一种MEMS压阻式加速度计及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202410129504.7 | 申请日 | 2024-01-31 | 公开(公告)号 | CN118050540A | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 南京高华科技股份有限公司; | 发明人 | 王德奇; 蒋治国; 董叶飞; 王飞翔; | ||||
| 摘要 | 本公开的 实施例 提供一种MEMS压阻式 加速 度计 及制备方法，加速度计包括：下基底；第一衬底，设置于下基底，第一衬底设置有贯穿其厚度的空腔；第二衬底和 钝化 层，第二衬底设置于第一衬底的上表面， 钝化层 设置于第二衬底的上表面；其中，第二衬底和钝化层对应空腔的部分共同形成敏感梁；压敏 电阻 ，嵌设于第二衬底；压敏电阻与由第一衬底、第二衬底和 支撑 框构成的 框架 或 质量 块 电连接；至少一个金属 电极 ，排布于压敏电阻； 引出电极 ，设置于钝化层，引出电极与金属电极电连接；质量块，位于空腔内，质量块设置于第二衬底的下表面； 永磁体 ，设置于质量块；支撑框，设置于第二衬底上表面；上基底，盖置于支撑结构的上端口。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种MEMS压阻式加速度计，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种MEMS压阻式加速度计及其制备方法技术领域背景技术[0002] MEMS压阻式加速度计是一种以敏感梁上的压敏电阻为敏感元件的加速度测试传感器，是惯性导航乃至惯性导航系统的主要设备之一。由于其具有体积小、功耗低、易于集成、成本低等优点，目前被广泛运用于交通、航空、国防等各个领域。 [0003] 然而，由于压阻式加速度计自身结构的限制，其灵敏度与固有频率相互制约，即随着结构灵敏度的提高必然伴随着弹性结构的劲度系数降低，从而导致结构固有频率的降低，这严重制约了MEMS压阻式加速度计的发展与应用。 [0004] 因此，如何解决上述问题成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。发明内容 [0005] 本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种MEMS压阻式加速度计及其制备方法。 [0006] 本公开的实施例的一个方面，提供一种MEMS压阻式加速度计，包括： [0007] 下基底； [0008] 第一衬底，设置于所述下基底，所述第一衬底设置有贯穿其厚度的空腔； [0012] 引出电极，设置于所述钝化层，所述引出电极与所述金属电极电连接； [0013] 质量块，位于所述空腔内，所述质量块设置于所述第二衬底的下表面； [0014] 永磁体，设置于所述质量块； [0015] 支撑框，设置于所述第二衬底上表面； [0016] 上基底，盖置于所述支撑结构的上端口。 [0017] 可选的，所述金属电极呈长条状；所述至少一个金属电极为多个，多个所述金属电极间距设置于所述压敏电阻。 [0018] 可选的，所述压敏电阻通过惠斯通电桥分别与所述框架或所述质量块连接。 [0019] 可选的，所述第二衬底上具有压敏电阻区；每个所述压敏电阻区设置有至少两个所述压敏电阻。 [0020] 可选的，所述至少两个所述压敏电阻为两个，两个所述压敏电阻沿所述敏感梁长度方向排列；其中，一个所述压敏电阻与所述框架电连接，另一个所述压敏电阻与所述质量块电连接。 [0021] 可选的，所述金属电极的材料包括Cu。 [0022] 可选的，所述永磁体为两个，两个所述永磁体对称布置，并嵌设于所述质量块的下表面。 [0023] 可选的，所述永磁体的材料包括CoNiMnP合金或坡莫合金。 [0024] 进一步的，还包括： [0025] 支撑梁，设置于所述质量块和所述第一衬底之间，用于对所述质量块进行支撑。 [0026] 本公开的实施例的第二个方面，提供一种MEMS压阻式加速度计的制备方法，包括： [0027] 提供第一衬底； [0028] 对所述第一衬底进行图案化处理，形成质量块主体及环绕质量块主体的第一凹槽； [0029] 在第一衬底下表面形成第二凹槽； [0030] 在第一衬底上表面形成第二衬底； [0032] 在质量块主体的下表面形成第三凹槽； [0033] 在第三凹槽内形成永磁体； [0034] 在第一衬底的下表面形成下基底； [0035] 对第二衬底进行减薄处理； [0036] 对第二衬底进行图形化处理，形成敏感梁和质量块； [0037] 在第二衬底的压敏电阻区形成压敏电阻； [0038] 在压敏电阻上形成金属电极； [0039] 在第二衬底上表面形成钝化层； [0040] 对钝化层进行图形化处理，以暴露第二衬底上表面的四边； [0041] 在第二衬底和钝化层上形成支撑层； [0042] 对支撑层进行去除处理形成支撑框并暴露钝化层； [0043] 在钝化层上形成引出电极； [0044] 提供上基底，并将上基底与支撑框连接。 [0045] 本公开的实施例的有益效果，包括： [0046] 本公开引入磁阻效应，在传统压敏电阻中嵌入多个平行排布的长条状金属电极，将压敏电阻分为许多宽度比长度大得多的小区域，相当于多个长宽比很小的电阻串联，以增大电阻磁阻灵敏度。