一种高灵敏度三轴mems加速度计及其制造工艺的制作方法
【专利摘要】一种高灵敏度三轴MEMS加速度计，包括：测量体、与所述测量体相连接的上盖板硅片以及下盖板硅片；所述测量体为两层结构，每层包括外框架、内框架以及质量块；所述外框架与所述内框架之间通过第一弹性梁相连接；所述质量块与所述内框架通过第二弹性梁相连接，所述质量块与所述内框架之间设置有梳状耦合结构，其中上层测量体的梳状耦合结构走向与下层测量体的梳状耦合结构走向在投影平面上相互垂直，所述上层测量体与所述下层测量体分别测量两个相互垂直方向上的加速度，所述上层测量体及下层测量体通过所述内框架形成在第三个方向上运动的整体，并通过测量与上下盖板之间电容的改变测量第三个方向上的加速度。本发明能够实现三轴同时检测，精度高，稳定性好。
【专利说明】一种高灵敏度三轴MEMS加速度计及其制造工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种加速度计
【背景技术】
[0002]现今，加速度计可适用于诸多应用，例如在测量地震的强度并收集数据、检测汽车碰撞时的撞击强度、以及在手机及游戏机中检测出倾斜的角度和方向。而在微电子机械系统(MEMS)技术不断进步的情况下，许多纳米级的小型加速度测量仪已经被商业化广泛采用。
[0003]常用的MEMS的加速度计分压阻式和电容式两种，压阻式加速度计例如申请号为200480003916.7、
【公开日】为2006年3月15日的中国发明专利申请。压阻式加速度计一般有悬臂梁及质量块构成，并将力敏电阻设置在悬臂梁上。质量块会因加速度而运动，使得悬臂梁变形，从而引起电阻值的变化。但在没有加速度或者加速度幅度比较微小的情况下，悬臂梁不会产生巨大变形。使得电阻值没有显著变化。只有当加速度的幅度大至悬臂梁产生变形时，该加速度计才能检测到加速度。为此，该加速度计有测量不准、精确度不高等缺点。
[0004]电容式加速度计例如美国专利号US6805008、
【公开日】为2004年10月19日的美国专利，电容式加速度计也包括悬臂梁及质量块。当有加速度时，加速度计的外框架会向加速度方向运动，而由于惯性的作用，质量块的位移会很小，使得质量块与另一电极间的间隙距离发生变化并导致电容的变化。这两种加速度计都通过微加工工艺制成，具有体积小、造价低等特点。然而，悬臂梁为弹性梁，而且只有四根悬臂梁将质量块的四边与框架相连接。为此，在外框架移动的时候，各个悬臂梁的位移幅度很大。而且各个悬臂梁也不会产生相同的变形及位移。使得这种加速度计的摆动模态振型不太对称。而且这种加速度计仅仅利用垂直方向的电容值的变化来检测加速度。在垂直方向有加速度时，例如物品跌落的情况下，该加速度计的检测准确度较高。但仅在水平方向有加速度时，例如左右晃动的情况下，这种加速度计的检测准确度则有所下降。
[0005]并且，上述两种技术方案主要测量的是单一平面方向上的加速度，若要测量三个方向上的加速度，则需要安装三个加速度计，不仅增加成本，而且需要较高的安装精度。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种具有三轴检测功能、并具有较高的稳定性和可靠性的高灵敏度三轴MEMS加速度计。
[0007]按照本发明提供的一种高灵敏度三轴MEMS加速度计，测量体、与所述测量体相连接的上盖板硅片以及下盖板硅片；所述测量体为两层结构，每层包括外框架、位于所述外框架内的内框架以及与所述内框架相连接的质量块；所述外框架与所述内框架之间通过第一弹性梁相连接；所述质量块与所述内框架通过第二弹性梁相连接，所述质量块与所述内框架之间设置有梳状耦合结构，其中上层测量体的梳状耦合结构走向与下层测量体的梳状耦合结构走向在投影平面上相互垂直，所述上层测量体与所述下层测量体分别测量两个相互垂直方向上的加速度，所述上层测量体、所述下层测量体以及所述内框架形成一整体，并通过所述整体与所述上盖板硅片及所述下盖板硅片之间的电容变化来测量第三个方向上的加速度。
[0008]本发明中的高灵敏度三轴MEMS加速度计还包括如下附属特征:
[0009]所述内框架与所述外框架之间设置有多组所述第一弹性梁；所述第一弹性梁以所述质量块的中线对称设置。
