具有片上零偏补偿的压阻式双轴微加速度计及制作方法

摘要

一种具有片上零偏补偿的压阻式双轴微加速度计及制作方法，它包括通过键合连接在一起的衬底和加速度计总成，所述加速度计总成包括框架以及呈相互垂直布置于框架上的两个加速度计单元，所述每个加速度计单元包括呈对称布置的两个质量块，所述每个质量块上的一端通过一根主梁和两根微梁连接于框架上，所述每根微梁内均包含有一检测压阻，所述每个加速度计单元内四根微梁中的四个检测压阻构成惠斯通全桥结构。本发明进一步公开了上述具有片上零偏补偿的压阻式双轴微加速度计的制作方法。本发明是一种结构简单紧凑、加工简便、适用范围广、测量精度高的具有片上零偏补偿的压阻式双轴微加速度计及制作方法。

说明书

技术领域

本发明主要涉及到硅微加速度计领域，特指一种压阻式双轴微加速度计及制作方法。

背景技术

加速度计是一种测量物体运动加速度的传感器。灵敏度、带宽、分辨率、零偏和温度系数是其主要性能指标。根据衬底所选用的材料，加速度计主要可以分为硅微机械加速度计和石英加速度计两大类。根据检测方式，加速度计则一般可分压阻式、压电式、电容式、隧道电流式、谐振式、热对流式等，其中又以前三种应用比较广泛。相比较来说，硅微机械压阻式加速度计具有检测灵敏度高、带宽大以及接口处理电路简单等优点。

美国Endevco公司型号为7270A的加速度计，是目前性能最好、应用最广泛的一种冲击加速度计，是在(110)硅片上采用浓硼重掺杂自停止湿法腐蚀工艺制作的，采用压阻检测方式，其封装外形尺寸为14.22mm×7.1mm×2.79mm，重量仅为1.5g，具有零阻尼及高谐振频率的优点，因此可以精确的响应快速瞬变冲击。但制作这种加速度计所采用的浓硼重掺杂湿法腐蚀工艺决定了其所制作的微梁很薄，在使用过程中极易发生断裂。加拿大的Alberta微电子研究中心于1995年提出了一种悬臂梁结构压阻式加速度计，检测方向为Z轴，其谐振频率为103kHz，灵敏度为0.72μV/g/5V，这种加速度计采用双抛(100)p型硅片制作，电阻做在硅片正面4μm厚的n型硅外延层上，悬臂梁薄膜结构在EDP溶液中电化学腐蚀形成，悬臂梁的形状则是通过SF6气体反应离子刻蚀形成。相比较于同类产品，这种加速度计的灵敏度较低。丹麦的B&K公司和美国的PCB公司均有压电检测方式的加速度计。与压电式加速度计相比，压阻式加速度计的谐振频率要高出很多，从而带宽也比较大，且具有压电式加速度计所欠缺的直流响应能力。

国内方面，主要有带曲面过载保护的悬臂梁结构硅微机械加速度计、三梁-双岛结构的加速度计、基于SOI衬底材料制作的微梁直拉直压结构加速度计以及李昕欣等人基于普通硅片制作的一种单片集成的三轴高g加速度计等。这些加速度计的结构各不相同，也都具有各自的优缺点。特别是李欣欣等人研制的单片集成三轴加速度计，量程大、带宽范围宽、灵敏度高，具有很高的性能；但这款加速度计也存在一些不足之处，如其检测结构采用惠斯通半桥，相比较于惠斯通全桥结构，其灵敏度低了一倍。上述各加速度计，特别是压阻式加速度计在零偏及其温度系数的补偿方面均没有采取很好的解决方案，一般是在外部接口电路的pcb板上通过分立器件电阻对惠斯通电桥进行补偿。由于分立器件电阻与加速度计检测电阻所采用的制作工艺不完全相同，所以导致加速度计零偏及其温度系数较大。

