硅微机械两维倾角传感器芯片及制作方法.pdf

本发明公开了一种硅微机械两维倾角传感器芯片及制作方法，所述的传感器由一个可动的蝶形质量块、成“十”字型结构的四个硅应变梁以及具有过载限位保护功能的硼硅玻璃衬底构成。该传感器芯片能同时检测出X和Y两个方向的倾角变化。每个单晶硅应变梁在敏感位置布置两个压阻敏感电阻，对应两个梁上的四个敏感电阻构成全桥输出，检测倾角变化。制作方法采用感应藕合等离子体干法刻蚀，有效地增加质量块体积和精确控制应变梁厚度，提高传感器芯片的阵列密度，制作工艺简单，容易实现。离子注入工艺对压敏电阻区的掺杂，压敏电阻的一致性好，离子注入形成的电阻区结深较浅，这样压敏电阻就能充分利用最大应变表层，因此具有较高的灵敏度。

1，  一种硅微机械两维倾角传感器，所述传感器包括硼硅玻璃衬底(1)，电极(2)，蝶形质量块(3)，外围框架(4)，硅应变梁L1、L2、L3、L4；压敏电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，其特征在于：
所述传感器核心由一个可动的蝶形质量块(3)，成“十”字型结构的四个硅应变梁L1、L2、L3、L4构成，所述的应变梁L1、L2、L3、L4连接蝶形质量块(3)和外围框架(4)，所述的硼硅玻璃衬底(1)和外围框架(4)通过封接技术进行固定连接，具有过载限位保护功能的硼硅玻璃衬底(1)凹陷的深度应大于硅应变梁的变形量，传感器在倾斜状态时，所述的蝶形质量块(3)在重力作用下，使硅应变梁L1、L2、L3、L4产生应力；
所述的蝶形质量块(3)的厚度与外围框架(4)的厚度相同，等于硅片的厚度，为300～600微米；
所述的压敏电阻R1、R2布置在硅应变梁L1的两端，压敏电阻R3、R4布置在硅应变梁L2的两端，压敏电阻R5、R6布置在硅应变梁L3的两端，压敏电阻R7、R8布置在硅应变梁L4的两端；在传感器倾斜时，硅应变梁产生应力改变压敏电阻阻值；压敏电阻R1、R2、R3、R4组成一个全桥电路，检测绕Y方向的倾角，压敏电阻R5、R6、R7、R8组成另一个全桥电路，检测绕X方向的倾角；
所述的每个硅应变梁的尺寸一致，其厚度为5～20微米，长度为500～2000微米，宽度为50～300微米；
所述的硼硅玻璃衬底(1)的特征是其热膨胀系数与硅接近；所述的电极(2)分别与压敏电阻电连接，把电信号传到外围电路。

2，  根据权利要求1所述的硅微机械两维倾角传感器，所述的蝶形质量块(3)的形状不限制于每个角是方形，其形状特征是能充分充满外围框架(4)内部的空间。

3，  根据权利要求1所述的硅微机械两维倾角传感器，所述的分别与压敏电阻电连接电极(2)的个数根据硅应变梁布线情况确定。

4，  一种如权利要求1所述的硅微机械两维倾角传感器的制作方法，包括热氧化、光刻、硼离子注入、感应耦合等离子体干法刻蚀、硼硅玻璃湿法腐蚀、静电封接、引线焊接、芯片封装，其特征在于：
所述的感应藕合等离子体干法刻蚀技术对硅片进行正面刻蚀确定硅应变梁L1、L2、L3、L4的厚度和反面感应藕合等离子体干法释放硅应变梁L1、L2、L3、L4和蝶形质量块(3)使之与外围框架(4)分离，其步骤是：