[0010]多组所述第一弹性梁设置在所述外框架和所述内框架之间的间隔空间内，并在所述间隔空间中自由活动。
[0011]每根所述第一弹性梁包括两根Y型弹性梁，每根所述Y型弹性梁包括一根主干部以及两根分支部；所述两根分支部分别与所述内框架以及所述外框架相连接。
[0012]所述两根Y型弹性梁的主干部分的末端设置在所述内框架的端角处，两末端呈直角相连接。
[0013]所述质量块与所述内框架之间形成活动间隙，所述质量块与所述内框架通过多根所述第二弹性梁相连接；所述第二弹性梁分别设置于所述质量块的端角处；并与所述内框架相连接。
[0014]位于所述质量块与所述内框架之间的活动间隙中设置有两组相对的梳状耦合结构，并能够在所述间隔空间内自由活动。
[0015]所述测量体采用包括有上硅层及下硅层的绝缘体上外延硅结构，每层硅层之间分别设置有氧化埋层，所述上硅层的表面形成外延层。
[0016]所述第一弹性梁成型于所述外延层，所述第二弹性梁成型于所述外延层、所述上硅层以及所述氧化埋层，两个质量块之间形成有活动间隙。
[0017]所述测量体、所述上盖板硅片及所述下盖板硅片上分别设置有电极。
[0018]一种高灵敏度三轴MEMS加速度计的制造工艺，所述制造工艺包括以下步骤:
[0019]第一步,在绝缘体上外延娃娃片的上娃层上生长出一层外延层；
[0020]第二步，对所述绝缘体上外延硅硅片的所述上硅层及下硅层的表面上通过高温氧化或化学淀积形成一层二氧化硅层；
[0021]第三步，通过光刻和刻蚀将所述下硅层表面的一部分二氧化硅层去除，并露出部分所述下硅层；
[0022]第四步，在所述二氧化硅层的表面上淀积氮化硅，形成氮化硅层；
[0023]第五步，通过光刻和刻蚀将所述下硅层表面外侧部分的氮化硅层和氧化硅层去除，并露出部分所述下硅层；再通过光刻和刻蚀将下硅层表面的内侧部分的氮化硅层去除，
并露出二氧化娃层；
[0024]第六步，将所述下硅层暴露在外的外侧部分刻蚀至一定深度，形成外框架；
[0025]第七步，通过刻蚀，将暴露在外的内侧部分的所述二氧化硅层去除，并露出所述下娃层;
[0026]第八步，将暴露在外的所述下硅层进一步刻蚀，直至所述下硅层的外侧部分被刻蚀至氧化埋层，从而形成外框架及内框架；
[0027]第九步，通过刻蚀将所述下硅层的外侧部分的氧化埋层去除，并将暴露在外的所述下硅层进一步刻蚀，直至所述下硅层的内侧部分被刻蚀至氧化埋层，从而形成第二弹性梁；
[0028]第十步，去除下硅层表面的氮化硅层，将所述下硅层的外侧部分刻蚀至外延层，从而形成第一弹性梁；同时将所述下硅层的中心部分，即所述质量块腐蚀掉一定厚度，从而形成两层质量块之间的间隔空间；
[0029]第十一步，将所述下硅层表面的二氧化硅层去除，并将两块刻蚀后的绝缘体上外延硅硅片进行背对背硅-硅键合；
[0030]第十二步，通过光刻和深度刻蚀，在两块绝缘体上外延硅硅片的所述上硅层表面的氮化硅层和氧化硅层上刻蚀出上刻蚀出多个深至外延层的孔，并再次对所述孔进行深度刻蚀形成通孔，从而形成自由活动的第一和第二弹性梁；
[0031]第十三步，将键合后的硅片结构表面的氮化硅层及二氧化硅层去除，形成测量体；
[0032]第十四步，将所述测量体与上盖板硅片及下盖板硅片进行键合。
[0033]对所述上盖板硅片及下盖板硅片的加工工艺还包括:
[0034]A、在所述上盖板硅片或下盖板硅片上通过光刻、深度刻蚀及刻蚀形成多个通孔；
[0035]B、在所述上盖板硅片和所述下盖板硅片的键合面上分别通过光刻、深度刻蚀及刻蚀各自形成一个凹陷区；
[0036]C、与所述绝缘体上外延硅硅片键合之前，对所述上盖板硅片及所述下盖板硅片进行清洗；
[0037]D、与所述绝缘体上外延硅硅片键合之后，在所述上盖板硅片、所述下盖板硅片的表面上淀积金属并引出电极，通过所述上盖板硅片或下盖板硅片上的所述通孔在所述绝缘体上外延硅硅片的表面上淀积金属，并通过所述通孔弓I出电极。
[0038]所述深度刻蚀及所述刻蚀的方法为以下方法中的一种或多种方法:干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀包括:硅的深度反应离子刻蚀及反应离子刻蚀。
