CN110531114B - 一种纯轴向变形的mems三轴压阻式加速度计芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片及其制备方法，该传感器中的X测量单元、Y测量单元和Z测量单元分别用于测量X方向、Y方向和Z方向的加速度，实现三个方向加速度的分离测量；每个测量单元包括质量块、支撑梁和敏感梁，无论是哪个测量单元，支撑梁和敏感梁均通过质量块分离设置，支撑梁支撑质量块运动，而应力主要集中于敏感梁，使得敏感梁上的压敏电阻条阻值发生变化，两者各司其职，极大地弱化了灵敏度与谐振频率之间的直接耦合关系；同时由于两质量块的同步运动，与其固定的敏感梁两端也同步运动，从而敏感梁始终满足纯轴向变形条件，在相同谐振频率下，传感器的灵敏度达到最优，使得该传感器芯片具有良好的性能指标。

Description

一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片及其制备 方法

【技术领域】

本发明属于微机械电子系统传感器计量领域，具体涉及一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片及其制备方法。

【背景技术】

MEMS加速度传感器的产量是仅次于压力传感器的力学测量传感器，是目前应用比较多的MEMS器件之一。MEMS压阻式加速度传感器结构简单，外形小巧，性能优越，尤其适用低频加速度的测量。它除了在航天方面用于飞行器风洞试验和飞行试验等多种过载与振动参数测量外，在工业方面可用于发动机试车台各阶段振动参数的测试。

MEMS加速度传感器所采用的测量原理有许多，主要有压阻式、压电式、电容式、热对流式、隧道式、光纤式以及谐振式。与其他类型的MEMS加速度传感器相比，MEMS压阻式加速度传感器因其测量范围广，加工工艺简单，可测量动态和静态信号，动态响应好，测试方便，后续处理电路简单，成本低廉等优点而得到广泛的应用。

对于三轴压阻式加速度传感器，用于测量三个方向的加速度，无论对于哪个方向而言，加速度传感器的灵敏度与工作带宽始终是其最主要工作指标，因此在设计过程中常将这两个参数作为优化目标来设计加速度传感器结构。而固有频率与灵敏度之间存在相互制约关系，从而影响了加速度传感器的进一步提高。在加速度传感器的设计中，弱化加速度传感器灵敏度和固有频率的相互制约关系，同时得到灵敏度和固有频率的最优值非常重要。对于加速度传感器在测量Z方向的加速度时，由于加速度垂直于芯片，使得调整该测量单元的灵敏度和固有频率尤为重要。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片及其制备方法；该芯片支撑梁和敏感梁均通过质量块分离设置，极大地弱化了灵敏度与谐振频率之间的直接耦合关系，在相同谐振频率下，传感器的灵敏度达到最优，使得该传感器芯片具有良好的性能指标。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，包括：固定设置在芯片外框中的X测量单元、Y测量单元和Z测量单元，三个测量单元通过芯片外框隔离；Z测量单元的竖向中心线平行于X测量单元的竖向中心线，Y测量单元的竖向中心线垂直于Z测量单元的竖向中心线；所述芯片外框键合在底层玻璃板上；Z测量单元包括第三质量块和第四质量块，第三质量块和第四质量块的外侧边均通过一个第二支撑梁和芯片外框连接；第三质量块的内侧边上设置有第一凸起，第一凸起的两侧分别设置有一个第一凹槽；第四质量块的内侧边上设置有第二凹槽，第二凹槽的两侧分别设置有一个第二凸起；第一凸起啮合在第二凹槽中，每一个第二凸起啮合在一个第二凹槽中；每一个第二凸起通过第三敏感梁和第一凸起连接；第三质量块和第四质量块内侧边的两个外端部分别通过一个第二敏感梁连接；

第二敏感梁和第三敏感梁上的压敏电阻通过金属引线连接形成惠斯通全桥。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述第二支撑梁的平面平行于XY平面，第二支撑梁的平面设置在第三质量块或第四质量块z方向的中心线处；第二支撑梁上固定设置有蛇形梁。

优选的，所述蛇形梁包括若干个蛇形单元；每一个蛇形单元固定设置在第三质量块和芯片外框之间，或者固定设置在第四质量块和芯片外框之间；所述蛇形单元包括相互垂直的第一平面和第二平面，第一平面平行于Z测量单元的横向中心线，第二平面平行于Z测量单元的竖向中心线，每一个第一平面的两端分别连接有一个第二平面。

优选的，所述第一凸起包括一体连接的第一连接段和第一凸出端，第一连接段将第三质量块主体和第一凸出端一体连接，第一凸出端的宽度大于第一连接段的宽度；第二凸起包括第二连接段和第二凸出端，第二连接段将第四质量块主体和第二凸出端连接，第二凸出端的宽度大于第二连接段的宽度；每一个第二凸出端通过一个第三敏感梁和第一凸出端连接。

优选的，两个第二敏感梁分别设置在一个第二连接段的外侧。

优选的，X测量单元和Y测量单元的结构相同，各自由两个第一测量块组成，每一个第一测量块内包括第一质量块和第二质量块，第一质量块和第二质量块的外侧边均通过一个第一支撑梁和芯片外框连接，第一质量块和第二质量块的内侧边通过铰链梁和第一敏感梁连接；