1.  硅片清洗及双面热氧化；

2.  硅片正面光刻并腐蚀出硅应变梁L1、L2、L3、L4上的八个敏感电阻区窗口；

3.  正面第一次离子注入形成电阻区；

4.  正面匀胶并光刻出电阻头窗口；

5.  光刻胶作为掩膜，进行第二次离子注入以形成欧姆接触区；

6.  以氧化层作掩膜，正面光刻并刻蚀出引线孔窗口及正面硅应变梁L1、L2、L3、L4窗口；

7.  双面蒸发镀金属；

8.  背面光刻并刻蚀出硅应变梁L1、L2、L3、L4和外围框架(4)窗口；

9.  正面光刻并刻蚀出金属引线和电极(2)；

10.  合金化，完成欧姆接触；

11.  正面感应藕合等离子体干法刻蚀出硅应变梁L1、L2、L3、L4结构，并控制厚度；

12.  背面感应藕合等离子体干法刻蚀出间隙，释放结构；

13.  与玻璃衬底进行静电封装；

14.  金丝球焊引线并进行外封装。

硅微机械两维倾角传感器芯片及制作方法
技术领域  本发明涉及自动化机器人控制的传感器领域，特别涉及一种用于姿态监测和控制的硅微机械两维倾角传感器芯片及制作方法。
背景技术  倾角传感器是一种用于姿态监测和控制的传感器，在卫星、导弹、坦克、火炮、飞机、汽车、舰船、地质石油勘探、建筑施工、机器人的陆地和水下作业等各种军事及民用领域有极为广泛的应用。传统的倾角传感器有水泡式、液体摆式、电容式、电感式、电位器式、气体摆式等，大都只能检测一维的角度变化，并且尺寸较大，不适用于对体积和重量有一定限制的领域。在能实现检测二维角度变化的倾角传感器中，大多采用了气体摆式、双轴式、磁流体式等结构。最近通过专利局检索中心检索到专利相关文件：2004年上海薛水良申请的实用新型专利《一种光电角度传感器》授权公告为CN 2752725Y。该专利是一种光电测量转角的传感器，利用凸轮形光栅轮摆动，改变硅电池的光通量，不是利用硅微机械技术检测倾角的相关专利。
通过检索非专利文献检索到U.Mescheder，S.Majer发表在《Sensors andActuators》A60(1997)杂志的文献《Micromechanical inclinometer》，该文献中提出一种硅微机械双轴质量块倾角传感器，通过离子注入在硅梁上制作压敏电阻，组成电桥，测量两个方向的倾角。但其制作工艺复杂，用KOH体刻蚀技术，需凸角补偿，使实际结构和设计尺寸有较大误差。KOH腐蚀有一倾角，这大大减小了质量块的体积，使灵敏度降低，而且也使传感器阵列密度受到限制。需要分别进行浓硼和浓磷离子注入，使压敏电阻难以精确控制，分布不均，桥路失衡。
发明内容  本发明的目的是研制出一种新的、体积小的、阵列密度高，同时能测量两个方向倾角、制作工艺简单的高灵敏度硅微机械两维倾角传感器芯片及制作方法。
本发明的技术方案是：一种硅微机械两维倾角传感器，所述传感器包括硼硅玻璃衬底、电极、蝶形质量块、外围框架、硅应变梁L1、L2、L3、L4；压敏电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，特别是：所述传感器核心由一个可动的蝶形质量块，成“十”字型结构的四个硅应变梁L1、L2、L3、L4构成，所述的应变梁L1、L2、L3、L4连接蝶形质量块和外围框架，所述的硼硅玻璃衬底和外围框架通过封接技术进行固定连接，具有过载限位保护功能的硼硅玻璃衬底凹陷的深度应大于硅应变梁的变形量，传感器在倾斜状态时，所述的蝶形质量块在重力作用下，使硅应变梁L1、L2、L3、L4产生应力；所述的蝶形质量块的厚度与外围框架的厚度相同，等于硅片的厚度，为300～600微米；所述的压敏电阻R1、R2布置在硅应变梁L1的两端，压敏电阻R3、R4布置在硅应变梁L2的两端，压敏电阻R5、R6布置在硅应变梁L3的两端，压敏电阻R7、R8布置在硅应变梁L4的两端；在传感器倾斜时，硅应变梁产生应力改变压敏电阻阻值；压敏电阻R1、R2、R3、R4组成一个全桥电路，检测绕Y方向的倾角，压敏电阻R5、R6、R7、R8组成另一个全桥电路，检测绕X方向的倾角。
所述的每个硅应变梁的尺寸一致，其厚度为5～20微米，长度为500～2000微米，宽度为50～300微米；所述的硼硅玻璃衬底的特征是其热膨胀系数与硅接近；所述的电极分别与压敏电阻电连接，把电信号传到外围电路，其电极个数根据具体情况确定。
作为对现有技术的进一步改进，所述的蝶形质量块的形状不限制于每个角是方形，其形状特征是能充分充满外围框架内部的空间。
一种硅微机械两维倾角传感器的制作方法，包括热氧化、光刻、硼离子注入、感应耦合等离子体干法刻蚀、硼硅玻璃湿法腐蚀、静电封接、引线焊接、芯片封装，特别是：
所述的感应藕合等离子体干法刻蚀技术对硅片进行正面刻蚀确定硅应变梁L1、L2、L3、L4的厚度，并和反面感应藕合等离子体干法释放硅应变梁L1、L2、L3、L4和蝶形质量块使之与外围框架分离，其步骤是：