[0039]所述用于腐蚀硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合:氢氧化钾、四甲基氢氧化氨、乙二胺磷苯二酚或气态的二氟化氙。
[0040]所述用于腐蚀二氧化硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合:缓冲氢氟酸、49%氢氟酸或气态的氟化氢。
[0041]按照本发明所提供的一种高灵敏度三轴MEMS加速度计及其制造工艺具有如下优点:首先，本加速度计可以通过测量在质量块和内框架之间的电容值来检测水平方向的加速度，而在质量块和内框架之间设置多个梳状耦合结构使得检测度更加精准。此外，本加速度计中的质量块很大，并且利用了平板电容的测量技术，具有较高的检测灵敏度。再次，本发明将加速度分解成X，Y,Z三个方向，并通过不同的电容来分别对每个方向进行测量。这样提高检测的灵敏度，也减少了各个检测方向之间的串扰。本发明还采用了全对称的设计，不仅仅更进一步的减少了各个检测方向之间的串扰，还加大了本加速度计的模态隔离比值，也降低了 MEMS芯片的噪音。而将多个质量块通过键合的方式从垂直方向进行集成也减少了加速度计的整体尺寸。而且由于腐蚀工艺及键合工艺较为简单，本产品生产工艺的生产效率极高、成本也较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1为本发明的结构示意图。
[0043]图2为本发明中的测量体的俯视图。
[0044]图3为本发明中双层质量块的立体图。
[0045]图4为本发明中的制造方法的第一步、第二步示意图。
[0046]图5为本发明中的制造方法的第三步、第四步示意图。
[0047]图6为本发明中的制造方法的第五步、第六步示意图。
[0048]图7为本发明中的制造方法的第七步、第八步示意图。
[0049]图8为本发明中的制造方法的第九步、第十步示意图。
[0050]图9为本发明中的制造方法的第i^一步示意图。
[0051]图10为本发明中的制造方法的第十二步示意图。
[0052]图11为本发明中的制造方法的第十三步示意图。
[0053]图12为本发明中的制造方法的第十四步示意图。
【具体实施方式】
[0054]下面结合附图对本发明做进一步的详述:
[0055]参照图1，按照本发明提供的一种高灵敏度三轴MEMS加速度计，包括:测量体1、与所述测量体I相连接的上盖板硅片2以及下盖板硅片3 ;所述测量体1、所述上盖板硅片2及所述下盖板硅片3上分别设置有电极；所述测量体I采用包括有上硅层4及下硅层5的绝缘体上外延硅结构，简称SOI结构。每层硅层之间分别设置有氧化埋层6，所述上硅层4的表面形成外延层7。
[0056]参见图2，所述测量体I包括外框架11、位于所述外框架11内的内框架12以及质量块13 ;所述外框架11和内框架12之间通过第一弹性梁14相连接。外框架11和内框架12之间的间隔空间内设置有多组第一弹性梁14，第一弹性梁14可以在该间隔空间中自由活动。每组第一弹性梁14包括两根Y型弹性梁，每根Y型弹性梁包括一根主干部141以及两根分支部142，两根分支部142分别与内框架12以及外框架11相连接。每组第一弹性梁14均以质量块13的中线对称设置。而两根Y型弹性梁的主干部141设置在内框架12的端角处，并呈直角相连接。
[0057]参见图1至图3，内框架12与质量块13之间通过第二弹性梁15相连接，第二弹性梁15为弹性弯折梁。优选地，所述质量块13为一方形体，所述第二弹性梁15设置在质量块的四个端角处。内框架12和质量块13的两边分别设置有多组相互对应的梳状耦合结构
16。本发明中的所述测量体I为两层结构，每层包括单独的外框架11、内框架12以及质量块
