兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计及其加工方法

摘要

本发明为兼有测量压强、温度功能的微型硅加速度计。其既可以测量系统的压强、环境温度的变化，还可以测量加速度，本发明还提供了加工方法。其包括单片晶向的硅单晶衬底(1)，在硅衬底(1)的两面覆盖有复合膜绝缘层(2)，硅单晶衬底(1)正面的二个悬臂梁区设置四个热扩散电阻(3)，组成惠斯顿电桥，其特征在于：与二个悬臂梁相连接的质量区是硅体质量块(4)，而在质量块(4)的正表面设置二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层结构，其中顶部的多晶硅制作成四个纵向压阻效应的力敏电阻(5)，中间多晶硅薄膜为压力传感器的弹性膜(6)，而PSG以及多晶硅弹性膜下面的磷硅玻璃层形成一个空腔11，铝内线连接四个纵向压阻效应的力敏电阻(5)，组成测量压力变化的惠斯顿电桥；而在加速度计的边框上设置硼磷区，组成一个n－p－n三极管的EB结(7)。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计，本发明还涉及微型硅加速度计的加工方法。

(二)背景技术

通常加速度计是一种独立的器件，用以测量加速度。而压力传感器和温敏元件有做在一起的器件，这样的器件既可以测量系统的压强，又可以测量环境温度的变化，业内的学者在八五国家重点科技攻关中，申请了微型硅加速度计项目，完成了国家规定的验收指标，并完成样管几百只。其中二梁、四梁、五梁各有样管一百多只。并于1988年8月6日申请实用新型专利“双岛-五梁结构单块硅加速度传感器”，于1990年10月19日授权，专利号：90215390.0，证书号：第61778号。并在九五国家重点科技攻关中实现了工程化。是国内最早实现硅微型加速度传感器的单位。但至今为止尚未发现这三种器件一体化的相关文章和产品，随着信息技术的发展，越来越需要传感器的微型化和多功能化以及智能化，以适应通讯技术的发展。

(三)发明内容

针对上述问题，本发明提供了兼有测量压强、环境温度功能的微型硅加速度计，其具有微型化、多功能化以及智能化的优点，既可以测量系统的压强、环境温度的变化，还可以测量加速度，适应现代通讯技术的发展，为此本发明还提供了微型硅加速度计的加工方法。

其技术方案是这样的：

兼有测量压强、温度变化功能的微型硅加速度计，其包括单片晶向的硅单晶衬底1，在硅衬底1的两面覆盖有复合膜绝缘层2，硅单晶衬底1正面的二个悬臂梁区设置四个热扩散电阻3，组成惠斯顿电桥，其特征在于：与二个悬臂梁9相连接的质量区是硅体质量块4，而在质量块4的正表面设置二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层结构，其中顶部的多晶硅制作成四个纵向压阻效应的力敏电阻5，中间多晶硅薄膜为压力传感器的弹性膜6，而PSG以及多晶硅弹性膜下面的磷硅玻璃层形成一个空腔11，铝内线连接四个纵向压阻效应的力敏电阻5，组成测量压力变化的惠斯顿电桥；而在加速度计的边框上设置硼磷区，组成一个n-p-n三极管的EB结7。

其进一步特征在于：复合膜绝缘层2由二氧化硅和氮化硅组成；微型硅加速度计的热扩散电阻3的材质为热扩散制成单晶硅电阻；所述压力传感器的力敏电阻5和内引线的材质为多晶硅；加速度计的悬臂梁的力敏电阻材质为单晶硅；压力传感器的弹性膜6的材质为多晶硅。

兼有测量压强、环境温度变化功能的微型硅加速度计的加工方法，其特征在于：其包括以下步骤，

取一片厚度为0.3微米-1毫米双面抛光晶向的单晶硅作衬底1，在衬底两面先形成双面光刻对准记号，然后继续氧化并在衬底背面氧化出方形开口8，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口8中硅表面，深度为5微米-10微米；

在硅衬底的两面覆盖有二氧化硅和氮化硅组成的复合膜绝缘层2；

采用氧化、光刻、热扩散平面工艺，在硅片正面的二个悬臂梁区形成四个热扩散P型电阻3和温敏元件n-p-n三极管的EB结7；

在质量块区的正表面，形成二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层结构，其中顶部的多晶硅用以制作四个纵向压阻效应的力敏电阻5，采用离子束机注入硼原子，能量100Kev，剂量1.6×10¹⁵，使其成为P型电阻层；

在1100度的高温氧化炉内用氮气作保护气体，对硅片进行退火处理0.5小时，然后通过通干氧-湿氧-干氧时间的调节，使多晶硅表面方块电阻达到80欧姆-100欧姆左右；

