一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器及其制备方法 (High-g-value and high-sensitivity MEMS acceleration sensor and preparation method thereof ) 是由 张广平 王雪峰 王敏锐 刘杨 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器,属于一种MEMS加速度传感器,包括衬底、器件层和盖板,所述衬底和所述盖板分别从所述器件层的两侧键合所述器件层,所述器件层包括外框、质量块和四个支撑梁,所述质量块和四个所述支撑梁位于所述外框的内部；本发明通过采用4个T型结构支撑梁连接质量块的设计方案,创新性的设计了x、y、z三个轴向的止挡结构,传感器采用了盖板-器件层-衬底的三明治封装结构,易于实现批量晶圆级封装；通过支撑梁采用双E型结构设计,极大提高了器件输出灵敏度；优化了器件层与盖板、衬底之间的压膜阻尼,提升了传感器整体动态性能,延长了器件工作寿命。(The invention discloses an MEMS acceleration sensor with high g value and high sensitivity, which belongs to an MEMS acceleration sensor and comprises a substrate, a device layer and a cover plate, wherein the substrate and the cover plate are respectively bonded with the device layer from two sides of the device layer; according to the invention, by adopting a design scheme that 4T-shaped structural support beams are connected with the mass block, three axial stop structures of x, y and z are innovatively designed, and the sensor adopts a sandwich packaging structure of a cover plate, a device layer and a substrate, so that batch wafer level packaging is easy to realize; the supporting beam adopts a double-E type structure design, so that the output sensitivity of the device is greatly improved; the squeeze film damping between the device layer and the cover plate and between the device layer and the substrate is optimized, the overall dynamic performance of the sensor is improved, and the service life of the device is prolonged.)
技术领域
本发明属于一种MEMS加速度传感器，尤其涉及一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器及其制备方法。
背景技术
基于MEMS工艺技术的高g值加速度传感器广泛应用于汽车行业、军事和航天航空领域中的加速度信号测量、振动测量、爆炸、冲击等苛刻环境，这就要求加速度传感器有优异的抗冲击性能、较高的频率响应范围，在芯片层面，就要实现有效的过载保护和近临界阻尼设计。
对于采用悬臂梁结构的加速度传感器，其一阶固有频率低、频响范围窄，且横向灵敏度较大，采用四边多梁结构设计的加速度传感器虽然横向灵敏度最低，另外，现有多数压阻式加速度传感器冲击响应曲线存在毛刺干扰现象，究其原因是支撑梁固有频率振动干扰所致，少数传感器存在易损现象，究其原因是传感器阻尼过低导致振动幅度过大，造成器件层断裂损坏所致。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器及其制备方法。
