一种单片集成的三质量MEMS电容差分式三轴加速度计的制备方法

摘要

一种单片集成的三质量MEMS电容差分式三轴加速度计的制备方法。涉及传感器领域，具体涉及单片集成的三质量MEMS电容差分式三轴加速度计的制备方法。此三轴加速度计三轴有各自的质量块，且将X、Y、Z三轴加速度计集成在单个基片，X、Y轴加速度计分列在Z轴加速度计两边，各个轴向采用平板差分式电容。本发明中的加速度计采用三个质量块，三轴之间交叉干扰最小，稳定性好；X、Y、Z三个方向均采用平板差分式电容检测，检测准确性高；采用SOI硅片工艺，三轴加速度计同时成型，工艺简单，易于批量生产，可重复度高。与现有的单片集成三轴加速度计一样，具有体积小，无需人工校准等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及单片集成的三质量MEMS电容差分式三轴加速度计的制备方法。

背景技术

电容式加速度计就是运用MEMS技术研发出来的典型微传感器，它的用途非常广泛，不仅用于通用航空、车辆控制、髙速铁路、机器人、工业自动化、探矿、玩具、手机等，而且在导弹制导和飞机的导航等方面也有应用，随着科技的发展和市场的进一步需求，为了更全面的了解物体的运动信息，三轴加速度计的研发已成为趋势。目前，三轴加速度计的实现有三种方式，分别为混合集成式，片内、片外集成式，单片集成式。

混合集成式加速度计将3个单轴的加速度计分别做好，然后组装在一起构成三轴加速度计。但在实际应用中暴露出体积过大、需要人工校准等缺点满足不了市场的需求，无法在消费电子领域中得到应用；

片内、片外集成式在水平面采用集成式，竖直方向的加速度计需要一个栓锁装置与水平面相连，同混合集成式加速度计一样同样需要校准，无法量产；

单片集成式应用MEMS体硅加工工艺或表面微机械加工工艺，将三个轴向做在同一块衬底上，一般采用单质量块或多质量块结构，相比前两种具有体积小，无需人工校准，易于批量化生产，可重复度高等特点。

然而，采用单一质量块，即X、Y、Z方向共用一个质量块，如基于off-set结构的加速度计，这种结构制备工艺简单，但是各个方向加速度检测会有严重的干扰，而且Z方向无法实现差分检测，检测准确性不高。采用两个质量块，通常是平面X、Y方向各用一个质量块，竖直Z轴采用扭杆型差分梳齿式结构，如跷跷板式加速度计，同样使得Z方向受到到X、Y方向检测的信号干扰，影响检测的准确性；采用三质量以上的，通常都是采用嵌套结构，制备复杂，相互之间同样存在信号干扰问题。

发明内容

本发明提供了一种单片集成的三质量差分式电容加速度计的制备方法，此三轴加速度计三轴有各自的质量块，且将X、Y、Z三轴加速度计集成在单个基片，X、Y轴加速度计分列在Z轴加速度计两边，各个轴向采用平板差分式电容。

本发明的技术方案是:包括以下步骤：

1）、在玻璃衬底上开槽；

2）、沉积金属并刻蚀图形；

3）、刻蚀部分SOI硅片的器件层；

4）、进一步刻蚀器件层；

5）、将SOI硅片和玻璃衬底连接在一起；

6）、减薄SOI硅片操作层；

7）、在SOI硅片的操作层上沉积金属，然后刻蚀出图形；

8）、掩膜刻蚀SOI硅片操作层；

9）、刻蚀去掉SOI硅片部分区域埋氧层；

10）、制得三轴加速度计。

在本发明提供的方法步骤1）中，在掩膜的作用下湿法刻蚀的方法开槽，用于水平轴向加速度计。

在本发明提供的方法步骤2）中，在玻璃衬底上沉积的金属作为水平和垂直的加速度计的金属接触；

在本发明提供的方法步骤3）中，刻蚀部分SOI器件层，使得垂直加速度计的底部电极和检测质量之间存在电容间隙；

在本发明提供的方法步骤4）中，继续刻蚀器件层，形成垂直和水平加速度计的检测质量；

在本发明提供的方法步骤5）中，将玻璃衬底和SOI硅片连接起来；

在本发明提供的方法步骤6）中，减薄SOI硅片操作层厚度；

在本发明提供的方法步骤7）中，在SOI硅片操作层上沉积的金属用于垂直轴加速度计的电极接触；

在本发明提供的方法步骤8）中，掩膜刻蚀SOI硅片操作层，得到垂直轴加速度计的穿孔顶部电极；

在本发明提供的方法步骤9）中，刻蚀去掉SOI硅片部分区域埋氧层。

三轴加速度计中的水平加速度计和水平轴向加速度计位于垂直加速度计两边，成一字型排开。

本发明中的加速度计采用三个质量块，三轴之间交叉干扰最小，稳定性好；X、Y、Z三个方向均采用平板差分式电容检测，检测准确性高；采用SOI硅片工艺，三轴加速度计同时成型，工艺简单，易于批量生产，可重复度高。与现有的单片集成三轴加速度计一样，具有体积小，无需人工校准等优点。

