一种十字变形梁结构的高g值加速度计芯片及其制备方法与流程

本发明属于微型机械电子系统加速度计量技术领域，具体涉及一种十字变形梁结构的高g值加速度计芯片及其制备方法。

背景技术：

侵彻武器在进攻地面目标时的速度一般在每秒几千米，其侵彻过程产生的加速度可以达到2万g以上，甚至可以达到几十万g，在如此苛刻的环境下，必须保证加速度计能够抵抗高冲击，并且准确识别整个侵彻过程，这就对加速度计提出了高过载、高响应速度等要求。

目前高g值加速度计的信号转换方式有多种，最常用且工艺比较成熟的敏感方式有：压阻式、压电式和电容式。压电式加速度计具有动态范围大、频响宽、受外界影响小、不需要外界电源等特点，其商业化使用历史长，是应用最广泛的加速度测量方式，但与压阻式和电容式相比，最大的缺点是灵敏度低且不能零频率测量加速度。电容式加速度计与其他类型的加速度相比，具有灵敏度高、零频响应、受温度影响小等特点，其不足之处在于其线性度较差、测量范围小、成本高，而且受电缆电容的影响较大，需要后续电路来改善，通用性较差，因此多用于低频测量。压阻式加速度计具有灵敏度高、测量范围大、线性度好、处理电路简单等特点，芯片的设计具有很大的灵活性，大批量使用的压阻式加速度计因其成本低具有很大的市场竞争力。

目前国内对于高g值加速度计的测量范围多在10万g以下，量程在10万g以上的加速度计还没有工程应用，而10万g以上的加速度计才能满足硬目标侵彻引信的测量要求，因此，研究具有10万g以上高量程的加速度计具有重大的意义。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明目的在于提供一种十字变形梁结构的高g值加速度计芯片及其制备方法，将压阻式敏感方式和十字梁变形结构相结合，极大的提高了传感器的量程、频响、灵敏度以及过载能力，其设计量程可达15万g。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种十字变形梁结构的高g值加速度计芯片，包括硅基底1，硅基底1下方设有玻璃衬底2，硅基底1上面中心设有十字变形梁4，十字变形梁4和硅基底1之间设有梁释放孔3，十字变形梁4的四条固支端宽度小于其中间部分宽度，十字变形梁4的两条相对固支端上分别设置有两条压敏电阻5，四条压敏电阻5的两端布置有重掺杂的欧姆接触区6，欧姆接触区6通过金属引线7和金属焊盘8连接；

所述的十字变形梁4的一条固支端设有第一压敏电阻5-1和第二压敏电阻5-2，另一条固支端设有第三压敏电阻5-3、第四压敏电阻5-4，第一压敏电阻5-1和第四压敏电阻5-4布置方向沿着[011]晶向，第二压敏电阻5-2和第三压敏电阻5-3布置方向沿着晶向，第一压敏电阻5-1、第二压敏电阻5-2、第三压敏电阻5-3和第四压敏电阻5-4连接构成惠斯通电桥，从而输出信号。

通过改变十字变形梁4的宽度和厚度能够协调改善加速度计芯片的固有频率、刚度和灵敏度。

所述的硅基底1采用双抛氧化硅片。

所述的玻璃衬底2采用Pyrex7740玻璃。

所述的十字变形梁4的固支端宽度为400μm，中间部分宽度为600μm，长度为1000μm，厚度为100μm。

一种十字变形梁结构的高g值加速度计芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)使用氧等离子体去胶机清洗硅片表面，硅片表面为n型(100)晶面；

2)利用p-压阻条板光刻显影压敏电阻图形，湿法腐蚀二氧化硅，获得压敏电阻区域裸露的单晶硅，进行硼离子轻掺杂的离子注入；

3)利用p+重掺杂板光刻显影重掺杂区域图形，湿法腐蚀二氧化硅，获得重掺杂区域裸露的单晶硅，进行硼离子重掺杂的离子注入，然后退火实现注入硼离子的电激活；

4)采用PECVD技术在硅片的正面沉积一层二氧化硅，在硅片的背面先沉积一层二氧化硅，再沉积一层氮化硅；

5)利用背腔腐蚀板光刻显影硅片背面，获得背腔腐蚀的图案，ICP干法刻蚀背腔的氮化硅和二氧化硅，然后保护正面对背腔进行湿法腐蚀；

6)采用ICP干法刻蚀背面的氮化硅，然后湿法腐蚀背面的二氧化硅，用氢氟酸清洗硅片背面，然后采用阳极键合工艺使硅片背面和玻璃衬底键合在一起；

7)利用引线孔板光刻显影正面的引线孔图形，然后湿法腐蚀引线孔上层二氧化硅；

8)利用金属引线板光刻显影正面的引线图案，采用磁控溅射技术在硅片正面溅射金属，剥离得到金属引线和金属焊盘，金属化处理降低欧姆接触区和金属引线的接触电阻；

9)采用磁控溅射技术在硅片正面溅射一层铝层，利用刻蚀穿通板光刻显影得到刻蚀穿通图形，湿法腐蚀刻蚀穿通区域上层的铝层，然后ICP干法刻蚀硅片正面，穿通释放得到十字变形梁。