一方面，为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器，其包括衬底、器件层和盖板，所述衬底和所述盖板分别从所述器件层的两侧键合所述器件层，所述器件层包括外框、质量块和四个支撑梁，所述质量块和四个所述支撑梁位于所述外框的内部，四个所述支撑梁分别固定连接于所述质量块的四个侧面上，所述支撑梁上设置有多个电阻模块，所述盖板的底面上和所述质量块的底面上皆设置有Z轴止挡，所述外框内设置有xy轴限位柱，所述xy轴限位柱穿过所述质量块，且所述xy轴限位柱的两端分别抵住所述衬底和所述盖板，所述盖板上开设有4个焊盘。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述外框的内拐角处设置有限位件，两个相邻所述支撑梁之间形成锚点，所述锚点卡接于所述限位件上。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述支撑梁为T型结构。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述支撑梁与所述质量块的连接处呈U型。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述支撑梁的侧面呈E型。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述电阻模块为压敏电阻。
另一方面，为了实现上述目的，本发明采用了如下步骤：一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的制备方法，其包括以下步骤：
1)器件层背面刻蚀：器件层选用300μm厚度SOI圆片，采用RIE干法刻蚀Z轴止挡，刻蚀深度2-3μm，制作Z轴止挡间隙；
2)xy轴限位柱刻蚀和阻尼间隙刻蚀：器件层的背面采用热氧化工艺制备厚度200nm的SiO2热氧层，喷涂光刻胶，湿法腐蚀刻蚀器件层与衬底的阻尼间隙，刻蚀深度为5μm；
3)间隙刻蚀：采用RIE干法刻蚀xy轴限位柱间隙，同时采用RIE干法刻蚀质量块与支撑梁之间的间隙；
4)硅-硅键合：衬底与器件层硅-硅键合；
5)压敏电阻图形：正面采用离子注入工艺浓硼掺杂，采用ICP干法刻蚀工艺刻除支撑梁表面非电阻条部分的区域，制作压敏电阻条；采用PECVD工艺依次沉积总厚度为0.3微米的钝化保护层，采用ICP干法刻蚀工艺刻除压敏电阻顶部与金属引线欧姆接触区域的钝化层，采用离子注入工艺对欧姆接触重掺杂；采用溅射工艺溅射Au金属层制作金属引线；
6)质量块蚀刻：采用RIE干法刻蚀精确刻蚀xy轴限位柱与质量块、质量块与支撑梁间隙，完全释放质量块、支撑梁、xy轴限位柱；
7)盖板制作：浅槽刻蚀，制作盖板，预留质量块与盖板间阻尼间隙，采用溅射工艺制作金属引线：
8)盖板与器件层键合：采用共晶键合，实现盖板与器件层键合；
9)通孔制作：采用ICP工艺制作引线通孔，依次采用溅射、电镀工艺制作通孔金属层。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤2)中，热氧化工艺为高温干氧-湿氧-干氧，时间60min，温度1180℃，湿氧水温95℃。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过采用4个T型结构支撑梁连接质量块的设计方案，创新性的设计了x、y、z三个轴向的止挡结构，传感器采用了盖板-器件层-衬底的三明治封装结构，易于实现批量晶圆级封装；
2、本发明中，通过支撑梁采用双E型结构设计，极大提高了器件输出灵敏度；优化了器件层与盖板、衬底之间的压膜阻尼，提升了传感器整体动态性能，延长了器件工作寿命。
附图说明
图1为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的整体结构示意图。
图2为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的爆炸图。
图3为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器中器件层的结构示意图。
图4为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的内部结构示意图。
图5为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的制备方法中步骤1)的加工结构示意图。
图6为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的制备方法中步骤2)的加工结构示意图。
图7为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的制备方法中步骤3)的加工结构示意图。
图8为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的制备方法中步骤4)的加工结构示意图。
图9为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的制备方法中步骤5)的加工结构示意图。
图10为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的制备方法中步骤6)的加工结构示意图。
图11为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的制备方法中步骤7)的加工结构示意图。
图12为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的制备方法中步骤8)的加工结构示意图。
图13为一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的制备方法中步骤9)的加工结构示意图。
