一种三轴电容式mems加速度传感器及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器制备技术领域，尤其涉及一种基于SOI技术的、可应用于军工领域、汽车工业和其他消费类电子产品中的三轴式加速度传感器，具体为一种三轴电容式MEMS加速度传感器及制备方法。其技术方案对三轴加速度的检测。
【背景技术】
[0002]MEMS是未来武器的精华部分、是未来军用武器装备中的支撑技术和关键技术，国外已抢先将MEMS传感器应用于导弹和导弹发射系统、智能武器系统中。美国国防部高级研宄计划局(DARPA)把MEMS技术确认为美国急需发展的新兴技术，正在重点推进MEMS传感器的研宄计划。
[0003]MEMS惯性器件可以为制导导弹提供一种经济的制导系统，采用MEMS惯性系统可以使导弹的可靠性、性能及服务时间提高5~10倍，哑弹的数量级减少一个数量级，应用于灵巧弹头和钻地弹头中的MEMS惯性传感器，其抗震能力足以使其能够做到弹头钻入地下后，仍能对其进行制导、控制并引爆。
[0004]MEMS加速度计是惯性传感器系列产品的基础元器件，需要专用的MEMS加工技术，具有较高技术门槛。目前欧美和日本企业基本垄断了全球的高端加速度计器件市场。又由于加速度计可用于军事和航空航天等工业，西方国家一直禁止此类技术对中国出口。发展自主知识产权的MEMS传感器，推进MEMS传感器技术在军事领域的迅速应用，是保持军队技术优势、维护国家安全的重要战略。
[0005]本发明利用SOI技术，采用同一加速度敏感质量块单元来分别检测X、Y和Z三个轴向的加速度，该三轴MEMS加速度传感器的制备工艺方面简单，能和加速度传感器的信号检测电路集成在同一芯片上，具有长期稳定性和较好的可靠性，能满足特种领域对加速度检测的需求，为实现高精度MEMS加速度传感器的国产化奠定基础，打破欧美国家在这一领域的技术垄断和禁运。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种基于SOI硅基片的三轴电容式MEMS加速度传感器，采用一个加速度敏感质量块单元，对三轴加速度的检测相互间无交叉干扰，可与信号检测电路实现单片集成。本发明具体如下:
一种三轴电容式MEMS加速度传感器，包括SOI硅基片、加速度敏感质量块单元和玻璃基片。所述加速度敏感质量块单元由水平轴向检测单元和平行板检测单元两部分构成。在SOI硅基片的正面设有水平轴向检测单元。所述水平轴向检测单元为定齿偏置式电容传感器，由平轴向检测单元检测并反馈X轴向的电容信号和Y轴向的电容信号。在SOI硅基片的背面设有凹槽。在凹槽中设有平行板检测单元。在凹槽的底部设有连通孔，由该连通孔导通SOI硅基片的正面与凹槽底面，所述连通孔与SOI硅基片的正面相互垂直。所述平行板检测单元经连通孔与水平轴向检测单元固定连接。在SOI硅基片的背面固定连接有玻璃基，即平行板检测单元封装在SOI硅基片背面的凹槽中，且可沿着SOI硅基片上连通孔的方向滑动，检测并反馈Z轴向的电容信号。
[0007]三轴电容式MEMS加速度传感器的制备方法，按如下步骤进行:
步骤1.备片:准备一块双面抛光SOI硅基片，所述SOI硅基片由依次连接的上硅层、二氧化硅层302和下硅层201组成。
[0008]步骤2.进行第一次光刻:在SOI硅基片的下层硅201的背面沉积一层铝作为深硅刻蚀的掩膜板，随后旋涂正胶，对本步骤所旋涂的光刻胶层进行光刻，刻蚀本步骤所沉积的铝层、露出光刻区域的下层硅201。随后，刻蚀下层硅201，在下层硅201的背面形成浅槽。所述浅槽区域为待刻蚀成为凹槽侧可动质量块202的下硅层201区域。
[0009]步骤3.进行第二次光刻:第二次在SOI硅基片的下层硅201的背面再沉积一层铝作为第二次深硅刻蚀的掩膜板，随后再次旋涂正胶，对本步骤所旋涂的光刻胶层进行光刻，刻蚀本步骤所沉积的铝层、对浅槽四周的下层硅201进行刻蚀，形成背面深槽，所述背面深槽内刻蚀形成凹槽侧可动质量块202和两个平行板下差分电容203结构。本步骤中的凹槽侧可动质量块202和平行板下差分电容203的内侧端面均与二氧化硅层302相连接。去除本步骤中在下层硅201背面沉积的起掩膜作用的铝掩膜层。
[0010]步骤4.硅-玻键合:利用键合技术，将下层硅201的底面、平行板下差分电容203的外侧端面与玻璃片400键合在一起。其中，玻璃片400的内侧表面上设有纳米吸气剂。通过纳米吸气剂实现下层硅201与玻璃片400之间毫托量级的高真空封装。所述纳米吸气剂为二氧化钛T12纳米管阵列。