X测量单元内的第一敏感梁上的压敏电阻通过金属引线连接形成惠斯通半桥；Y测量单元内的第一敏感梁上的压敏电阻通过金属引线连接形成惠斯通半桥。

优选的，第一质量块和第二质量块的内侧边均设置有第一豁口，两个第一豁口相对于第一测量块的横向中心线对称设置；铰链梁的两端分别和两个第一豁口的内端面固定连接；铰链梁设置在第一测量块的竖向中心线上。

优选的，第一质量块和第二质量块的内侧边通过两个第一敏感梁连接，两个第一敏感梁分别设置在第一豁口的两侧，两个第一敏感梁相对于铰链梁对称。

优选的，第一质量块和第二质量块的外侧均设置有第二豁口；每一个第一支撑梁的一端和芯片外框固定连接，另一端和第二豁口的内端面固定连接；第一支撑梁设置在第一测量块的竖向中心线上。

一种上述的纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)对SOI硅片进行双面热氧化，在SOI硅片的上表面和下表面分别形成一层热氧二氧化硅层，分别为上表面热氧二氧化硅层和下表面热氧二氧化硅层；

2)利用轻掺杂版，通过光刻和反应离子蚀刻方法去除SOI上表面的轻掺杂区域内的上表面热氧二氧化硅层，在轻掺杂区域内掺杂硼离子后，形成轻掺杂区；

3)利用重掺杂版，通过光刻和反应离子蚀刻方法去除重掺杂区域内的上表面热氧二氧化硅层，在重掺杂区域内进行重掺杂，形成欧姆接触区；

4)在SOI硅片正面通过物理气象沉积方法沉积Ti/Al层，通过金属焊盘和导线版进行光刻，形成金属引线和焊盘结构；

5)在下表面热氧二氧化硅层的背面通过气相沉积法沉积一层二氧化硅层，下表面热氧二氧化硅层和二氧化硅层形成双掩膜层；

6)通过反应离子蚀刻方法去除SOI硅片背面深刻蚀区域内的双掩膜层，使得SOI硅片深刻蚀区域内的衬底硅裸露；通过深反应离子刻蚀方法刻蚀衬底硅，刻蚀掉X测量单元和Y测量单元中第一支撑梁和铰链梁下部的一部分，以及第一质量块和第二质量块下部的一部分；

7)通过光刻去除Z测量单元中第二支撑梁和蛇形梁背面刻蚀区域的双掩膜层；通过深反应离子刻蚀方法继续刻蚀，形成第二支撑梁的下部分、蛇形梁的下部分、第一支撑梁的下部分、铰链梁的下部分、以及所有质量块的基底层结构；

8)通过运动间隙版图，对底层玻璃板进行光刻胶掩膜，通过KOH进行湿法腐蚀，在底层玻璃板上形成空槽区域；

9)通过深反应离子刻蚀方法对SOI硅片背面剩余的双掩膜层进行刻蚀，使得SOI硅片的衬底硅裸露；通过阳极键合将衬底硅区域封装在底层玻璃板上；

10)通过反应离子蚀刻方法刻蚀去除SOI硅片的上表面热氧二氧化硅层，涂覆一层光刻胶，然后通过感应耦合等离子刻蚀方法刻蚀至埋氧层停止，形成第一支撑梁、铰链梁、敏感梁以及所有质量块的上部分，形成第二支撑梁，以及蛇形梁的器件层部分。

11)通过反应离子蚀刻方法去除第二支撑梁上表面的器件层和埋氧层，然后通过反应深离子刻蚀方法刻蚀掉蛇形梁上部区域的器件层和埋氧层，第二支撑梁和蛇形梁的上部分刻蚀完成；

12)将已刻蚀完成的SOI硅片正面喷涂光刻胶进行保护，去除相应埋氧层区域的光刻胶，然后利用缓冲液刻蚀SOI硅片正面剩余的埋氧层，清洗SOI硅片正面后自然晾干，最后再将SOI硅片正面的光刻胶去除；

13)采用低温退火工艺处理SOI硅片，纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片制作完成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，该传感器中的X测量单元、Y测量单元和Z测量单元分别用于测量X方向、Y方向和Z方向的加速度，可实现三个方向加速度的分离测量；Z单元包括质量块、支撑梁和敏感梁；支撑梁和敏感梁通过质量块分离设置，支撑梁支撑质量块运动，而应力主要集中于敏感梁，使得敏感梁上的压敏电阻条阻值发生变化，两者各司其职，极大地弱化了灵敏度与谐振频率之间的直接耦合关系；同时由于两质量块的同步运动，与其固定的敏感梁两端也同步运动，从而敏感梁始终满足纯轴向变形条件，在相同谐振频率下，传感器的灵敏度达到最优，使得该传感器芯片具有良好的性能指标；第三质量块和第四质量块的内侧连接部分设置为相匹配啮合的结构，增加二者之间连接的牢固性；第二敏感梁和第三敏感梁因为一个是直接连接第三质量块和第四质量块的内侧边，另一个是连接的嵌合部分，使得芯片受到Z方向上的加速度时，第二敏感梁和第三敏感梁一个是受到拉伸力，一个是受到压缩力，进而组成惠斯通全桥，通过该结构使得在一个结构内即可组成惠斯通全桥，即简化了结构，又提高了输出灵敏度，灵敏度相较于传统的半桥设计提高了一倍；该传感器芯片可以实现100g以下三轴加速度的分离测量。

