微壓電加速度傳感器芯片及其制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微加速度傳感器芯片技術領域，特別涉及微壓電加速度傳感器芯片及 制作方法。
【背景技術】
[0002] 采用MEMS技術制造的微加速度傳感器由于體積小、功耗低、成本低等優點，廣泛應 用于汽車工業、消費電子及生物醫學儀器等領域。目前，大多數微加速度傳感器仍采用壓阻 式，但是溫度漂移較大，對安裝和其它的應力也很敏感，而且使用溫度有限制，靈敏度也較 低。近年來，隨著壓電薄膜材料制備技術的發展，壓電薄膜被越來越多的應用到微加速度傳 感器中。傳統的壓電加速度傳感器芯片一般為四敏感梁結構，雖然其側向效應小，但是靈敏 度低。另外最近也有一項基于這種結構特性提升的研究成果，把四敏感梁結構優化成雙敏 感梁-雙補充梁結構，其側向效應也較小，靈敏度有所提升，但是由于加工技術的限制，梁的 厚度不能制作得過薄，當梁的厚度較薄時，微壓電加速度傳感器芯片受到微小振動容易發 生斷裂;且壓電薄膜的厚度也不能制作得較厚，大大地減小了電壓輸出，因而限制了壓電加 速度傳感器的靈敏度及尺寸的微型化。
【發明內容】
[0003] 為了克服上述現有技術的缺點，本發明對雙敏感梁-雙補充梁結構的壓電加速度 傳感器芯片進行了改進，提供了一種微壓電加速度傳感器芯片及其制作方法，該芯片在滿 足了高靈敏度的同時，還兼具了低側向效應能力的特點，并能夠使尺寸更加的微型化。
[0004] 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0005] 微壓電加速度傳感器芯片，包括硅質基底，硅質基底的背面與硼玻璃鍵合，硅質基 底的中心空腔內配置有懸空質量塊，兩根相同敏感梁分別與懸空質量塊的一組對邊相連， 兩根相同補充梁則分別與懸空質量塊的另一組對邊相連，兩根敏感梁和兩根相同補充梁共 同支撐懸空質量塊，使其保持懸空狀態，硼玻璃與懸空質量塊下底面預留有工作間隙；
[0006] 兩根相同敏感梁末端布置了兩個壓電薄膜，通過芯片上的上電極及下電極將產生 的電壓輸出。
[0007] 所述的敏感梁的寬度比補充梁寬度大10~ΙΙΟμπι。
[0008] 補充梁的長度比敏感梁長度大100~600μπι。
[0009] 敏感梁與補充梁的厚度相同。
[0010] 所述的兩根相同的敏感梁、兩根相同的補充梁以及懸空質量塊處于同一水平高 度。
[0011] 所述的懸空質量塊與敏感梁、補充梁以及硅質基底的框架有200~350μπι的間隙， 保證懸空質量塊受振動時不影響敏感梁及補充梁的運動。
[0012] 所述的懸空質量塊與硼玻璃存在著5~12μπι的間隙。
[0013] 微壓電加速度傳感器芯片的制作方法，包括以下步驟：
[0014] a)用氟化氫HF酸溶液清洗雙面拋光的單晶硅片，單晶硅片規格為η型，（100)晶面；
[0015] b)清洗后脫水烘干，通過干法熱氧化法在單晶硅片表面雙面氧化Si02層；
[0016] c)在已氧化的單晶硅片雙面涂覆光刻膠，單晶硅片正面保護，用光刻板在單晶硅 片背面采用干法刻蝕，刻蝕出質量塊；
[0017] d)在單晶硅片正面光刻，用光刻板在硅晶圓上用等離子體刻蝕ICP法刻蝕形成敏 感梁和補充梁結構；
[0018] e)在單晶硅片正面涂剝離膠，用光刻板光刻、顯影，形成下電極圖形;濺射、正膠剝 離，形成Ti-Pt金屬層作為下電極，濺射過程中沒有襯底加熱；
[0019 ] f)采用改性的溶膠-凝膠So 1 -Ge 1工藝在T i -Pt電極上制備壓電薄膜，并用光刻板 作為掩膜采用濕法對未結晶的壓電薄膜進行微圖形化，然后放入熱處理爐中進行再結晶處 理；
[0020] g)在單晶硅片正面涂剝離膠，用光刻板光刻、顯影，形成絕緣質圖形;濺射、正膠剝 離，形成絕緣質；
[0021] h)在單晶硅片正面涂剝離膠，用光刻板光刻、顯影，形成上電極圖形;濺射、正膠剝 離，形成Pt金屬層作為上電極；
[0022] i)在硼玻璃的正面刻蝕出5~12μπι的微小空間，保證懸空質量塊有足夠的振動空 間；
[0023] j)在單晶硅片背面光刻去除之前工藝步驟中留下的二氧化硅層;通過陽極鍵合技 術在硅質基底的背面粘結硼玻璃；
[0024] k)在單晶硅片正面光刻，去除芯片中焊盤上覆蓋的殘余遮蔽層，暴露芯片焊盤，最 后經過劃片得到壓電微加速度傳感器芯片。