1.硅片清洗及双面热氧化；
2.硅片正面光刻并腐蚀出硅应变梁L1、L2、L3、L4上的八个敏感电阻区窗口；
3.正面第一次离子注入形成电阻区；
4.正面匀胶并光刻出电阻头窗口；
5.光刻胶作为掩膜，进行第二次离子注入以形成欧姆接触区；
6.以氧化层作掩膜，正面光刻并刻蚀出引线孔窗口及正面硅应变梁L1、L2、L3、L4窗口；
7.双面蒸发镀金属；
8.背面光刻并刻蚀出硅应变梁L1、L2、L3、L4和外围框架窗口；
9.正面光刻并刻蚀出金属引线和电极；
10.合金化，完成欧姆接触；
11.正面感应藕合等离子体干法刻蚀出硅应变梁L1、L2、L3、L4结构，并控制厚度；
12.背面感应藕合等离子体干法刻蚀出间隙，释放结构；
13.与玻璃衬底进行静电封装；
14.金丝球焊引线并进行外封装。
本发明的有益效果是：相对于现有技术中提出一种硅微机械双轴质量块倾角传感器，通过离子注入在硅梁上制作压敏电阻，组成电桥，测量两个方向的倾角。其不足之处是其制作工艺复杂，用KOH体刻蚀技术有一倾角，减小了质量块的体积，使灵敏度降低，传感器阵列密度受到限制，需要分别进行浓硼和浓磷离子注入，使压敏电阻难以精确控制，造成硅梁的残余应力大，增加非线性。
本发明的传感器由一个可动的蝶形质量块、成“十”字型结构的四个硅应变梁以及具有过载限位保护功能的硼硅玻璃衬底构成。该传感器芯片能同时检测出绕X和Y两个方向的倾角变化。每个单晶硅应变梁在敏感位置布置两个压阻敏感电阻，对应两个梁上的四个敏感电阻构成全桥输出，检测倾角变化。由此可见本发明的硅微机械两维倾角传感器，结构简单、体积小、阵列密度高，同时能测量两个方向倾角、制作工艺简单的高灵敏度硅微机械两维倾角传感器芯片。其制作方法采用感应藕合等离子体干法刻蚀，能够有效地增加质量块体积提高灵敏度和精确控制应变梁厚度，提高传感器芯片的阵列密度，利于提高成品率并降低成本。同时采用离子注入工艺对压敏电阻区的均匀掺杂，注入剂量精确可控，压敏电阻的一致性好，离子注入形成的电阻区结深较浅，这样压敏电阻就能充分利用最大应变表层，因此具有较高的灵敏度。
附图说明
图1是硅微机械两维倾角传感器芯片结构示意图；
图2是硅微机械两维倾角传感器芯片制作方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步解释：
图1是硅微机械两维倾角传感器芯片结构示意图；图1中，1为硼硅玻璃衬底，2为电极，3为蝶形质量块，4为外围框架。
硅微机械两维倾角传感器核心由一个可动的蝶形质量块3、成“十”字型结构的四个硅应变梁L1、L2、L3、L4构成，硅应变梁连接蝶形质量块3和外围框架4，硼硅玻璃衬底1和外围框架4通过封接技术进行固定，具有过载限位保护功能的硼硅玻璃衬底1凹陷的深度应大于应变梁的最大变形量。
蝶形质量块3的厚度与外围框架4的厚度相同，等于硅片的厚度，为300～600微米。蝶形质量块3的形状为四个角是方形，与外围框架4距离50～100微米。
压敏电阻R1、R2布置在硅应变梁L1的两端，压敏电阻R3、R4布置在硅应变梁L2的两端，压敏电阻R5、R6布置在硅应变梁L3的两端，压敏电阻R7、R8布置在硅应变梁L4的两端。压敏电阻R1、R2、R3、R4组成一个全桥电路，压敏电阻R5、R6、R7、R8组成另一个全桥电路，每个阻值大小一样，为1～10千欧姆。
每个硅应变梁的尺寸完全一致，其厚度为5～20微米，长度为500～2000微米，宽度为50～300微米。
硼硅玻璃衬底1热膨胀系数为2.2～2.5×10^-6/K。
图2是硅微机械两维倾角传感器芯片制作方法流程图。在图2中，硅微机械两维倾角传感器制作流程是：
首先蝶形质量块3和外围框架4所在的硅片清洗及双面热氧化(步骤100)；然后正面光刻并腐蚀出硅应变梁L1、L2、L3、L4上的八个敏感电阻区窗口，并第一次离子注入形成电阻区，正面匀胶并以光刻胶为掩膜光刻出电阻头窗口，进行第二次离子注入以形成欧姆接触区(步骤110)；接着双面热氧化并以氧化层作掩膜，正面光刻并刻蚀出引线孔窗口及正面硅应变梁L1、L2、L3、L4窗口，双面蒸发镀铝(步骤120)；而后背面光刻并刻蚀出硅应变梁L1、L2、L3、L4和外围框架4窗口，正面光刻并刻蚀出铝引线和电极2，合金化完成欧姆接触(步骤130)；正面感应藕合等离子体干法刻蚀出硅应变梁L1、L2、L3、L4结构，并控制厚度(步骤140)；背面感应藕合等离子体干法刻蚀出间隙，释放结构(步骤150)；最后敏感结构与玻璃衬底进行静电封装(步骤160)；金丝球焊引线并进行外封装(步骤170)。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的硅微机械两维倾角传感器芯片及制作方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。