进一步的，第二支撑梁上设置在第三质量块或第四质量块Z方向的中心线处，使得第三质量块或第四质量块和芯片外框之间能够均匀的受到支撑梁的连接力；第二支撑梁上设置有蛇形梁，蛇形梁为迂回型结构，蛇形梁能够引出导线且不增加支撑梁刚度；当芯片受到Z方向的加速度时，特有的迂回型质量块端部结构能够减少Z测量单元在受到Z方向加速度时，减少芯片外框对第三质量块或第四质量块的限制力，同时蛇形梁设置在支撑梁上，又保证了质量块和芯片外框能够牢固连接，同时使得在Z测量单元上既存在拉伸敏感梁，又存在压缩敏感梁的功能，进而组成惠斯通全桥，来提高输出灵敏度；蛇形梁设置在支撑梁上，又保证了质量块和芯片外框能够牢固连接，进而在提高加速度传感器的灵敏度、降低传感器的交叉灵敏度的同时，保证了质量块和芯片外框的连接力；蛇形梁设置有多个蛇形单元，能够保证金属引线能够均匀分布被引出。

进一步的，Z测量单元中通过设置宽度不同的连接段和凸出端，使得能够形成嵌合结构。

进一步的，两个第二敏感梁设置在靠近边部的位置，提高其灵敏度。

进一步的，X测量单元和Y测量单元中，支撑梁和敏感梁均通过质量块分离设置，支撑梁支撑质量块运动，而应力主要集中于敏感梁，使得敏感梁上的压敏电阻条阻值发生变化，两者各司其职，极大地弱化了灵敏度与谐振频率之间的直接耦合关系；同时由于两质量块的同步运动，与其固定的敏感梁两端也同步运动，从而敏感梁始终满足纯轴向变形条件。

进一步的，对于X测量单元或Y测量单元，铰链梁设置在每一个测量块的中心线上，第一敏感梁相对于铰链梁对称；当收到X方向或Y方向的加速度时，由于两质量块在受到加速度作用时会同步运动，使得与其固定的敏感梁两端在任何时刻的运动相同，敏感梁两端轴向位移相反，而横向位移抵消，且由于敏感梁足够细，两端质量块弯曲对敏感梁的弯矩小到可以忽略，从而敏感梁始终满足纯轴向变形的条件，将敏感梁的应变能集中于轴向变形，大大增加了传感器的灵敏度。

进一步的，质量块上的豁口结构能够增加质量块之间，或质量块和芯片外框之间的距离，延长铰链梁或支撑梁的长度，增强质量块之间或质量块和芯片外框之间的连接力。

本发明还公开了一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片的制备方法，该制备方法，该方法针对特有的纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片的结构，分多步使用了反应离子蚀刻方法、等离子体增强化学的气相沉积法、深反应离子刻蚀方法等方法制备芯片；由于Z单元支撑梁处于芯片厚度方向(方向)中间，对于MEMS工艺的的加工具有很大的挑战性，本发明采用背面双掩膜层，分两步深反应离子刻蚀，刻蚀出背面深度不同的沟槽，使Z支撑梁的下半部分结构和质量块、支撑梁、铰链梁的下半部分结构同时成形，同时正面先刻蚀器件层，再刻蚀埋氧层，最后刻蚀Z轴支撑梁上部的基底层，形成支撑梁的整体结构。

【附图说明】

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1中的A部分放大示意图；

图3为图1中的B部分放大示意图；

图4为图1中的C部分放大示意图；

图5为传感器X、Y方向测量单元的工作原理图；

图6为传感器Z方向测量单元的工作原理图；

图7为传感器芯片的制备结构示意图；

其中，(a)图为步骤1)；(b)图为步骤2)；(c)图为步骤3)；(d)图为步骤4)；(e)图为步骤5)；(f)图为步骤6)；(g)图为步骤7)；(h)图为步骤8)；(i)图为步骤9)；

(j)图为步骤10)；(k)图为步骤11)；(l)图为步骤12)；

图8为传感器芯片的制备结构流程图；

其中：1-第一支撑梁；2-第一测量块；3-铰链梁；4-敏感梁；5-芯片外框；6-第二测量块；7-蛇形梁；8-第二支撑梁；9-热氧二氧化硅层；10-埋氧层；11-器件层；12-衬底硅；13-轻掺杂区；14-光刻胶；15-欧姆接触区；16-金属引线；17-焊盘结构；18-二氧化硅层；19-底层玻璃板；20-Cu/Ar层；21-空槽区域；2-1-第一质量块；2-2第二质量块；2-3-第一豁口；2-4-第二豁口；4-1-第一敏感梁；4-2第二敏感梁；4-3第三敏感梁；6-1-第三质量块；6-2第四质量块；6-3-第一凸起；6-4-第一凹槽；6-5-第二凸起；6-6-第二凹槽；6-3-1-第一连接段；6-3-2-第一凸出端；6-5-1-第二连接段；6-5-2-第二凸出端；6-6-1-前端凹槽；6-6-2-后端凹槽；7-1-蛇形单元；7-2-第一平面；7-3-第二平面；9-1-上表面热氧二氧化硅层；9-2-下表面热氧二氧化硅层。

【具体实施方式】

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明中，对于单独的测量单元，其中心处设定为测量单元的内侧，其外围处设定为外侧，竖向中心线指沿长度方向的中心线，横向中心线垂直于竖向中心线，是沿宽度方向的中心线；参见图1，设定加速度计芯片相邻的两个边，一个沿X方向，另一个沿Y方向，加速度计芯片在XOY平面上，垂直于XOY平面的为Z方向；下述无论哪个测量单元均遵循该规则，不再多做阐述。