13。每层的内框架12及质量块13在水平方向上设有间隔空间。其中上层测量体的梳状耦合结构16的走向与下层测量体的梳状耦合结构16的走向在投影平面上相互垂直，所述上层测量体与所述下层测量体分别测量两个相互垂直方向上的加速度，例如，上层测量体测量X方向的加速度，下层测量体测量Y方向的加速度。所述上层测量体、下层测量体以及内框架12在第三个方向形成为一个运动的整体，通过测量该整体与上、下盖板硅片之间的电容变化来测量第三个方向上的加速度。在本发明中三轴是指三维空间的X、Y、Z三个方向，其中在上述实施例中，所述上层测量体与所述下层测量体分别测量两个相互垂直方向上的加速度，该两个相互垂直方向是指X和Y方向。而所述上层测量体、所述下层测量体以及内框架在第三个方向形成为一个运动的整体，通过测量该整体与上、下盖板硅片之间的电容变化来测量第三个方向上的加速度，该第三个方向是指Z方向。
[0058]参照图1至图3，本加速度计在封装成芯片后，测量体I与上盖板硅片2以及下盖板硅片3之间形成有电容。每层测量体中的内框架12与质量块13之间通过梳状耦合结构16也形成有电容。根据公式C= εΑ/d，即两片平行的导电片之间的电容量等于介电系数乘以正对面积除以垂直间距。当因垂直方向上的加速度产生位移时，内框架12和质量块13与上盖板硅片2及下盖板硅片3之间的间距会产生变化。为此，测量体I与上盖板硅片2及下盖板硅片3之间的电容量也会产生变化。集成芯片可以通过电容量的变化计算出检测到的垂直加速度。当加速度消失后，第一弹性梁14会回到原有状态，使内框架12和质量块13与上盖板硅片2及下盖板硅片3彼此之间的电容值归于恒定值。在检测水平方向加速度时，质量块13会向加速度方向相对内框架12移动。设置在内框架12和质量块13之间的梳状耦合结构16会产生电容变化。集成芯片可以通过电容量的变化计算出检测到的加速度。当加速度消失后，第二弹性梁15会回到原有状态，使内框架12和质量块13彼此之间的电容值归于恒定值。此外，两层设置有不同方向梳状耦合结构16的内框架12和质量块13，并且两层之间设有间隔空间。该设计将水平方向的加速度分解成X方向和Y方向的加速度，每层的内框架12和质量块13只需检测一个方向的加速度幅度。而垂直方向，SPZ方向的加速度则由内框架12和质量块13与上盖板娃片2和下盖板娃片3之间的电容变化来检测。为此，本加速度计将加速度分解成X，Y, Z三个方向来检测。使得检测准确度更高。将两层内框架12和质量块13间隔开也减少了层与层之间的干扰与噪音。此外，第二弹性梁的厚度较厚，其在垂直方向上的刚度较大，因此在垂直方向上出现加速度时，质量块13在垂直方向上相对内框架的位移幅度较小。同理，第一弹性梁的宽度较宽，其在水平方向上的刚度较大。在水平方向上出现加速度时，内框架12与外框架11之间的水平位移幅度较小。这种弹性梁的设计更进一步的减少了 X，Y，Z三个方向检测加速度时各个方向之间的串扰。
[0059]接着，根据图4至图12来详细说明用于制造本发明中的加速度计的制造工艺，该制造工艺包括以下步骤:
[0060]第一步，在SOI硅片的上硅层4上通过高温化学淀积生长出一层外延层7 ；
[0061 ] 第二步，对SOI硅片的上硅层4和下硅层5进行高温氧化处理，在其表面形成一层二氧化硅层8 ;或者利用化学气态淀积法(CVD)淀积一层二氧化硅层8。
[0062]第三步，对所述SOI硅片的下硅层5上涂覆光阻剂。之后按照特定图案对下硅层5进行曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再利用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸对二氧化硅层8上被曝光的部分进行刻蚀直至露出下硅层5的中央部分。
[0063]第四步，用化学气态淀积法(CVD)在上硅层4和下硅层5的表面淀积一层氮化硅层9。
[0064]第五步，对所述SOI硅片的下硅层5上涂覆光阻剂。之后按照特定图案对下硅层5进行曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再利用反应离子干法刻蚀将下硅层外侧51的氮化硅层9和二氧化硅层8上被曝光的部分进行刻蚀，直至露出外侧的下硅层51。再利用反应离子干法刻蚀下硅层内侧52的氮化硅层9进行刻蚀至二氧化娃层8。
[0065]第六步，利用氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚将下硅层的外侧部分51刻蚀至一定深度。