光刻电阻端头形成欧姆电极的引线孔区，然后在引线孔区内进行浓硼扩散，形成欧姆接触区；

光刻正表面质量块区和悬臂梁区周围的穿透区10；

背面光刻方形开口8和质量块4；

套刻电阻端头形成欧姆电极的引线孔区；

采用通过牺牲层技术，掏空多晶硅弹性膜下面的磷硅玻璃层，形成一个空腔11；

正面蒸镀铝膜反刻形成铝内引线，同时封住腐蚀口；

对衬底背面方形开口8进行体微机械加工湿法腐蚀，当腐蚀到离表面50um时，经处理后用DRIE干法刻蚀技术刻蚀在硅片正面质量块区和悬臂梁区周围的出透区，与背面相通，最后形成本发明。

通过上述工艺制作的本发明，质量块作加速度运动时，与质量块相连接的二个悬臂梁区上的四个力敏电阻受到横向和纵向的压阻效应，使二个电阻变大，二个电阻变小，造成桥路的不平衡。根据牛顿第二定律：f＝ma(其中f为悬臂梁区受到质量块运动时的压应力或涨应力；m是质量块的质量大小；a是质量块作加速运动时的加速度量值)，从而在惠斯顿电桥的输出端产生一个与加速度成正比的电信号；而在质量块的正表面形成二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层结构，其中顶部的多晶硅用以制作四个纵向压阻效应的力敏电阻，中间多晶硅薄膜是作为压力传感器的弹性膜，通过铝内线连接四个纵向压阻效应的多晶硅力敏电阻，组成另一个测量压力变化的惠斯顿电桥；而由于EB结是随温度变化的热敏元件，当环境温度升高摄氏1度时，EB结的正向压降就会降低2毫伏，从而得到与环境温度相关的电信号输出，三种不同物理量(加速度G、压强P、温度T)可以同时测量，实现了微型硅加速度计向微型化和多功能化以及智能化方向发展。

(四)附图说明

图1为本发明俯视的结构示意图；

图2为本发明主视的结构示意图；

图3为本发明的加工流程框图。

(五)具体实施方式

见图1、图2、图3，本发明包括单片晶向的硅单晶衬底1，在硅衬底1的两面覆盖有复合膜绝缘层2，复合膜绝缘层2由二氧化硅和氮化硅组成；硅单晶衬底1正面的二个悬臂梁区设置四个热扩散电阻3，组成惠斯顿电桥，与二个悬臂梁相连接的质量区是硅体质量块4，而在质量块4的正表面设置二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层结构，其中顶部的多晶硅制作成四个纵向压阻效应的力敏电阻5，中间多晶硅薄膜为压力传感器的弹性膜6，而PSG以及多晶硅弹性膜下面的磷硅玻璃层形成一个空腔11，铝内线连接四个纵向压阻效应的力敏电阻5，组成测量压力变化的惠斯顿电桥；而在加速度计的边框上设置硼磷区，组成一个n-p-n三极管的EB结7。微型硅加速度计的热扩散电阻3的材质为热扩散制成单晶硅电阻；压力传感器的力敏电阻5和内引线的材质为多晶硅；加速度计的悬臂梁的力敏电阻材质为单晶硅；压力传感器的弹性膜6的材质为多晶硅。

兼有测量压强、环境温度变化功能的微型硅加速度计的加工方法，其包括以下步骤，

取一片厚度为0.3毫米-1毫米双面抛光晶向的单晶硅作衬底1，采用常规的氧化光刻工艺，在衬底两面先形成双面光刻对准记号，然后继续氧化并在衬底背面氧化出方形开口8，用TMAH腐蚀液腐蚀方形开口8中硅表面，深度为5微米-10微米；

在硅衬底的两面覆盖有二氧化硅和氮化硅组成的复合膜绝缘层2；

采用氧化、光刻、热扩散平面工艺，在硅片正面的二个悬臂梁区形成四个热扩散P型电阻3和温敏元件n-p-n三极管的EB结7；

在质量块区的正表面，形成二氧化硅/PSG/多晶硅/二氧化硅/多晶硅的多层结构，其中顶部的多晶硅用以制作四个纵向压阻效应的力敏电阻5，采用离子束机注入硼原子，能量100Kev，剂量1.6×10¹⁵，使其成为P型电阻层；

在1100度的高温氧化炉内用氮气作保护气体，对硅片进行退火处理0.5小时，然后通过通干氧-湿氧-干氧时间的调节，使多晶硅表面方块电阻达到80欧姆-100欧姆左右；

光刻电阻端头形成欧姆电极的引线孔区，然后在引线孔区内进行浓硼扩散，形成欧姆接触区；

光刻正表面质量块区和悬臂梁区周围的穿透区10；

背面光刻方形开口8和质量块4；

套刻电阻端头形成欧姆电极的引线孔区；

采用通过牺牲层技术，掏空多晶硅弹性膜下面的磷硅玻璃层，形成一个空腔11；

正面蒸镀铝膜反刻形成铝内引线，同时封住腐蚀口；

对衬底背面方形开口8进行体微机械加工湿法腐蚀，当腐蚀到离表面50um时，经处理后用DRIE干法刻蚀技术刻蚀在硅片正面质量块区和悬臂梁区周围的出透区，与背面相通。最后形成本发明。