参见图1，本发明公开了一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，传感器芯片由SOI硅片制造，传感器由X测量单元、Y测量单元、Z测量单元和芯片外框5组成，每一个测量单元均设置在芯片外框5中，且和芯片外框5固定连接，芯片外框5键合在底层玻璃板19上；Z测量单元的竖向中心线平行于X测量单元的竖向中心线，Y测量单元的竖向中心线垂直于Z测量单元的竖向中心线；Z测量单元的竖向中心线平行于Y方向、Y测量单元的竖向中心线平行于Y方向，整个芯片在XOY平面上，垂直于芯片的方向为Z方向；每一个测量单元均包括各自的质量块、支撑梁和敏感梁，三个测量单元分别用来测量X、Y、Z三个方向的加速度。

参见图1和图2，X测量单元和Y测量单元的结构相同，各自由两个第一测量块2测量块组成，一个测量单元内的两个第一测量块2平行布置，即两个第一测量块2的竖向轴线平行，每一个第一测量块2各自和芯片外框5固定连接；每一个第一测量块2包括两个质量块，分别为第一质量块2-1和第二质量块2-2，第一质量块2-1和第二质量块2-2在其竖向中心线与内侧边的相交处设置有第一豁口2-3，在其竖向中心线和外侧边的相交处设置有第二豁口2-4，第一豁口2-3和第二豁口2-4均为矩形结构，第一质量块2-1和第二质量块2-2的第一豁口2-3相对设置，两个第一豁口2-3之间通过铰链梁3连接，使得第一质量块2-1的内侧边和第二质量块2-2的内侧边通过铰链梁3固定连接；沿测量单元的横向，铰链梁3的两端分别位于第一质量块2-1和第二质量块2-2的中心位置；第一质量块2-1和第二质量块2-2除豁口以外的内侧边边部通过第一敏感梁4-1连接，本实施例中，第一豁口2-3的两侧各自设置有一个第一敏感梁4-1，且两个第一敏感梁4-1相对于铰链梁3对称，同时相对于第一测量单元2的竖向中心线对称，第一质量块2-1和第二质量块2-2之间的距离即为第一敏感梁4-1的长度。

第一质量块2-1和第二质量块2-2的外侧分别和芯片外框5通过第一支撑梁1连接，两个第一支撑梁1均在第一测量块2的竖向中心线上，每一个第一支撑梁1的一端和芯片外框5固定连接，另一端固定设置在第一质量块2-1的第二豁口2-4或第二质量块2-2的第二豁口2-4的内端面上。

对于X测量单元两个第一测量块2用于测量X方向的加速度，对于Y测量单元两个第一测量块2用于测量Y方向的加速度；X测量单元或Y测量单元中每一个第一敏感梁4-1上均设置有压敏电阻；X测量单元中的两个第一敏感梁4-1上的压敏电阻通过金属引线16和焊盘连接组成一个半开环惠斯通全桥电路；Y测量单元中的两个第一敏感梁4-1上的压敏电阻通过金属引线16和焊盘连接组成一个半开环惠斯通全桥电路。

参见图3，Z测量单元为一个第二测量块6，第二测量块6包括第三质量块6-1和第四质量块6-2，第三质量块6-1和第四质量块6-2的内侧边通过第二敏感梁4-2和第三敏感梁4-3连接；第三质量块6-1的内侧边上设置有第一凸起6-3和第一凹槽6-4，第一凸起6-3设置在第二测量块6的竖向中心线处，第一凸起6-3包括一体连接的第一连接段6-3-1和第一凸出端6-3-2，所述第一连接段6-3-1将第三质量块6-1的主体部分和第一凸出端6-3-2一体连接起来，第一凸出端6-3-2的宽度大于第一连接段6-3-1的宽度，第一凸出端6-3-2的自身结构和第一连接段6-3-1的自身结构均相对于第二测量块6的竖向中心线对称；第一凸起6-3的两侧和第二测量块6的侧边部之间为两个第一凹槽6-4，两个第一凹槽6-4的结构相同且相对于第二测量块6的竖向中心线对称；第四质量块6-2包括第二凸起6-5和第二凹槽6-6，第二凹槽6-6设置在第二测量块6的竖向中心线处，第二凹槽6-6包括宽度不同且相通的前端凹槽6-6-1和后端凹槽6-6-2，后端凹槽6-6-2内放置有第一凸出端6-3-2，前端凹槽6-6-1内放置有第一连接段6-3-1；第二凹槽6-6的两侧为两个第二凸起6-5，两个第二凸起6-5相对于第二凹槽6-6对称，即相对于第二测量块6的中心线对称，每一个第二凸起6-5包括第二连接段6-5-1和第二凸出端6-5-2，第二凸出端6-5-2的宽度大于第二连接段6-5-1的宽度，第二凸出端6-5-2的外侧边和第二连接段6-5-1的外侧边平齐，因此第二凸出端6-5-2的内侧边相对于第二连接段6-5-1的内侧边向第二测量块6的内部凸出；一个第一凹槽6-4内放置有一个第二凸起6-5。从上述描述可知，第二测量块6的第三质量块6-1和第四质量块6-2在第二测量块6的中心位置为相对匹配啮合状态，即第一凸起6-3和第二凹槽6-6配合啮合，第一凹槽6-4和第二凸起6-5配合啮合。每一个第二凸起6-5向第二测量块6的竖向中心线凸出的部分均和第一凸出端6-3-2通过第三敏感梁4-3连接，因此两个第二凸起6-5各自通过一个第三敏感梁4-3和第一凸出端6-3-2连接，第四质量块6-2内侧边的每一端各自通过一个第二敏感梁4-2和第三质量块6-1内侧边的一端连接；两个第三敏感梁4-3相对于第二测量块6的竖向中心线对称，两个第二敏感梁4-2相对于第二测量块6的竖向中心线对称。