[0066]第七步，用缓冲氢氟酸、或49%氢氟酸、或气态的氟化氢对下硅层内侧52的二氧化硅层8进行刻蚀，直至露出下硅层5。
[0067]第八步，利用氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚对下硅层的外侧51和内侧52同时进行刻蚀，直至下硅层的外侧51刻蚀至氧化埋层6，从而形成外框架11和内框架12。
[0068]第九步，利用缓冲氢氟酸、或49%氢氟酸、或气态的氟化氢将氧化埋层6去除，并再次用氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚对下硅层的外侧51和内侧52同时进行刻蚀，之后将下硅层5表面的氮化硅层9利用反应离子干法刻蚀去除，从而形成第二弹性梁15。
[0069]第十步，利用氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚对下硅层的外侧51进行刻蚀，直至外延层7。从而形成第一弹性梁14。同时将所述下硅层的中心部分，即质量块13腐蚀掉一定厚度，从而形成每层质量块13之间的间隔空间。
[0070]第H^一步，利用缓冲氢氟酸、或49%氢氟酸、或气态的氟化氢将下硅层5表面的二氧化硅层8去除，并对硅片表面进行清洗；清洗后将两块刻蚀后的SOI硅片进行背对背硅-硅键合。键合之后，两层测量体I的外框架11和内框架12相互连接。而两层质量块13之间有一间隔空隙。
[0071 ] 第十二步，对键合后的所述两块SOI硅片的上硅层4表面上涂覆光阻剂。之后按照特定图案对其表面进行曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再用等离子体刻蚀在键合后的硅片结构的上、下表面的氮化硅层9和二氧化硅层8上刻蚀出多个深至外延层的孔，并再次对所述孔进行深度刻蚀形成通孔。从而形成自由活动的第一和第二弹性梁14、15。
[0072]第十三步，利用缓冲氢氟酸、或49%氢氟酸将键合后的硅片结构的上、下表面的氮化硅层9以及二氧化硅层8去除，从而形成完整的测量体I。
[0073]第十四步，将处理后的SOI硅片与上盖板硅片2和下盖板硅片3与完整的测量体I进行一次性键合。
[0074]按照本发明提供的加速度计的制造工艺中，还进一步包括以下步骤:
[0075]对所述上盖板硅片及下盖板硅片的加工工艺还包括:
[0076]A、在与所述SOI硅片键合之前，在所述上盖板硅片2或下盖板硅片3表面上涂覆光阻剂。之后按照特定图案对其进行曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚将上盖板硅片2或下盖板硅片3被曝光的部分深度刻蚀形成多个通孔。并将光阻剂去除。
[0077]B、在上盖板硅片2和下盖板硅片3的键合面上涂覆光阻剂，之后按照特定图案对其进行曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚，分别将上盖板硅片2和下盖板娃片3被曝光的部分深度刻蚀至一定位置。从而在上盖板娃片2和下盖板娃片3的键合面上各自形成一个凹陷区，并将光阻剂去除。
[0078]C、在与所述SOI硅片键合之前，对上盖板硅片2及下盖板硅片3对进行清洗；
[0079]D、与所述SOI硅片键合之后，在所述上盖板硅片2、所述下盖板硅片3的表面上淀积金属并引出电极，通过所述上盖板硅片2或下盖板硅片上3的所述通孔在所述SOI硅片的表面上淀积金属，并通过所述通孔引出电极。
[0080]其中，本发明中的上述加工工艺中的氮化硅层9和二氧化硅层8起到保护其所覆盖的硅层，使其不被刻蚀或腐蚀。而本发明中的外延层7为掺杂元素量较高的单晶硅层。其作用在于防止氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚进一步对硅层进行刻蚀。
[0081]本发明中所述的深度刻蚀及所述刻蚀的方法为以下方法中的一种或多种方法:干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀包括:硅的深度反应离子刻蚀及反应离子刻蚀。