在压阻式微加速度计的研制当中，如何尽量提高其灵敏度和带宽，以及减小其零偏和零偏温度系数是一个需要重点解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、加工简便、适用范围广、测量精度高的具有片上零偏补偿的压阻式双轴微加速度计及制作方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种具有片上零偏补偿的压阻式双轴微加速度计，其特征在于：它包括通过键合连接在一起的衬底和加速度计总成，所述加速度计总成包括框架以及呈相互垂直布置于框架上的两个加速度计单元，所述每个加速度计单元均包括呈对称布置的两个质量块，所述每个质量块上的一端通过一根主梁和两根微梁连接于框架上，所述每根微梁内均包含有一检测压阻，所述每个加速度计单元内四根微梁中的四个检测压阻构成惠斯通全桥结构。

作为本发明的进一步改进：

所述框架设有一个以上的补偿电阻，所述补偿电阻通过并联或串联的方式与所述惠斯通全桥结构相连。

所述每个加速度计单元内四根微梁中的四个检测压阻通过金属引线互连构成惠斯通全桥结构，在每两根金属引线互相交叉处设有埋层引线。

一种具有片上零偏补偿的压阻式双轴微加速度计的制作方法，其特征在于步骤为：

①、选用N型双抛硅片作为结构材料，清洗硅片表面后，采用于氧、湿氧、干氧的组合式氧化方法在硅片的双面均氧化一层SiO₂膜，并以此SiO₂层作为掩膜，在硅片背面腐蚀形成浅槽，作为敏感结构和衬底之间的间隙；

②、将硅片正面光刻，并用BOE腐蚀液漂去暴露出的SiO₂，并以此SiO₂层作为掩模，采用淡硼扩散加高温退火的方法，制作微梁上的检测压阻以及补偿电阻；

③、将硅片正面光刻，并用BOE腐蚀液漂去暴露出的SiO₂，并以此SiO₂层作为掩模，采用浓硼扩散加高温退火的方法，制作检测压阻的欧姆接触区以及交叉埋层引线区；

④、欧姆接触区开孔，溅射铝金属并合金化，形成欧姆接触及金属引线；

⑤、以厚光刻胶作为刻蚀掩模，在硅片背面采用深反应离子刻蚀工艺，刻蚀出主梁以及质量块及其他敏感结构，刻蚀深度由微梁的厚度决定，即刻蚀深度为硅片厚度与微梁厚度之差；

⑥、硅片与玻璃衬底阳极键合；

⑦、以薄胶作为刻蚀掩模，在硅片正面采用深反应离子刻蚀工艺，刻蚀出主梁、微梁、质量块以及其他敏感结构；

⑧、封装。

所述步骤⑧中具体的封装步骤为：

(1)、采用划片机划片；(2)、芯片贴入管壳；(3)、引线键合；(4)管壳封帽。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明将检测方向在面内的两个相同结构的加速度计单元互相垂直布置，实现面内沿两个正交方向的加速度的检测。这种方法可以实现两个加速度检测单元性能参数一致，并且单片集成也有利于减小体积，降低制作成本。对于每个加速度计单元均采用对称布置的带四个微梁的双质量块类音叉结构，四个检测微梁构成惠斯通全桥，相比较于单质量块结构的惠斯通半桥，在谐振频率和带宽保持不变的情况下，其灵敏度提高了一倍。

2、本发明在每个加速度计单元的框架上采用与检测压阻相同的制作工艺制作了零偏补偿电阻。通过测量开环惠斯通电桥的四个电阻的阻值，并通过计算确定选择性的串联或并联补偿电阻到检测压阻上，从而实现加速度计惠斯通电桥零偏输出的补偿。由于补偿电阻与检测压阻的制作工艺完全相同，其电阻温度系数也完全相同，从而使每个加速度计单元的零偏温度系数也可同时得到补偿。

3、本发明为使四个检测压阻构成惠斯通全桥，采用埋层引线的方法，即通过离子重掺杂并使用SiO₂作为绝缘层解决引线交叉互联的问题。

4、本发明的制作方法具有工艺简单、操作简便、效率高、产品质量高等优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中单个加速度计单元的结构示意图；