参见图4，第三质量块6-1和第四质量块6-2的外侧分别通过一个第二支撑梁8和芯片外框5连接，第二支撑梁8的平面平行于XY平面，设置第三质量块6-1或第四质量块6-2沿Z方向厚度的中心处；第二支撑梁8上设置有蛇形梁7，蛇形梁7的平面垂直于第二支撑梁8的平面；蛇形梁7的一端和第三质量块6-1或第四质量块6-2的外侧边连接，另一端和芯片外框5连接；蛇形梁7的平面在第三质量块6-1和芯片外框5之间，或者第四质量块6-2和芯片外框5之间迂回布置；所述蛇形梁7包括若干个蛇形单元7-1，蛇形单元7-1沿着X方向排列布置在质量块和芯片外框5之间，每一个蛇形单元7-1包括相互垂直的第一平面7-2和第二平面7-3，第一平面7-2平行于Z测量单元的横向中心线，即X方向，第二平面7-3平行于Z测量单元的竖向中心线，Y方向，每一个第一平面7-2的两端分别连接有一个第二平面7-3；一个蛇形单元7-1内第一平面7-2的长度无要求，可根据实际需求设定；蛇型梁7用于引出导线16且不增加第二支撑梁8的刚度，使得当Z测量单元受到加速度而产生形变时，被蛇形梁7连接的第三质量块6-1外侧和芯片外框5之间能够随着第三质量块6-1变形，同时减少因为和芯片外框5直接连接而增加第三质量块6-1的变形阻力；第四质量块6-2同理。每一个第二敏感梁4-2和第三敏感梁4-3上均固定设置有压敏电阻，Z测量单元上所有的压敏电阻通过金属引线16和焊盘连接，因为在Z测量单元上，在受到Z向加速度时，既有压缩敏感梁，又有拉伸敏感梁，使得敏感梁上的压敏电阻能够形成惠斯通全桥。Z向测量单元上的蛇形梁7使得在实现第二敏感梁4-2纯轴向变形的同时，也实现了在同一结构上既存在拉伸敏感梁，又存在压缩敏感梁的功能，进而在一个结构上组成惠斯通全桥，来提高传感器的输出灵敏度。该传感器芯片可以实现100g以下三轴加速度的分离测量。

该实施例传感器的芯片的尺寸如下所述：

传感器芯片的总体尺寸为：长×宽×厚＝6900μm×6900μm×410μm；

X、Y测量单元中第一支撑梁1的尺寸为：长×宽×厚＝300μm×40μm×410μm；

Z测量单元中第二支撑梁8的尺寸为：长×宽×厚＝1860μm×290μm×70μm；

X、Y测量单元铰链梁尺寸为：长×宽×厚＝500μm×20μm×410μm；

X、Y、Z测量单元敏感梁(包括第一敏感梁4-1、第二敏感梁4-2和第三敏感梁4-3)尺寸：长×宽×厚＝70μm×10μm×5μm；

X、Y测量单元中第一质量块2-1和第二质量块2-2的尺寸为：长×宽×厚＝1530μm×1000μm×410μm；

Z测量单元中第三质量块6-1和第四质量块6-2的尺寸为：长×宽×厚＝2800μm×1860μm×410μm；

引线宽度为：30μm；

焊盘面积为：200μm×200μm。

该传感器芯片的工作原理为：

参照图5所示，由牛顿第二定律F＝ma可得，当传感器芯片受到面内X方向的加速度a_x作用时，X测量单元中的两个第一测量块2中的质量块由于惯性而发生面内移动，引起第一支撑梁1的变形，从而引起第一敏感梁4-1的变形，根据硅的压阻效应，第一敏感梁4-1上的压敏电阻在应力作用下发生阻值变化，其阻值变化率与其所受应力之间的关系如下：

其中：R为压敏电阻的初始阻值；

π为压敏电阻的压阻系数；

σ为压敏电阻的应力；

ΔR为压敏电阻的阻值变化。

此时，同一工作方向上的四个压敏电阻构成的半开环惠斯通全桥失去平衡，输出与外部加速度a_x成正比的电信号，实现对加速度的检测。传感器的灵敏度S与外部加速度a_x的关系如下式：

其中：U_out为惠斯通电桥的输出电压；

E为硅的杨氏模量；

π为压阻系数；

U_apply为惠斯通电桥的供电电压；

ε为压阻微梁的应变；

π₄₄为剪切压阻系数；

l为敏感梁的长度；

Δl——敏感梁的轴向变形；

当传感器芯片受到面内Y方向的加速度a_y作用时，此时Y测量单元中的两个第一测量块2中的第一质量块2-1和第二质量块2-2由于惯性而发生面内移动，传感器芯片的工作原理与灵敏度计算方法与上述传感器芯片受到加速度a_x时相同，这里不再赘述。