[0082]本发明中的上述方法中所用的材料、设备、工艺均采用现有技术，但通过利用这些材料及工艺，尤其是利用了 SOI硅片所制造出的加速度计，发生了质的变化，通过在SOI硅片上腐蚀而成的第一弹性梁14、第二弹性梁15以及质量块13形成了高度对称的结构。而且由于腐蚀工艺较为简单，本产品生产工艺的生产效率极高、成本也较低。此外，本发明的几何结构以及受力振型均为全对称结构。使得本加速度计的检测精确度高。在内框架12和质量块13之间设置有多个相对应的梳状耦合结构16也使得本加速度计的检测灵敏度更高。而通过设置两层不同梳状耦合结构16方向的质量块13将一个加速度分解成三个方向(X，Y，Z)的加速度来检测，使得检测的精确度更高。
【权利要求】
1.一种高灵敏度三轴MEMS加速度计，包括:测量体、与所述测量体相连接的上盖板硅片以及下盖板硅片；其特征在于，所述测量体为两层结构，每层包括外框架、位于所述外框架内的内框架以及与所述内框架相连接的质量块；所述外框架与所述内框架之间通过第一弹性梁相连接；所述质量块与所述内框架通过第二弹性梁相连接，所述质量块与所述内框架之间设置有梳状耦合结构，其中上层测量体的梳状耦合结构走向与下层测量体的梳状耦合结构走向在投影平面上相互垂直，所述上层测量体与所述下层测量体分别测量两个相互垂直方向上的加速度；所述上层测量体、所述下层测量体以及所述内框架形成一整体，并通过所述整体与所述上盖板硅片及所述下盖板硅片之间的电容变化来测量第三个方向上的加速度。
2.如权利要求1所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计，其特征在于，所述内框架与所述外框架之间设置有多组所述第一弹性梁；所述第一弹性梁以所述质量块的中线对称设置。
3.如权利要求1所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计，其特征在于，多组所述第一弹性梁设置在所述外框架和所述内框架之间的间隔空间内，并在所述间隔空间中自由活动。
4.如权利要求3所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计，其特征在于，每根所述第一弹性梁包括两根Y型弹性梁，每根所述Y型弹性梁包括一根主干部以及两根分支部；所述两根分支部分别与所述内框架以及所述外框架相连接。
5.如权利要求4所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计，其特征在于，所述两根Y型弹性梁的主干部分的末端设置在所述内框架的端角处，两末端呈直角相连接。
6.如权利要求1所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计，其特征在于，所述质量块与所述内框架之间形成活动间隙，所述质量块与所述内框架通过多根所述第二弹性梁相连接；所述第二弹性梁分别设置于所述质量块的端角处；并与所述内框架相连接。
7.如权利要求6所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计，其特征在于，位于所述质量块与所述内框架之间的活动间隙中设置有两组相对的梳状耦合结构，并能够在所述间隔空间内自由活动。
8.如权利要求1所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计，其特征在于，所述测量体采用包括有上硅层及下硅层的绝缘体上外延硅结构，每层硅层之间分别设置有氧化埋层，所述上娃层的表面形成外延层。
9.如权利要求8所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计，其特征在于，所述第一弹性梁成型于所述外延层，所述第二弹性梁成型于所述外延层、所述上硅层以及所述氧化埋层，两个质量块之间形成有活动间隙。
10.如权利要求1所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计，其特征在于，所述测量体、所述上盖板硅片及所述下盖板硅片上分别设置有电极。