[0011]步骤5.进行第三次光刻:在SOI硅基片的上层硅的表面沉积一层铝作为上层深硅刻蚀时的掩膜板、随后涂正胶，对本步骤所形成的光刻胶层进行光刻，刻蚀本步骤中的铝层、然后依次刻蚀上层硅和埋氧层的二氧化硅302，形成贯穿上层硅和二氧化硅层302的敏感质量块的连通孔114和下差分电容的连通孔111。其中，敏感质量块的连通孔114与凹槽侧可动质量块202相对应，下差分电容的连通孔111与平行板下差分电容203相对应。
[0012]步骤6.沉积高掺杂的多晶硅:将敏感质量块的连通孔114和下差分电容的连通孔111分别由高掺杂的多晶硅填充满，实现上层硅和下层硅201的互连，通过化学机械抛光去除并平坦化上层硅表面的多晶硅层。随后，再去除上层硅表面的铝掩膜，使得朝向上层硅一侧的敏感质量块的连通孔114和下差分电容的连通孔111处的多晶硅层的端部外露出来，并分别形成凸起，所述凸起的高度与本步骤中所除去的铝掩膜的厚度相等。其中，填充在敏感质量块的连通孔114的高掺杂的多晶硅记为敏感质量块连通件402，填充在下差分电容的连通孔111的高掺杂的多晶硅记为下差分电容连通件401。
[0013]步骤7.进行第四次光刻:在上层硅的表面淀积一层金属铝，然后在金属铝层的表面旋涂正胶，利用第四块掩模板对光刻胶进行光刻，对所述的金属铝层进行刻蚀，分别形成顶部敏感质量块的金属压焊块102、平行板上电极的金属压焊块104、X轴向锚固块的金属压焊块106、Y轴向锚固块的金属压焊块108和下差分电容的金属压焊块110。
[0014]步骤8.进行第五次光刻:在完成步骤7的SOI硅基片的上层硅的表面积氧化层作为上层硅结构层刻蚀的掩膜板，随后涂正胶并刻蚀氧化层，然后对上层硅刻蚀，分别形成平行板上差分电容113、可动平行板电容上电极112。X轴向固定梳齿115、X轴向可动梳齿116、Y轴向固定梳齿117、Y轴向可动梳齿118、L型支撑弹簧梁119、顶部敏感质量块120、顶部敏感质量块X轴向凸块121、顶部敏感质量块Y轴向连杆122、顶部敏感质量块锚固块101、平行板上电极的锚固块103、X轴向锚固块105、Y轴向锚固块107和下差分电容的锚固块109。与此同时，在水平轴向检测单元上刻蚀形成结构释放孔301。
[0015]步骤9.结构释放，获得成品:利用腐蚀液对上硅层进行垂直刻蚀，将未被顶部敏感质量块120、顶部敏感质量块X轴向凸块121和顶部敏感质量块Y轴向连杆122、顶部敏感质量块锚固块101、平行板上电极的锚固块103、X轴向锚固块105、Y轴向锚固块107和下差分电容的锚固块109覆盖保护的二氧化硅层302刻蚀掉，同时刻蚀去除在步骤8中制作的起掩膜板作用的氧化层，实现结构释放，并形成下硅层201中凹槽的制作，完成本三轴电容式MEMS加速度传感器的制备。
[0016]本发明的有益技术效果是
本发明所述的三轴电容式MEMS加速度传感器利用SOI硅基优良的特性，其对各轴向的加速度敏感使用了同一个加速度敏感质量块单元，X、Y轴向加速度的检测单元采用差分电容定齿偏置式，Z轴向加速度的检测单元平行板差分电容式，实现对三轴加速度的无交叉干扰检测，并具有抗辐射独特优越性。
[0017]本发明所述的三轴电容式MEMS加速度传感器的制备方法，其制备工艺简单且一致性和重复性好。
[0018]采用本结构的传感器与其信号检测电路可实现单片集成制造，大大减小了芯片面积，具有较高的检测灵敏度、可靠性和稳定性。
【附图说明】
[0019]图1是本发明所述三轴电容式MEMS加速度传感器的俯视图。
[0020]图2是图1所示结构移去玻璃基片的仰视图。
[0021]图3是图1中A区域结构关系的立体示意图。
[0022]图4是图1中B区域结构关系的立体示意图。
[0023]图5是图1中C区域结构关系的立体示意图。
[0024]图6是图1中D区域结构关系的立体示意图。
[0025]图7是图1中E区域结构关系的立体示意图。
[0026]图8是步骤I所用SOI硅基片的侧视图。
[0027]图9是图8所示的SOI硅基片在完成步骤2后横向剖视图。
[0028]图10是图9所示的结构完成步骤3后的剖视图。
[0029]图11是图10所示的结构完成步骤4后的剖视图。
[0030]图12是图11所示的结构完成步骤5后的剖视图。
[0031]图13是图11所示的结构完成步骤6后的剖视图。
[0032]图14是图11所示的结构完成步骤7后的剖视图。
[0033]图15是按本发明方法制备图11所示的结构的原理结构图。
[0034]图中的序号为:顶部敏感质量块锚固块101、顶部敏感质量块的金属压焊块102、平行板上电极的锚固块103、平行板上电极的金属压焊块104、X轴向锚固块105、X轴