参照图6，Z轴的工作原理与X、Y轴的工作原理基本相同，所不同的是当受到Z轴加速度时，第三质量块6-1和第四质量块6-2的内侧通过沿Z方向的上下偏转来使敏感梁发生变形，且由于质量块的迂回式端部，使得中间两组敏感梁与外部两组敏感梁的变形状态相反；当外部两组的第二敏感梁4-2处于压缩状态时，中间两组第三敏感梁4-3处于伸长状态；四组敏感梁通过导线组成惠斯通电桥。

该芯片能够达到的主要技术指标如下所示：

量程：0～100g(三轴加速度)；

灵敏度：≥1.6mV/g/3V；

固有频率：≥10kHz；

工作温度：-40℃～130℃。

本实施例设计出的芯片，其灵敏度和固有频率远高于现有常见的加速度计芯片。

参照图7和图8，图8中框图内的字母代表图7中的顺序，本发明中的芯片的制备方法包括以下步骤：

1)参见图7中的(a)图，选取原材料，使用N型(100)晶面双面抛光SOI硅片，SOI硅片包括从下到上依次堆叠的衬底硅12、埋氧层10和器件层11；底层玻璃板19的材质选用BF33玻璃；清洗SOI硅片，在900℃-1200℃下进行双面热氧化，在硅片的上下表面分别得到一层热氧二氧化硅层9，包括上表面热氧二氧化硅层9-1和下表面热氧二氧化硅层9-2，作为接下来轻掺杂掩膜层，同时提高离子注入均匀性。

2)参见图7中的(b)图，利用轻掺杂版，第一次光刻使上表面热氧二氧化硅层9-1的正面图案化，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺去除正面轻掺杂区13内的热氧二氧化硅层9，其余区域的热氧二氧化硅层9充当掩膜，然后进行硼离子轻掺杂，在器件层11内形成轻掺杂区13，所述轻掺杂区13即为上述的敏感电阻，每一个敏感电阻固定设置在一个敏感梁上，通过该步骤制备出所有敏感梁上的敏感电阻；然后进行再分布的阱推扩散退火过程，保证在整个SOI器件层11中的杂质浓度均匀分布。

3)参见图7中的(c)图，在正面涂覆一层光刻胶14，目的在于保护轻掺杂区13在接下来的重掺杂步骤中不受影响；利用重掺杂版，第二次光刻和反应离子蚀刻(RIE)工艺实现二氧化硅层图案化并去除正面重掺杂区域内的上表面热氧二氧化硅层9-1和光刻胶14，其余区域的光刻胶14充当掩模，然后进行硼离子重掺杂，在器件层11内形成低阻值的欧姆接触区15；进行再分布扩散退火过程，然后进行再分布的阱推扩散退火过程使得敏感电阻和欧姆接触区15的杂质浓度均匀分布，以保证下一步的金属引线16与敏感梁上的压敏电阻之间形成稳定接触。

4)参见图7中的(d)图，在SOI硅片正面整个表面采用物理气相沉积(PVD)技术制作出Ti/Al层，然后利用金属焊盘及导线版进行第三次光刻，之后刻蚀除金属引线外其他区域的金属层，形成金属引线16和焊盘结构17，并在高温下进行合金化过程。

5)参见图7中的(e)图，在SOI硅片背面使用PECVD工艺形成一层二氧化硅层18，所述二氧化硅层18设置在下表面热氧二氧化硅层9-2背面，与此同时下表面热氧二氧化硅层9-2和二氧化硅层18组合作为接下来背面刻蚀的双掩膜层。

6)参见图7中的(f)图，背面第一次刻蚀版，第四次光刻在SOI硅片光刻背面刻蚀区域，使用RIE工艺去除背面深刻蚀区域内的下表面热氧二氧化硅层9-2和二氧化硅层18，其余区域的下表面热氧二氧化硅层9-2和二氧化硅层18作为掩膜；在接下来的刻蚀步骤中为了保证所成型的支撑梁、铰链梁3及质量块具有良好的边沿垂直度和深宽比，使用深反应离子蚀刻技术(Deep Reactive Ion Etching,DRIE)进行刻蚀；通过该步骤刻蚀掉X测量单元中和Y测量单元中的第一支撑梁1和铰链梁3下部的一部分，以及第一质量块2-1和第二质量快2-2下部的一部分。

7)参见图7中的(g)图，背面第二次刻蚀版，第五次光刻在SOI硅片光刻背面刻蚀区域，去除Z测量单元中的第二支撑梁8和蛇形梁7背面刻蚀区域的作为掩膜层的下表面热二氧化硅层9-2和二氧化硅层18，其余区域的掩膜层充当掩膜；该步骤使用DRIE工艺刻蚀衬底硅12，形成第二支撑梁8的下部分、第三质量块6-1和第四质量块6-2的基底层结构、蛇形梁7的下部分、第一支撑梁1的下部分、铰链梁3的下部分、以及以及第一质量块2-1和第二质量快2-2的基底层结构。

8)参见图7中的(h)图，使用运动间隙版图，第六次光刻，对底层玻璃板19进行光刻胶掩膜，并用KOH进行湿法腐蚀，形成空槽区域21，保证加速度传感器在工作状态下能正常运动；所述空槽区域21用于匹配加速度芯片中的支撑梁、铰链梁、敏感梁、质量块区域；在底层玻璃板19中的空槽区域21上溅射Cr/Au层20，以防止静电吸附。