所述的步骤2)中离子注入浓度为3×10¹⁴cm^-2,四条压敏电阻的方向两条沿着[011]晶向，两条沿着晶向。

所述的步骤3)中离子注入浓度为1×10¹⁵cm^-2，退火工艺采用快速热退火工艺，温度为950℃，时间为120秒。

所述的步骤5)中保护正面选用4英寸硅片湿法腐蚀夹具保护正面，腐蚀溶液为质量分数33％的氢氧化钾溶液，温度85℃，时间160分钟。

所述的步骤8)中溅射金属依次为钛、氮化钛、铂、金，厚度分别为50nm、50nm、100nm、200nm，金属化处理温度为560℃，时间为30分钟。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的加速度计芯片测量加速度的方向垂直于芯片表面，采用四端固支的十字变形梁，可以显著提高加速度计芯片的固有频率和抗冲击性能，减小传感器的横向灵敏度。

(2)本发明的加速度计芯片可以通过干法刻蚀工艺制备不同宽度的十字变形梁，同时背腔采用湿法腐蚀工艺可以制备不同厚度的十字变形梁，通过改变十字变形梁的宽度和厚度可以协调改善加速度计芯片的固有频率、刚度和灵敏度，解决加速度传感器固有频率和灵敏度的矛盾关系。

(3)本发明的加速度计芯片十字变形梁末端布置的压敏电阻构成惠斯通电桥，可以提高传感器的灵敏度。

(4)本发明的加速度计芯片采用钛、氮化钛、铂、金四层金属引线结构，可以显著改善压阻和引线的欧姆接触特性，阻止高温下金的扩散，改善金属引线的耐高温性能。

附图说明

图1(a)为本发明的俯视图；图1(b)为本发明的截面图。

图2为本发明的压敏电阻分布示意图。

图3为本发明的惠斯通电桥原理图。

图4为本发明的工作原理图。

图5为本发明的加工工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

参照图1(a)和图1(b)，一种十字变形梁结构的高g值加速度计芯片，包括硅基底1，硅基底1采用双抛氧化硅片，硅基底1下方设有玻璃衬底2，玻璃衬底2采用Pyrex7740玻璃，硅基底1上面中心设有十字变形梁4，十字变形梁4和硅基底1之间设有梁释放孔3，十字变形梁4的四条固支端宽度小于其中间部分宽度，十字变形梁4的两条相对固支端上分别设置有两条压敏电阻5，四条压敏电阻5的两端布置有重掺杂的欧姆接触区6，欧姆接触区6通过金属引线7和金属焊盘8连接。

参照图2，所述的十字变形梁4的一条固支端设有第一压敏电阻5-1和第二压敏电阻5-2，另一条固支端设有第三压敏电阻5-3、第四压敏电阻5-4，第一压敏电阻5-1和第四压敏电阻5-4布置方向沿着[011]晶向，第二压敏电阻5-2和第三压敏电阻5-3布置方向沿着晶向，在受到加速度作用时，十字变形梁4产生变形，第一压敏电阻5-1和第四压敏电阻5-4阻值减小，第二压敏电阻5-2和第三压敏电阻5-3阻值增大，第一压敏电阻5-1、第二压敏电阻5-2、第三压敏电阻5-3和第四压敏电阻5-4连接构成图3所示的惠斯通电桥，从而输出信号；参照图4，工作时，所测加速度方向垂直于十字变形梁4。

通过减小十字变形梁4的厚度，能够进一步提加速度计芯片的灵敏度。

参照图5，一种十字变形梁结构的高g值加速度计芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)使用氧等离子体去胶机清洗硅片，清洗功率为350W，时间为300s，硅片类型为n型(100)双抛氧化硅片，硅片包括上层二氧化硅层9、中间硅层10和下层二氧化硅层11；

2)利用p-压阻条板光刻显影压敏电阻图形，湿法腐蚀压敏电阻区域的上层二氧化硅层9，获得压敏电阻区域裸露的中间硅层10，进行硼离子轻掺杂的离子注入，注入浓度为3×10¹⁴cm^-2，获得压敏电阻5的压敏电阻图形；

3)利用p+重掺杂板光刻显影重掺杂区域图形，湿法腐蚀欧姆接触区的上层二氧化硅层9，获得欧姆接触区域裸露的中间硅层10，进行硼离子重掺杂的离子注入，注入浓度为1×10¹⁵cm^-2，获得欧姆接触区6的欧姆接触图形，保证压敏电阻5与金属引线7形成良好的欧姆接触连接，采用RTP快速退火工艺对硅片退火，实现硼离子的电激活，退火温度为950℃，时间为120秒；