11.一种高灵敏度三轴MEMS加速度计的制造工艺，其特征在于，所述制造工艺包括以下步骤: 第一步，在绝缘体上外延娃娃片的上娃层上生长出一层外延层； 第二步，对所述绝缘体上外延硅硅片的所述上硅层及下硅层的表面上通过高温氧化或化学淀积形成一层二氧化硅层； 第三步，通过光刻和刻蚀将所述下硅层表面的一部分二氧化硅层去除，并露出部分所述下硅层； 第四步，在所述二氧化硅层的表面上淀积氮化硅，形成氮化硅层； 第五步，通过光刻和刻蚀将所述下硅层表面外侧部分的氮化硅层和氧化硅层去除，并露出部分所述下硅层；再通过光刻和刻蚀将下硅层表面的内侧部分的氮化硅层去除，并露出二氧化硅层； 第六步，将所述下硅层暴露在外的外侧部分刻蚀至一定深度，形成外框架； 第七步，通过刻蚀，将暴露在外的内侧部分的所述二氧化硅层去除，并露出所述下硅层； 第八步，将暴露在外的所述下硅层进一步刻蚀，直至所述下硅层的外侧部分被刻蚀至氧化埋层，从而形成外框架及内框架； 第九步，通过刻蚀将所述下硅层的外侧部分的氧化埋层去除，并将暴露在外的所述下硅层进一步刻蚀，直至所述下硅层的内侧部分被刻蚀至氧化埋层，从而形成第二弹性梁；第十步，去除下硅层表面的氮化硅层，将所述下硅层的外侧部分刻蚀至外延层，从而形成第一弹性梁；同时将所述下硅层的中心部分，即所述质量块腐蚀掉一定厚度，从而形成两层质量块之间的间隔空间； 第十一步，将所述下硅层表面的二氧化硅层去除，并将两块刻蚀后的绝缘体上外延硅硅片进行背对背硅-硅键合； 第十二步，通过光刻和深度刻蚀，在两块绝缘体上外延硅硅片的所述上硅层表面的氮化硅层和氧化硅层上刻蚀出多个多个深至外延层的孔，并再次对所述孔进行深度刻蚀形成通孔从而形成自由活动的第一和第二弹性梁； 第十三步，将键合后的硅片结构表面的氮化硅层及二氧化硅层去除，形成测量体； 第十四步，将所述测量体与上盖板硅片及下盖板硅片进行键合。
12.如权利要求11所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计的制造工艺，其特征在于，对所述上盖板硅片及下盖板硅片的加工工艺还包括: A、在所述上盖板硅片或下盖板硅片上通过光刻、深度刻蚀及刻蚀形成多个通孔； B、在所述上盖板硅片和所述下盖板硅片的键合面上分别通过光刻、深度刻蚀及刻蚀各自形成一个凹陷区； C、与所述绝缘体上外延硅硅片键合之前，对所述上盖板硅片及所述下盖板硅片进行清洗； D、与所述绝缘体上外延硅硅片键合之后，在所述上盖板硅片、所述下盖板硅片的表面上淀积金属并引出电极，通过所述上盖板硅片或下盖板硅片上的所述通孔在所述绝缘体上外延硅硅片的表面上淀积金属，并通过所述通孔弓I出电极。
13.根据权利要求11或12所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计的制造工艺，其特征在于，所述深度刻蚀及所述刻蚀的方法为以下方法中的一种或多种方法:干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀包括:硅的深度反应离子刻蚀及反应离子刻蚀。
14.根据权利要求11所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计的制造工艺，其特征在于，所述用于腐蚀硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合:氢氧化钾、四甲基氢氧化氨、乙二胺磷苯二酚或气态的二氟化氙。
15.根据权利要求11所述的高灵敏度三轴MEMS加速度计的制造工艺，其特征在于，所述用于腐蚀二氧化硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合:缓冲氢氟酸、49% 氢氟酸或气态的氟化氢。
【文档编号】B81B7/02GK104166016SQ201310182168
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年5月16日 优先权日:2013年5月16日
【发明者】孙晨, 于连忠 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所