9)参见图7中的(i)图，用RIE工艺对SOI硅片背面作为掩模的下表面热二氧化硅层9-2和二氧化硅层18进行刻蚀，以露出SOI硅片背面的衬底硅12；之后通过阳极键合将芯片中的衬底硅12区域封装在底层玻璃板19上。

10)参见图7中的(j)图，第七次光刻，利用正面第一次刻蚀版，光刻正面刻蚀区域，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺去除正面刻蚀区域内的上表面热氧二氧化硅层9-1，然后涂覆一层光刻胶起到保护金属引线16和焊盘结构17的作用，利用感应耦合等离子(InductivelyCupled Plasma，ICP)刻蚀技术刻蚀至埋氧层10停止，形成第一支撑梁1、铰链梁3、敏感梁4以及所有质量块的上半部分，形成第二支撑梁8，以及蛇形梁7的器件层部分。

11)参见图7中的(k)图，第八次光刻，利用正面第二次刻蚀版，光刻正面第二支撑梁8的区域，使用反应离子蚀刻(RIE)工艺去除第二支撑梁8区域内的埋氧层10，不去除光刻胶，起到保护金属引线和焊盘结构17的作用。在接下来的刻蚀步骤中为了保证所成型的蛇形梁7具有良好的边沿垂直度和深宽比，这里利用深反应离子刻蚀技术(Deep ReactiveIon Etching,DRIE)进行刻蚀，刻蚀掉蛇形梁7上部区域的埋氧层10；至此第二支撑梁8和蛇形梁7的上部分刻蚀完成。

12)参见图7中的(l)图，将已刻蚀完成的SOI硅片正面喷涂光刻胶进行保护，然后第十次光刻，利用正面第三次刻蚀版去除相应埋氧层10区域的光刻胶，然后利用缓冲液HF酸从正面刻蚀埋氧层10，分别利用去离子水与丙酮进行漂洗后自然晾干，最后再将正面的光刻胶去除；

13)为进一步释放、缓解集成传感器芯片在加工过程的残余应力(包括：机械应力、薄膜内应力、热应力等)，采用低温退火工艺进行处理。

所述纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片制备结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，其特征在于，包括：固定设置在芯片外框(5)中的X测量单元、Y测量单元和Z测量单元，三个测量单元通过芯片外框(5)隔离；Z测量单元的竖向中心线平行于X测量单元的竖向中心线，Y测量单元的竖向中心线垂直于Z测量单元的竖向中心线；所述芯片外框(5)键合在底层玻璃板(19)上；Z测量单元包括第三质量块(6-1)和第四质量块(6-2)，第三质量块(6-1)和第四质量块(6-2)的外侧边均通过一个第二支撑梁(8)和芯片外框(5)连接；第三质量块(6-1)的内侧边上设置有第一凸起(6-3)，第一凸起(6-3)的两侧分别设置有一个第一凹槽(6-4)；第四质量块(6-2)的内侧边上设置有第二凹槽(6-6)，第二凹槽(6-6)的两侧分别设置有一个第二凸起(6-5)；第一凸起(6-3)啮合在第二凹槽(6-6)中，每一个第二凸起(6-5)啮合在一个第一凹槽(6-4)中；每一个第二凸起(6-5)通过第三敏感梁(4-3)和第一凸起(6-3)连接；第三质量块(6-1)和第四质量块(6-2)内侧边的两个外端部分别通过一个第二敏感梁(4-2)连接；

第二敏感梁(4-2)和第三敏感梁(4-3)上的压敏电阻通过金属引线(16)连接形成惠斯通全桥。

2.根据权利要求1所述的一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，其特征在于，所述第二支撑梁(8)的平面平行于XY平面，设置在第三质量块(6-1)或第四质量块(6-2)沿Z方向厚度的中心处；第二支撑梁(8)上固定设置有蛇形梁(7)。

3.根据权利要求2所述的一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，其特征在于，所述蛇形梁(7)包括若干个蛇形单元(7-1)；每一个蛇形单元(7-1)固定设置在第三质量块(6-1)和芯片外框(5)之间，或者固定设置在第四质量块(6-2)和芯片外框(5)之间；所述蛇形单元(7-1)包括相互垂直的第一平面(7-2)和第二平面(7-3)，第一平面(7-2)平行于Z测量单元的横向中心线，第二平面(7-3)平行于Z测量单元的竖向中心线，每一个第一平面(7-2)的两端分别连接有一个第二平面(7-3)。

4.根据权利要求1所述的一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，其特征在于，所述第一凸起(6-3)包括一体连接的第一连接段(6-3-1)和第一凸出端(6-3-2)，第一连接段(6-3-1)将第三质量块(6-1)主体和第一凸出端(6-3-2)一体连接，第一凸出端(6-3-2)的宽度大于第一连接段(6-3-1)的宽度；第二凸起(6-5)包括第二连接段(6-5-1)和第二凸出端(6-5-2)，第二连接段(6-5-1)将第四质量块(6-2)主体和第二凸出端(6-5-2)连接，第二凸出端(6-5-2)的宽度大于第二连接段(6-5-1)的宽度；每一个第二凸出端(6-5-2)通过一个第三敏感梁(4-3)和第一凸出端(6-3-2)连接。

5.根据权利要求4所述的一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，其特征在于，两个第二敏感梁(4-2)分别设置在一个第二连接段(6-5-1)的外侧。