4)采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在硅片正面沉积正面二氧化硅层12，厚度为200nm，在硅片背面沉积背面二氧化硅层13和氮化硅层14，厚度均为200nm，沉积温度均为350℃；

5)用背腔腐蚀板光刻显影硅片背面，获得背腔腐蚀的图案，采用电感耦合等离子体刻蚀技术(ICP)刻蚀背腔腐蚀区域的氮化硅层14、背面二氧化硅层13和下层二氧化硅层11，获得背腔腐蚀区域裸露的中间硅层10，利用4英寸硅片湿法腐蚀夹具保护正面，并以剩余部分的氮化硅层14作为掩蔽，湿法腐蚀背腔腐蚀区域的中间硅层10，获得芯片背腔15，腐蚀溶液为质量分数33％的氢氧化钾溶液，腐蚀温度为85℃，时间160分钟；

6)采用电感耦合等离子体刻蚀技术(ICP)刻蚀背面的氮化硅层14，湿法腐蚀背面的背面二氧化硅层13和下层二氧化硅层11，然后用体积分数为40％的氢氟酸溶液处理硅片背面得到背面干净的中间硅层10，采用阳极键合工艺键合中间硅层10下表面和玻璃衬底2，玻璃衬底2采用Pyrex7740玻璃；

7)利用引线孔板光刻显影正面的引线孔图形，湿法腐蚀正面引线孔图形上的上层二氧化硅层12，获得引线孔区域裸露的中间硅层10；

8)用金属引线板光刻显影正面的引线图案，采用磁控溅射技术在硅片正面溅射金属钛、氮化钛、铂、金，厚度分别为50nm、50nm、100nm、200nm，剥离得到金属引线7和金属焊盘8，金属化处理降低欧姆接触区6和金属引线7之间的接触电阻，金属化处理温度为560℃，时间为30分钟；

9)采用磁控溅射技术在硅片正面溅射铝层，厚度为300nm，利用刻蚀穿通板光刻显影得到刻蚀穿通图形，湿法腐蚀刻蚀穿通区域上层的铝层，采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀硅片正面刻蚀穿通区域的正面二氧化硅层12、上层二氧化硅层9、中间硅层10，完全刻通释放得到十字变形梁4。

所述的一种十字变形梁结构的高g值加速度计芯片整体尺寸为3mm×3mm×1mm；所述的十字变形梁4的固支端宽度为400μm，中间部分宽度为600μm，长度为1000μm，厚度为100μm；压敏电阻5条采用多折形结构，宽度为10μm。

本发明芯片的工作原理为：

参照图4，当十字变形梁4受到垂直于芯片表面的加速度a时，十字变形梁4在惯性力的作用下发生变形，从而引起压敏电阻5受到轴向拉力和横向拉力，压敏电阻5的阻值发生变化，其中阻值变化与所受应力的关系如下：

式中:ΔR——压敏电阻的电阻变化值；R——压敏电阻的初始值；k——压阻系数；ε——压敏电阻受到的应力

因此，压敏电阻5受到应力作用时，其阻值变化与所受应力大小成正比。

参照图2和图3，当十字变形梁4产生弯曲变形时，第一压敏电阻5-1和第四压敏电阻5-4受到横向拉力引起电阻阻值变小，第二压敏电阻5-2和第三压敏电阻5-3受到轴向拉力引起电阻阻值变大，压敏电阻5的变化使惠斯通电桥失去平衡，根据惠斯通电桥工作原理，其输出信号变化与各桥路电阻变化关系如下：

式中：R1、R2、R3、R4——各桥路电阻阻值初始值；ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4——各桥路电阻阻值变化值；Us——输入电压；U0——输出电压；

上式表明，电压输出信号U0与压敏电阻5阻值变化量成正比，即电压输出信号U0与加速度芯片受到的垂直于芯片表面的加速度a成线性关系，实现对加速度的测量。

与现有技术相比，本发明的加速度芯片在工作时，十字变形梁4平面垂直于加速度方向，将加速度转化为梁的纵向应力，压敏电阻5布置在十字变形梁4的根部保证传感器的高灵敏度，十字变形梁4的固支端宽度小于其中间部分宽度，进而保证了传感器具有较高的固有频率和测量范围，通过减小十字变形梁4的厚度，进一步提高加速度计芯片的灵敏度，因此具有十字变形梁4的加速度芯片可以适应较高g值的加速度测量。

因此，本发明十字变形梁结构的加速度计具有较高的固有频率和灵敏度，解决了在高g值加速度(超过15万g)测量环境下对于芯片具有高量程和抗冲击性能的要求。

以上所述仅为本发明的一种优选实施方案，不是全部或唯一的方案，本领域技术人员通过阅读本发明说明而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。