[0025] 本發明能夠克服由于加工技術的限制帶來的靈敏低的問題，在滿足高靈敏度的同 時，還兼具低側向效應的特點，能使芯片尺寸更加的微型化。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明的微壓電加速度傳感器芯片的結構示意圖。
[0027] 圖2為本發明的微壓電加速度傳感器芯片的正面視圖。
[0028] 圖3為本發明的微壓電加速度傳感器芯片的布置壓電片處的結構示意圖。
[0029] 圖4為本發明的微壓電加速度傳感器芯片的下電極圖形示意圖。
[0030] 圖5為本發明的微壓電加速度傳感器芯片的上電極圖形示意圖。
[0031 ]圖6為本發明的微壓電加速度傳感器芯片的工作示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 以下將結合附圖對本發明微壓電加速度傳感器芯片及其制作方法進行更為詳細 的說明。
[0033] 參照附圖1，微壓電加速度傳感器芯片，其結構包括硅質基底1，硅質基底1的背面 與硼玻璃6鍵合，硅質基底1的中心空腔內配置有懸空質量塊4,懸空質量塊4由兩根相同敏 感梁2和兩根相同補充梁3支撐，兩根相同的敏感梁2分別與懸空質量塊4的一組對邊相連， 兩根相同補充梁3則分別與懸空質量塊4的另一組對邊相連，硼玻璃6與懸空質量塊4下底面 預留有工作間隙，以使質量塊4有足夠可振動的空間，當傳感器在正常工作時，質量塊4能始 終保持懸空狀態，而在某些過載環境下其下底面能夠與硼玻璃6接觸，以防止過載破壞傳感 器芯片。
[0034] 參照附圖2、附圖3、附圖4、附圖5,兩根相同敏感梁2末端上對稱的布置了兩個相同 的壓電薄膜5,在兩個相同壓電薄膜5的下表面與敏感梁2上表面結合處布置一 Pt金屬層作 為下電極7,在下電極與敏感梁2之間布置一 Ti金屬層9以提高下電極7與敏感梁2的結合力， 在兩個相同壓電薄膜5的上表面布置Pt金屬層作為上電極8,通過下電極7及上電極8在焊盤 10上將兩個壓電薄膜產生的電荷輸出，并且在壓電薄膜5與上電極8之間有一極薄絕緣質 11，絕緣質11的作用是避免在沉積上電極8的時候上電極8與下電極7接觸。
[0035] 所述的敏感梁2的寬度比補充梁3的寬度大10~ΙΙΟμπι。
[0036] 所述的補充梁3的長度比敏感梁2的長度大100~600μπι。
[0037] 所述的敏感梁2與補充梁3的厚度相同。
[0038] 所述的兩根相同的敏感梁2、兩根相同的補充梁3以及懸空質量塊4處于同一水平 高度。
[0039] 所述的懸空質量塊4與兩根相同的敏感梁2、兩根相同的補充梁3以及硅質基底1的 框架有200~350μπι的間隙，保證懸空質量塊4受振動時不影響敏感梁2及補充梁3的運動。
[0040] 所述的懸空質量塊4與硼玻璃6之間存在著5~12μπι的間隙。
[0041 ]本發明的微壓電加速度傳感器芯片的工作原理為：
[0042] 利用壓電敏感元件的正壓電效應，當加速度傳感器被固定在被測振動物體上時， 壓電元件受到傳感器質量塊的慣性力作用，產生與所受力成正比的電荷，該電荷與質量塊 的加速度成正比，當被測物體的振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器敏感元件產 生的正電荷量同傳感器絕對加速度成正比。
[0043] 參照附圖6,當傳感器芯片受到某一加速度作用時，根據牛頓第二定律:會產生一 個與所施加加速度成正比的慣性力作用于懸空質量塊4上，致使其產生一定位移，敏感梁2 和補充梁3均與懸空質量塊4相連，兩組梁將在懸空質量塊4的帶動下發生彎曲變形，進而在 其結構內部產生相應的應變。壓電薄膜5置于敏感梁2上表面，當受到敏感梁2上的應變作用 時，壓電薄膜5-1和5-2也發生形變，根據壓電元件的壓電效應可知，壓電薄膜5-1和5-2上發 生形變，使壓電元件內的介電體內正負電荷中心相對位移而極化，在壓電薄膜5-1和5-2的 上下表面產生數量相等、符號相反的束縛電荷，并通過上電極8和下電極7將壓電薄膜表面 電荷引出，實現了將物理量的加速度轉換為便于采集與測量的電壓信號。
[0044] 微壓電加速度傳感器芯片的制作方法，包括以下步驟：
[0045] a)用氟化氫HF酸溶液清洗雙面拋光的單