6.根据权利要求1所述的一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，其特征在于，X测量单元和Y测量单元的结构相同，各自由两个第一测量块(2)组成，每一个第一测量块(2)内包括第一质量块(2-1)和第二质量块(2-2)，第一质量块(2-1)和第二质量块(2-2)的外侧边均通过一个第一支撑梁(1)和芯片外框(5)连接，第一质量块(2-1)和第二质量块(2-2)的内侧边通过铰链梁(3)和第一敏感梁(4-1)连接；

X测量单元内的第一敏感梁(4-1)上的压敏电阻通过金属引线(16)连接形成惠斯通半桥；Y测量单元内的第一敏感梁(4-1)上的压敏电阻通过金属引线(16)连接形成惠斯通半桥。

7.根据权利要求6所述的一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，其特征在于，第一质量块(2-1)和第二质量块(2-2)的内侧边均设置有第一豁口(2-3)，两个第一豁口(2-3)相对于第一测量块(2)的横向中心线对称设置；铰链梁(3)的两端分别和两个第一豁口(2-3)的内端面固定连接；铰链梁(3)设置在第一测量块(2)的竖向中心线上。

8.根据权利要求6所述的一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，其特征在于，第一质量块(2-1)和第二质量块(2-2)的内侧边通过两个第一敏感梁(4-1)连接，两个第一敏感梁(4-1)分别设置在第一豁口(2-3)的两侧，两个第一敏感梁(4-1)相对于铰链梁(3)对称。

9.根据权利要求6所述的一种纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片，其特征在于，第一质量块(2-1)和第二质量块(2-2)的外侧均设置有第二豁口(2-4)；每一个第一支撑梁(1)的一端和芯片外框(5)固定连接，另一端和第二豁口(2-4)的内端面固定连接；第一支撑梁(1)设置在第一测量块(2)的竖向中心线上。

10.一种权利要求1所述的纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对SOI硅片进行双面热氧化，在SOI硅片的上表面和下表面分别形成一层热氧二氧化硅层(9)，分别为上表面热氧二氧化硅层(9-1)和下表面热氧二氧化硅层(9-2)；

2)利用轻掺杂版，通过光刻和反应离子蚀刻方法去除SOI硅片上表面的轻掺杂区域内的上表面热氧二氧化硅层(9-1)，在轻掺杂区域内掺杂硼离子后，形成轻掺杂区(13)；

3)利用重掺杂版，通过光刻和反应离子蚀刻方法去除重掺杂区域内的上表面热氧二氧化硅层(9-1)，在重掺杂区域内进行重掺杂，形成欧姆接触区(15)；

4)在SOI硅片正面通过物理气象沉积方法沉积Ti/Al层，通过金属焊盘和导线版进行光刻，形成金属引线(16)和焊盘结构(17)；

5)在下表面热氧二氧化硅层(9-2)的背面通过气相沉积法沉积一层二氧化硅层(18)，下表面热氧二氧化硅层(9-2)和二氧化硅层(18)形成双掩膜层；

6)通过反应离子蚀刻方法去除SOI硅片背面深刻蚀区域内的双掩膜层，使得SOI硅片深刻蚀区域内的衬底硅(12)裸露；通过深反应离子刻蚀方法刻蚀衬底硅(12)，刻蚀掉X测量单元和Y测量单元中第一支撑梁(1)和铰链梁(3)下部的一部分，以及第一质量块(2-1)和第二质量块(2-2)下部的一部分；

7)通过光刻去除Z测量单元中第二支撑梁(8)和蛇形梁(7)背面刻蚀区域的双掩膜层；通过深反应离子刻蚀方法继续刻蚀，形成第二支撑梁(8)的下部分、蛇形梁(7)的下部分、第一支撑梁(1)的下部分、铰链梁(3)的下部分以及所有质量块的基底层结构；

8)通过运动间隙版图，对底层玻璃板(19)进行光刻胶掩膜，通过KOH进行湿法腐蚀，在底层玻璃板(19)上形成空槽区域(21)；

9)通过深反应离子刻蚀方法对SOI硅片背面剩余的双掩膜层进行刻蚀，使得SOI硅片的衬底硅(12)裸露；通过阳极键合将衬底硅(12)区域封装在底层玻璃板(19)上；

10)通过反应离子蚀刻方法刻蚀去除SOI硅片的上表面热氧二氧化硅层(9-1)，涂覆一层光刻胶，然后通过感应耦合等离子刻蚀方法刻蚀至埋氧层(10)停止，形成第一支撑梁(1)、铰链梁(3)、敏感梁(4)以及所有质量块的上部分，形成第二支撑梁(8)，以及蛇形梁(7)的器件层部分；

11)通过反应离子蚀刻方法去除第二支撑梁(8)上表面的器件层和埋氧层(10)，然后通过反应深离子刻蚀方法刻蚀掉蛇形梁(7)上部区域的器件层和埋氧层(10)，第二支撑梁(8)和蛇形梁(7)的上部分刻蚀完成；

12)将已刻蚀完成的SOI硅片正面喷涂光刻胶进行保护，去除相应埋氧层(10)区域的光刻胶，然后利用缓冲液刻蚀SOI硅片正面剩余的埋氧层(10)，清洗SOI硅片正面后自然晾干，最后再将SOI硅片正面的光刻胶去除；

13)采用低温退火工艺处理SOI硅片，纯轴向变形的MEMS三轴压阻式加速度计芯片制作完成。

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