同时在压敏电阻两侧增加有对称的永磁体，通过磁阻效应有效增大了受加速度作用下电阻的变化量△R，提高了惠斯通电桥的输出，进而提高了加速度计的灵敏度。附图说明 [0047] 图1为本公开的MEMS压阻式加速度计上表面的压敏电阻和永磁体排列示意图； [0048] 图2为本公开的MEMS压阻式加速度计沿图1中A‑A’方向的剖面图； [0049] 图3为本公开的MEMS压阻式加速度计沿图1中B‑B’方向的剖面图； [0050] 图4为本公开的MEMS压阻式加速度计的压敏电阻的惠斯通电桥连接示意图； [0051] 图5为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤1得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0052] 图6为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤2得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0053] 图7为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤3得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0054] 图8为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤4得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0055] 图9为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤5得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0056] 图10为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤6得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0057] 图11为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤7得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0059] 图13为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤8得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0060] 图14为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤9得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0061] 图15为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤10得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0062] 图16为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤11得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0063] 图17为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤12得到的结构俯视图； [0064] 图18为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤13得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0065] 图19为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤14得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0066] 图20为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤15得到的A‑A’方向结构剖面示意图。 [0067] 图21为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤16得到的A‑A’方向结构剖面示意图； [0068] 图22为本公开的MEMS压阻式加速度计制备步骤17得到的A‑A’方向结构剖面示意图。 [0069] 图中，1、第一衬底；2、第二衬底；3、支撑梁；4、永磁体；5、下基底；6、敏感梁；7、质量块；8、压敏电阻；9、金属电极；10、钝化层；11、支撑框；12、引出电极；13、上基底；14、第一凹槽；15、第二凹槽；16、第三凹槽。 具体实施方式[0070] 为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。 [0071] 如图1‑4所示，一种MEMS压阻式加速度计，包括：下基底5、第一衬底1、第二衬底2、钝化层10、压敏电阻8、金属电极9、引出电极12、质量块7、永磁体4、支撑框11和上基底13。