附图说明

图1是本发明的加工流程图；

图2是步骤1）的示意图；

图3是步骤2）的示意图；

图4是步骤3）的示意图；

图5是步骤4）的示意图；

图6是步骤5）的示意图；

图7是步骤6）的示意图；

图8是步骤7）的示意图；

图9是步骤8）的示意图；

图10是步骤9）的示意图；

图11是本发明三轴加速度计的结构示意图；

图12是本发明三轴加速度计的局部结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例提供的单片单三质量差分式电容加速度计的设计和制备方法的具体实施方式进行详细的说明。

其中附图各层厚度、形状、大小不反映真实比例，只是为了说明本发明内容。

本发明实施例提供了单片三质量差分式电容加速度计的设计和制备方法，这种方法将三轴加速度计集成在单片，制备工艺简单。如图1所示，具体包括如下步骤：

110在玻璃衬底上开槽；

120沉积金属并刻蚀图形；

130刻蚀SOI硅片的部分器件层；

140进一步刻蚀SOI硅片器件层；

150将SOI硅片和玻璃衬底连接在一起；

160减薄SOI硅片操作层；

170在SOI硅片的操作层上沉积金属，并刻蚀出图形；

180掩膜刻蚀操作层；

190刻蚀SOI硅片部分区域埋氧层；

制得三轴加速度计。

由于x、y方向制备方法一样，只是朝向不一样而已，因此下列对制备方法解释仅呈现x或者y方向和z方向加速度计制备方法。

其中，如图2所展示的是在玻璃衬底上开槽，采用49%的HF溶液湿法刻蚀玻璃衬底，达到如图2所示效果，图中1表示的是玻璃衬底，2为湿法刻蚀形成的槽；

如图3所示在玻璃衬底上沉积的金属，图中3表示Cr/Au；

如图4所示刻蚀SOI器件层，使得垂直加速度计的底部电极和检测质量之间存在3um电容间隙，图中4表示SOI硅片的300um厚的操作层，5表示SOI硅片的2um厚的埋氧层，6表示被部分刻蚀的35um厚的器件层；

如图5所示，继续刻蚀器件层，图中7表示水平方向的检测质量，8表示垂直方向的检测质量；

如图6所示，采用阳极键合的方式连接硅片和玻璃衬底，阳极键合方式温度低，无需添加中间材料，工件变形小；

如图7所示，用打磨法将SOI硅片的操作层减薄到50um，图中9表示减薄后的SOI硅片操作层；

如图8所示，在SOI操作层上沉积金属，作为垂直轴加速度计的顶部电极，图中10为沉积的金属Cr/Au；

如图9所示，刻蚀SOI硅片的操作层，形成平板电容，图中11表示垂直方向加速度计的平板电容，多个平板，用差分法检测，排除环境温度、湿度等因素对信号的干扰，12表示水平方向的平板电容；

如图10所示，BHF刻蚀SOI硅片部分埋氧层，形成垂直和水平方向的平板电容；

三轴加速度计中的水平加速度计和水平轴向加速度计位于垂直加速度计两边，成一字型排开。

如图11所示，单片单质量电容差分式加速度计的俯视图，其中13表示Y轴方向加速度计的俯视图，14表示Z轴的，15表示X轴的。X和Y轴加速度计位于Z轴加速度计两边，成一字型排开，充分利用空间，布置合理。

如图12所示，单片三质量电容差分式加速度计局部细节图，其中16、18表示X方向的两个电极，23、25表示Y方向两个电极，17、24分别表示X,Y方向的质量块，19、20和21分别表示Z方向的顶部电极、质量块和底部电极。

本发明中，X、Y、Z三个方向的加速度计集成在单个基板上；X、Y、Z三个方向加速度计有各自的质量块，各个方向独立检测，互不干扰；各个轴向加速度计采用平板差分式电容检测；

X和Y轴加速度计位于Z轴加速度计两边，成一字型排开；采用SOI工艺，三轴加速度计同时成型。