图3是本发明中检测电阻所形成的惠斯通电全桥结构示意图；

图4是本发明中加速度计的检测原理示意图；

图5是本发明中采用埋层引线将检测压阻交叉互联的结构示意图；

图6是本发明中采用埋层引线后的断面结构示意图；

图7是沿着加速度计单元主梁长度方向的纵切面观察的制作工艺流程示意图；

图8是沿着加速度计单元主梁宽度方向的纵切面观察的制作工艺流程示意图；

图9是采用补偿电阻后本发明中检测电阻所形成的惠斯通电全桥结构示意图。

图例说明

1、X轴加速度计；2、Y轴加速度计；3、框架；4、主梁；5、质量块；6、微梁；7、检测压阻；8、补偿电阻；9、埋层引线；10、金属引线；11、衬底；12、加速度计总成；I为硅材料；II为二氧化硅材料；III为淡硼区域；IV为浓硼区域；V为铝材料；VI为玻璃材料。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明具有片上零偏补偿的压阻式双轴微加速度计，它包括通过键合连接在一起的衬底11和加速度计总成12，加速度计总成12包括框架3以及呈相互垂直状布置于框架3上的两个加速度计单元，该框架3主要起结构支撑的作用，衬底11为玻璃衬底。两个加速度计单元为用来实现面内沿两个正交方向加速度检测的X轴加速度计1和Y轴加速度计2。每个加速度计单元均采用对称布置的带四个微梁6的双质量块类音叉结构，即每个加速度计单元包括呈对称布置的两个质量块5，每个质量块5上的一端通过一根主梁4和两根微梁6连接于框架3上，每根微梁6内均包含有一检测压阻7，每个加速度计单元内四根微梁6中的四个检测压阻7构成惠斯通全桥结构(参见图3)，使得这一结构同时具有高灵敏度和大带宽的高性能。其中检测压阻7是一个电学元件，微梁6是一个结构，检测压阻7是将微梁6的表面通过淡硼离子掺杂工艺改性来实现的。

为使本发明的每个加速度计单元中四个检测压阻7能构成如所示的惠斯通电桥，沿着环路的方向看，四个检测压阻7的连接方式应该满足工作时“电阻减小、电阻增大、电阻减小、电阻增大”的要求。其检测原理如图4所示，当加速度计单元承受箭头a方向所示的加速度时，在两个质量块5所受的惯性力的作用下，主梁4发生弯曲，质量块5的位置将发生偏移，同时处于上方的两个微梁6拉伸，其对应的检测压阻7的阻值将增大；而下方的两个微梁6将会压缩，其对应的检测压阻7的阻值减小，由此按图3所示的惠斯通电桥的输出就反应了加速度计单元所检测的加速度的大小。

但从图4可以看出，当承受加速度计敏感方向上的加速度时，上面两个检测压阻7的阻值变化相同，下面两个检测压阻7的阻值变化也相同，所以需要将四个检测压阻7互相交叉连接，才能构成理想的惠斯通电桥结构。为实现这种交叉互联，本发明采用了埋层引线9的技术。如图5和图6所示，四个检测压阻7需要通过金属引线10(如铝电极引线)互连构成惠斯通电桥，在两个金属引线10互相交叉的地方，通过埋层引线9来实现，即将其中的一个引线使用浓硼重掺杂技术来实现，并在这个重掺杂区域采用氧化SiO₂层保护，以与其上面交叉的金属引线10绝缘。

对于理想的惠斯通电桥结构，当四个检测电阻7的阻值完全相等且加速度计没有承受加速度时，惠斯通电桥处于平衡状态，此时惠斯通电桥输出为零。但由于制作工艺的精度问题，实际的惠斯通电桥四个电阻的阻值不可能完全相同，此时在加速度计单元没有承受加速度时，惠斯通电桥仍有输出，这一输出称为零偏。并且这一零偏随着温度的变化而变化，衡量这一变化的性能指标称为零偏温度系数。对于压阻式加速度计来说，零偏及其温度系数指标越小越好。为此，本发明在框架3上采用与检测压阻7完全相同的工艺流程和工艺参数制作了阻值大小各不相同的多个补偿电阻8。在后序的封装工艺中，可以通过选择性的并联或串联的方式将补偿电阻8引入到惠斯通电桥中，以实现零偏及其温度系数的补偿。使用时，通过测量开环惠斯通电桥的四个检测电阻7的阻值，并通过计算确定选择性的串联或并联补偿电阻8到检测压阻7上，从而实现加速度计惠斯通电桥零偏输出的补偿。由于补偿电阻8与检测压阻7的制作工艺完全相同，从而使每个加速度计单元的零偏温度系数也可同时得到补偿。