第一衬底1设置于下基底5，第一衬底1设置有贯穿其厚度的空腔。第二衬底2和钝化层10，第二衬底2设置于第一衬底1的上表面，钝化层10设置于第二衬底2的上表面。其中，第二衬底2和钝化层10对应空腔的部分共同形成敏感梁6。压敏电阻8嵌设于第二衬底2。压敏电阻8与由第一衬底1、第二衬底2和支撑框11构成的框架或质量块7电连接。至少一个金属电极9排布于压敏电阻8。引出电极12设置于钝化层10，引出电极12与金属电极9电连接。质量块7位于空腔内，质量块7设置于第二衬底2的下表面。永磁体4设置于质量块7。支撑框11设置于第二衬底2上表面。上基底13盖置于支撑结构的上端口。 [0072] 一些实施例中，下基底5和上基底13均为玻璃材质。在一些实施例中，下基底5和上基底13的材质为Pyrex#7740玻璃，厚度均为200‑400μm。本公开中，下基底5和上基底13材料与硅材料有着较为接近的物理特性，可减小因物理参数不匹配引起的误差，同时可作为微机械限位结构，为加速度计提供过载保护。 [0073] 一些实施例中，第一衬底1的材料为单晶硅，厚度为400‑600μm。 [0074] 一些实施例中，永磁体4为两个，两个永磁体4对称布置，并嵌设于质量块7的下表面。 [0075] 具体的，永磁体4对称分布在质量块7底部两侧，与四个压敏电阻8呈直线排布，以便为压敏电阻8提供稳定的磁场。在一些实施例中，永磁体4材料为CoNiMnP合金或坡莫合金。 [0076] 一些实施例中，支撑梁3设置于质量块7和第一衬底1之间，用于对质量块7进行支撑。在一些实施例中，支撑梁3下表面与质量块7底面位于同一平面，呈中心对称排布，其厚度为40‑80μm。 [0077] 进一步地，具体参考图1，质量块7位于结构正中央，其左右两侧分别通过一根支撑梁3与框架相连，上下两端分别通过一根敏感梁6与框架相连。其中，第一衬底1、第二衬底2和支撑框11共同构成框架。进一步，当第一衬底1、第二衬底2和支撑框11选用硅基材料时，共同构成硅基框架。一些实施例中，敏感梁6的横截面积远小于支撑梁3的横截面积。 [0078] 一些实施例中，第二衬底2的材料为单晶硅，厚度为200‑400μm。 [0079] 一些实施例中，敏感梁6上表面与质量块7顶部在同一平面内，敏感梁6厚10‑20μm，宽20‑40μm，长40‑60μm。 [0080] 一些实施例中，第二衬底2上具有压敏电阻区，每个压敏电阻区设置有至少两个压敏电阻8。 [0081] 在一些实施例中，压敏电阻8为两个，两个压敏电阻8沿敏感梁6长度方向排列。其中，一个压敏电阻8与框架电连接，另一个压敏电阻8与质量块7电连接。进一步，压敏电阻8通过惠斯通电桥分别与框架或质量块7连接。 [0083] 一些实施例中，金属电极9为多个，多个金属电极9间距设置于压敏电阻8。 [0084] 具体的，金属电极9规则铺设在压敏电阻8中，将压敏电阻8分为许多宽度比长度大得多的小区域。采用上述设置方式，相当于多个长宽比很小的电阻串联，以增大电阻磁阻灵敏度。在一些实施例中，金属电极9的材料包括Cu。 [0085] 在一些实施例中，金属电极9呈长条状。 [0089] 一些实施例中，支撑框11的材质为非晶硅。 [0090] 本公开的MEMS压阻式加速度计的工作原理如下： [0091] 当该压阻式加速度计受到方向向上的加速度时，质量块7向下移动，带动敏感梁6向下弯曲，敏感梁6表面压敏电阻8受应力而产生方向相反的阻值变化的同时，离质量块7较远的压敏电阻8与永磁体4中心的距离发生变化，所受磁场强度改变，在磁阻效应的影响下阻值进一步发生变化。由于永磁体4两端磁场强度远小于中心磁场强度，在加速度作用下R1和R2与永磁体4中心距离增大，因磁阻效应而阻值减小，与压阻效应变化趋势相同，而R1’和R2’与永磁体4中心距离基本不变，导致惠斯通电桥的输出变得更大，从而在不影响固有频率的情况下增大MEMS压阻式加速度计的灵敏度。此外，当加速度计正常工作时，温度升高会导致压敏电阻8阻值减小，从而导致加速度计输出减小，在本公开中温度的升高同时会增大金属电极9的阻值，对压敏电阻8阻值有补偿作用，反之亦然，从而一定程度上抑制了加速度计的温度漂移。 [0092] 与传统MEMS压阻式加速度计相比，本公开具有以下优点： [0093] 1、本公开引入磁阻效应，在传统压敏电阻8中嵌入多个平行排布的长条状金属电极9，将压敏电阻8分为许多宽度比长度大得多的小区域，相当于多个长宽比很小的电阻串联，以增大电阻磁阻灵敏度。同时在压敏电阻8两侧增加有对称的永磁体4，通过磁阻效应有效增大了受加速度作用下电阻的变化量△R，提高了惠斯通电桥的输出，进而提高了加速度计的灵敏度。 [0094] 2、本公开在传统压敏电阻8中嵌入多个平行排布的长条状金属电极9，当传感器正常工作时，温度升高会导致压敏电阻8阻值减小，从而导致传感器输出减小，然而温度的升高同时会增大金属电极9阻值，对压敏电阻8阻值有补偿作用，反之亦然，从而一定程度上抑制了传感器的温度漂移。 [0095] 3、本公开采用MEMS技术制备，传感器具有尺寸小、精度高、一致性好、易于批量制造以及成本低的优点。 [0096] 基于同一公开构思，本公开实施例还提供一种MEMS压阻式加速度计及其制备方法，该MEMS压阻式加速度计的结构可以参考前文相关记载，在此不作赘述。 [0097] MEMS压阻式加速度计及其制备方法，包括： [0098] 步骤1、提供第一衬底1。 [0100] 步骤2、对第一衬底1进行图案化处理，形成质量块7主体及环绕质量块7主体的第一凹槽14。 [0101] 具体的，如图6所示，通过光刻和DRIE(Deep Reactive Ion Etching，深反应离子刻蚀)在第一衬底1上表面形成第一凹槽14，并构建质量块7主体。 [0102] 一些实施例中，第一凹槽14截面宽50μm，深350μm，其形状呈“口”字形。 [0103] 步骤3、在第一衬底1下表面形成第二凹槽15。 [0104] 具体的，如图7所示，通过光刻和DRIE在第一衬底1下表面刻蚀出供质量块7活动的第二凹槽15。一些实施例中，第二凹槽15的深度为10μm。 [0105] 步骤4、在第一衬底1上表面形成第二衬底2。 [0106] 具体的，如图8所示，第二衬底2通过阳极键合的方式与第一衬底1上表面紧密贴合。 [0107] 一些实施例中，选取200μm厚的N型(100)硅片作为第二衬底22。 [0108] 步骤5、对第一衬底1下表面进行刻蚀形成支撑梁3。 [0109] 具体的，如图9所示，通过光刻和DRIE在第一衬底1下表面刻蚀形成支撑梁3。 [0110] 步骤6、在质量块7主体的下表面形成第三凹槽16。 [0111] 具体的，如图10所示，通过光刻和DRIE在第一衬底1下表面形成第三凹槽16。 [0112] 一些实施例中，通过光刻和DRIE在第一衬底1下表面左右两侧各刻蚀出一个长15μm，宽5μm，深200μm的第三凹槽。 [0113] 步骤7、在第三凹槽16内形成永磁体4。 [0115] 具体的，如图11、12所示，通过磁控溅射在第三凹槽16内制备Ti作为阻挡层，在阻挡层上制备Cu作为种子层，并在一定方向的磁场下电镀CoNiMnP永磁体4填充凹槽并确定其磁场方向，形成永磁体44，再通过CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光)工艺去除多余的合金。 [0116] 步骤8、在第一衬底1的下表面形成下基底5。 [0117] 具体的，如图13所示，通过阳极键合的方式，将第一衬底1与玻璃基底紧密地贴合在一起。 [0118] 步骤9、对第二衬底2进行减薄处理。 [0119] 一些实施例中，如图14所示，将第二衬底2减薄至30μm。 [0120] 步骤10、对第二衬底2进行图形化处理，形成敏感梁6和质量块7。 [0121] 一些实施例中，通过光刻和DRIE将第二衬底2刻蚀减薄。 [0122] 具体的，如图15所示，通过光刻和DRIE将第二衬底2刻蚀至10μm，并刻蚀形成敏感梁6和质量块7。 [0123] 步骤11、在第二衬底2的压敏电阻区形成压敏电阻8。 [0124] 一些实施例中，第二衬底2的上表面形成有压敏电阻区，在第二衬底2上表面的压敏电阻8去通过光刻和离子注入形成压敏电阻8。 [0125] 具体的，如图16所示，在第二衬底2上表面通过光刻和硼离子注入在压敏电阻区制备四个压敏电阻8。 [0126] 步骤12、在压敏电阻8上形成金属电极9。 [0127] 一些实施例中，在压敏电阻8上形成至少两个间距布置的金属电极9。 [0128] 一些实施例中，在压敏电阻8上形成电极槽，在电极槽内制备阻挡层，在阻挡层上制备种子层，并在电极槽内制作金属电极9。 [0129] 具体的，如图17所示，通过光刻和DRIE在四个压敏电阻8上分别刻蚀三列均匀分布的宽3μm，深6μm的电极槽，通过磁控溅射在电极槽内制备Ti作为阻挡层，在阻挡层上制备Cu作为种子层，并通过电镀Cu填充电极槽，形成金属电极9，再通过CMP工艺去除多余的Cu。 [0130] 步骤13、在第二衬底2上表面形成钝化层10。 [0131] 一些实施例中，钝化层10的材料包括氮化硅。 [0132] 具体的，如图18所示，通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)在第二衬底2上表面沉积氮化硅，以制备钝化层10。 [0133] 步骤14、对钝化层10进行图形化处理，以暴露第二衬底2上表面的四边。 [0134] 具体的，如图19所示，通过光刻和RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)在第二衬底2上表面四边刻蚀钝化层10至露出第二衬底2。 [0135] 步骤15、在第二衬底2和钝化层10上形成支撑层。 [0136] 具体的，如图20所示，通过PECVD在第二衬底2和钝化层10上表面制备一层6μm厚的支撑层。一些实施例中，支撑层的材料为非晶硅。 [0137] 步骤16、对支撑层进行去除处理形成支撑框11并暴露钝化层10。 [0138] 具体的，如图21所示，通过光刻和DRIE刻蚀钝化层10上方支撑层形成支撑框11并露出钝化层10，以使支撑框11形成于第二衬底2上表面的四边。 [0139] 步骤17、在钝化层10上形成引出电极12。 [0140] 具体的，如图22所示，通过光刻和RIE在钝化层10上表面形成接触孔，并通过磁控溅射在其上制备Au作为电极层12。 [0141] 步骤18、提供上基底13，并将上基底13与支撑框11连接。 [0142] 一些实施例中，上基底13的材料包括玻璃。 [0143] 具体的，如图2、图3所示，通过阳极键合的方式将支撑框11与上基底13紧密贴合，完成上述MEMS压阻式加速度计的制备。 [0144] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。 |
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