图例说明：
1、衬底；2、器件层；21、外框；22、质量块；23、支撑梁；3、盖板；4、电阻模块；5、Z轴止挡；6、xy轴限位柱；7、焊盘；8、限位件；9、锚点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器，其包括衬底1、器件层2和盖板3，所述衬底1和所述盖板3分别从所述器件层2的两侧键合所述器件层2，所述器件层2包括外框21、质量块22和四个支撑梁23，所述质量块22和四个所述支撑梁23位于所述外框21的内部，四个所述支撑梁23分别固定连接于所述质量块22的四个侧面上，所述支撑梁23上设置有多个电阻模块4，所述盖板3的底面上和所述质量块22的底面上皆设置有Z轴止挡5，所述外框21内设置有xy轴限位柱6，所述xy轴限位柱6穿过所述质量块22，且所述xy轴限位柱6的两端分别抵住所述衬底1和所述盖板3，所述盖板3上开设有4个焊盘7；
所述外框21的内拐角处设置有限位件8，两个相邻所述支撑梁23之间形成锚点9，所述锚点9卡接于所述限位件8上；
所述支撑梁23为T型结构，器件层2由4个T型结构的支撑梁23和质量块22组成，整体通过T型结构末端与外框21锚定连接，每个T型结构的支撑梁23通过离子注入或扩散工艺制作有两组压敏电阻，4个支撑梁23上的16组压敏电阻共同组成了惠斯通电桥；
所述支撑梁23与所述质量块22的连接处呈U型，改善了质量块22最大位移情况下连接处的应力集中情况，降低了连接处应力过大造成的断裂风险；
所述支撑梁23的侧面呈E型，支撑梁23下方的两侧质量块22可等效为悬臂梁，工作状态下该悬臂梁末端的自由振动保证了压敏电阻区域可获得更大、更集中的等效应力，进而获得更大的变化电阻；
所述电阻模块4为压敏电阻。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过采用4个T型结构支撑梁23连接质量块22的设计方案，创新性的设计了x、y、z三个轴向的止挡结构，传感器采用了盖板3-器件层2-衬底1的三明治封装结构，易于实现批量晶圆级封装；
2、本发明中，通过支撑梁23采用双E型结构设计，极大提高了器件输出灵敏度；优化了器件层2与盖板3、衬底1之间的压膜阻尼，提升了传感器整体动态性能，延长了器件工作寿命。
工作原理：
当对敏感方向(z方向)施加加速度信号时，支撑梁23会跟随质量块22产生周期性拉伸、压缩形变，每个支撑梁23上的电阻模块4对Ri1，Ri2，Ri3，Ri4(i＝1，2，3，4)由于支撑梁23对应的E型结构产生相反的形变，Ri1当区域发生压缩形变的同时，Ri2会发生相反的拉伸形变，反之亦然，因此，由于对称性，当Ri1、Ri4减小时，Ri2、Ri3会相应增大，就惠斯通电桥回路而言，其总电阻变化增大了4倍，极大提高了器件的输出灵敏度，T型支撑梁23设计，提高了器件整体的紧凑性，极大降低了器件的面内尺寸，支撑梁23与质量块22之间的连接采用了U形设计，改善了质量块22最大位移情况下连接处的应力集中情况，降低了连接处应力过大造成的断裂风险，支撑梁23采用双E型设计，支撑梁23下方的两侧质量块22可等效为悬臂梁，工作状态下该悬臂梁末端的自由振动保证了压敏电阻区域可获得更大、更集中的等效应力，进而获得更大的变化电阻；xy轴限位柱6和衬底1、盖板3上的限位柱通过硅-硅键合共同实现了平面内的限位功能，最大限度降低了器件横向灵敏度，在质量块22下侧和盖板3下侧设置有Z轴止挡5共同实现了z轴(敏感方向)的过载保护，对高g值加速度传感器而言，止挡结构可实现不小于2倍量程的过载保护。
请参阅图5-13，本发明提供一种方法：一种高g值、高灵敏度MEMS加速度传感器的制备方法，其包括以下步骤：
1)器件层2背面刻蚀：器件层2选用300μm厚度SOI圆片，采用RIE干法刻蚀Z轴止挡5，刻蚀深度2-3μm，制作Z轴止挡5间隙；
2)xy轴限位柱6刻蚀和阻尼间隙刻蚀：器件层2的背面采用热氧化工艺制备厚度200nm的SiO2热氧层，热氧化工艺为高温干氧-湿氧-干氧，时间60min，温度1180℃，湿氧水温95℃，喷涂光刻胶，湿法腐蚀刻蚀器件层2与衬底1的阻尼间隙，刻蚀深度为5μm；
3)间隙刻蚀：采用RIE干法刻蚀xy轴限位柱6间隙，同时采用RIE干法刻蚀质量块22与支撑梁23之间的间隙；
4)硅-硅键合：衬底1与器件层2硅-硅键合；
5)压敏电阻图形：正面采用离子注入工艺浓硼掺杂，采用ICP干法刻蚀工艺刻除支撑梁23表面非电阻条部分的区域，制作压敏电阻条；采用PECVD工艺依次沉积总厚度为0.3微米的钝化保护层，采用ICP干法刻蚀工艺刻除压敏电阻顶部与金属引线欧姆接触区域的钝化层，采用离子注入工艺对欧姆接触重掺杂；采用溅射工艺溅射Au金属层制作金属引线；
6)质量块22蚀刻：采用RIE干法刻蚀精确刻蚀xy轴限位柱6与质量块22、质量块22与支撑梁23间隙，完全释放质量块22、支撑梁23、xy轴限位柱6；
7)盖板3制作：浅槽刻蚀，制作盖板3，预留质量块22与盖板3间阻尼间隙，采用溅射工艺制作金属引线：
8)盖板3与器件层2键合：采用共晶键合，实现盖板3与器件层2键合；
9)通孔制作：采用ICP工艺制作引线通孔，依次采用溅射、电镀工艺制作通孔金属层。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。