本发明具有片上零偏补偿的压阻式双轴微加速度计，主要采用硅片与玻璃衬底键合的方法实现结构制作，其中加速度计的敏感结构制作在硅层上，下层玻璃作为衬底11对加速度计的敏感结构起支撑和保护作用。硅结构层采用双面DRIE工艺结合压阻标准集成工艺制作。补偿电阻8与检测压阻7是通过相同的工艺步骤及工艺参数制作完成的。如图7和图8所示分别为沿着加速度计单元主梁长度方向和宽度方向的纵切面观察的制作工艺流程示意图，本发明制作工艺的具体步骤为：

1、选用N型双抛(100)硅片作为结构材料，其厚度为500μm，电阻率为1-10Ω·cm。在经过标准RCA清洗以去除硅片表面的无机污染、有机污染以及离子污染后，采用干氧、湿氧、干氧的组合式氧化方法在硅片的双面氧化一层的SiO₂膜，并以此SiO₂层作为掩膜，在硅片背面腐蚀10μm深的浅槽，作为敏感结构和衬底11之间的间隙，从而可以保证在硅-玻璃阳极键合以后，可以使敏感结构自由运动；

2、将硅片正面光刻，并用BOE腐蚀液漂去暴露出的SiO₂，并以此SiO₂层作为掩模，采用淡硼扩散加高温退火的方法，制作微梁6上的检测压阻7以及补偿电阻8；

3、将硅片正面光刻，并用BOE腐蚀液漂去暴露出的SiO₂，并以此SiO₂层作为掩模，采用浓硼扩散加高温退火的方法，制作检测压阻7的欧姆接触区以及交叉埋层引线9区；

4、欧姆接触区开孔，溅射铝金属并合金化，形成欧姆接触及金属引线10，铝金属层的厚度为

5、以厚光刻胶作为刻蚀掩模，在背面采用ICP刻蚀工艺，刻蚀出主梁4以及质量块5等敏感结构，刻蚀深度由微梁6的厚度决定，即刻蚀深度为硅片厚度与微梁6厚度之差；

6、硅片与玻璃衬底11阳极键合，键合电压600V，键合温度380℃；

7、以薄胶作为刻蚀掩模，在正面采用ICP刻蚀工艺，刻蚀出主梁4、微梁6以及质量块5等敏感结构；

8、至此，整个加速度计的圆片级工艺全部完成，但还需要后道封装工艺才能完成整个加速度计的制作。

后道封装工艺的具体实施方式主要有以下几步：

1、采用划片机划片；

2、芯片贴入管壳；

3、引线键合；

4、管壳封帽。

第3步引线键合包括了对加速度计零偏补偿电阻8的连接。通过测量惠斯通电桥的四个电阻的阻值，并通过计算确定选择性的串联或并联补偿电阻8到检测压阻7上，从而实现加速度计惠斯通电桥零偏输出的补偿(图9所示)。这一步又包括两个部分，第一步是测量4个检测压阻7的阻值，然后计算图9所示的四个检测电阻7的阻值的比值，如果R₁/R₂)R₃/R₄，则说明R₂阻值偏小，R₄阻值偏大，所以通过引线的方式将大小合适的R_a并入R₄两端；反之，如果R₁/R₂＜R₃/R₄，则说明R₂阻值偏大，R₄阻值偏小，所以通过引线的方式将大小合适的R_a并入R₂两端。第二步则是将加速度计的焊盘通过引线键合的方式连接到管壳上，并封盖完成整个加速度计的制作。

在使用时，加速度计惠斯通电桥的两个相对的端口作为电源和地，电源一般接+5V，另外两个端口作为输出。由于两个加速度检测单元可以共用电源和地，从而对于本发明所述的双轴加速度计，仅有六个输入输出端口即可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。