<110>晶向横向腐蚀所述单晶硅片，释放所述微梁和所述固支板，所 述腐蚀的时间为20分钟；优选地，本实施例中，使用质量百分浓度为40％、温度为50℃的 KOH溶液沿<110>晶向横向腐蚀所述单晶硅片。在结构释放过程中，由于所述微梁要腐蚀释 放的结构尺寸特别小(3μm)，横向释放时间比较短，又所述微梁的下表面为(111)晶面， 横向释放时所述微梁下表面腐蚀速率接近于0，横向释放时所述微梁下表面基本保持原貌， 释放过程中所述微梁的截面始终保持为矩形，使得所述微梁各方向的尺寸可精确控制，所述 微梁的制造成品率高。同时，由于微梁下要腐蚀释放的结构尺寸特别小(3μm)，且腐蚀方向 为湿法腐蚀速率最快的<110>晶向，而所述固支板暴露出来的两个侧面为(211)面，横向释 放时固支板的侧面腐蚀速率较慢；同时，又两个所述侧面尺寸很大(长度468μm，深度156μm)， 因此在较短的腐蚀释放时间内(20分钟)，所述固支板的两个侧面几乎保持原貌不变，横向 刻蚀引起的所述固支板侧面的损耗较小，如图5(e)所示。

7)利用缓冲氧化硅刻蚀剂(BOE，Buffered Oxide Etchant)腐蚀多余的TEOS氧化硅， 然后再利用150℃浓度为85％的磷酸腐蚀液腐蚀掉多余的氮化硅；制作欧姆接触区域，并使 用缓冲氧化硅刻蚀剂在所述欧姆接触区域内腐蚀出引线孔；

8)在所述单晶硅片正面溅射铝薄膜，光刻引线和焊盘；腐蚀铝引线，并合金化，如图5 (f)所示。

图6、图7分别是本实施例制作的基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计和 微梁的SEM实物图片。由图6可知，所述位于所述微梁上的力敏电阻通过在其两侧的力敏电 阻引线孔5内填充金属，并通过引线7连接至焊垫8。图8和图9分别为本发明的基于(111) 单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计冲击测试实验输出电压与时间关系曲线图和输出能量 与频率关系曲线图。由图可见，本发明的加速度计实现了高g值、高频响、高带宽的测量要 求，大大改善了加速度计的动态测量特性。同时，该单晶硅片上所有功能部件均位于所述单 晶硅片的一面，所述单晶硅片的另一面不参与工艺制作，加工后的芯片具有尺寸小、工艺简 单、成本低的特点，适合大批量生产。

综上所述，本发明提供一种基于(111)单晶硅片的高谐振频率高冲击加速度计及制作方 法，所述加速度计采用表面形成有力敏电阻的直拉直压微梁和三边固支的固支板的组合结构 作为加速度计的核心敏感元件；通过硅深反应离子刻蚀形成直拉直压微梁结构及三面固支的 固支板截面轮廓；最后通过直拉直压微梁底部横向刻蚀将直拉直压微梁及三边固支的固支板 的组合结构释放，完成整个加速度计的一体化制作。由于本发明的加速度计在(111)单晶硅 衬底上通过单面加工形成集敏感结构与检测单元的一体式结构，本发明的加速度计灵敏度与 一阶谐振频率二次方的乘积(性能系数)远远高于传统的高g值加速度计。通过优化所述加 速度计各组成部分的尺寸，特别是四根直拉直压微梁结构尺寸，在保证加速度计灵敏度足够 高的同时，本发明的加速度计的一阶谐振频率可达数兆赫兹，大大提高了加速度计的工作带 宽，大大改善了传感器的动态测量特性。此外，本发明的传感器结构可使用单抛硅片单面微 加工制作，具有尺寸小、工艺简单、成本低的特点，适合大批量生产。

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。