[发明专利]一种微机械可动梳状栅电容及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机械惯性传感器领域，包括微机械加速度计和微机械陀螺。

背景技术

微机械加速度计和陀螺是最基本的惯性传感器，分别用来测试物体的加速度和角速度。微机械加速度计和陀螺在军事、工业、医疗、消费电子等领域均有重要的应用，不同的应用领域对其性能有着不同的要求。

加速度计和陀螺的性能受限于本身的机械热噪声基底，降低加速度计和陀螺的布朗热噪声基底可有效提高加速度计和陀螺的性能。降低机械热噪声的主要方法有两种：一是降低加速度计系统和陀螺系统的阻尼系数，二是提高加速度计和陀螺的可动质量块质量。目前国际上降低加速度计和陀螺阻尼系数的主要方法有真空封装，提高加速度计和陀螺可动质量块的方法有：用体硅微机械的方法获得大的可动质量块；采用电铸的方法添加金属块；通过人工装配的方法增加质量；增加表面微机械器件的结构层厚度等。

传统栅电容结构加速度计和陀螺采用体硅微机械的加工方法增加结构层厚度，得到较大的可动质量块，使其在大气中工作时也具有较小的机械热噪声。但传统栅电容结构栅电极的形成与结构释放同时进行，将硅片刻穿，使得可动质量块质量受到限制，同时深反应离子刻蚀过程中的滞后效应和凹缺效应会损伤微机械器件的结构，造成器件受损及栅电极表面粗糙。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可提高梳状栅电容加速度计和陀螺的位移机械灵敏度及降低其机械热噪声的微机械可动梳状栅电容。

本发明的发明构思是通过刻蚀或腐蚀体硅背面形成微机械可动梳状栅电容的栅电极，栅电极的形成与结构释放分开进行，栅电极不被刻穿并将栅槽深度控制在一定范围内，由此进一步提高加速度计和陀螺的可动质量块质量。相对于传统栅电容结构，本发明可在同等面积大幅度地提高加速度计和陀螺可动质量块的质量。可动质量块质量的提高可使得加速度计和陀螺在其位移机械灵敏度得到大幅度提升的同时，也使得其机械热噪声大幅度地下降。而栅电极的形成和结构释放分开，还极大地降低了深反应离子刻蚀过程中的凹缺效应和滞后效应对微结构的损伤，提高了器件成品率和加工质量。

本发明解决其技术问题所采取的技术手段是：

本发明微机械可动梳状栅电容主要包括固定电极和硅片上的与梁活动连接的栅电极，其特征是：所述栅电极的栅槽深度的最小值与栅电容间距的比值为1∶1，所述栅电极的栅槽深度的最大值与所述硅片的厚度的比值为0.8∶1。

进一步地，本发明所述栅电极的栅槽深度与栅电容间距的比值≥10∶1，所述栅电极的栅槽深度与硅片的厚度的比值≤0.5∶1。

本发明微机械可动梳状栅电容的制作方法主要包括以下步骤，

步骤一：取硅片进行清洗，先通过热氧化在硅片的正反两面形成氧化层，接着在该硅片背面进行光刻，对硅片正面涂光刻胶进行保护，然后腐蚀硅片背面的氧化层形成氧化层掩膜；

步骤二：刻蚀或腐蚀硅片背面形成悬浮区域；

步骤三：刻蚀或腐蚀硅片背面形成栅电极，所述栅电极的栅槽深度的最小值与栅电容间距的比值为1∶1，所述栅电极的栅槽深度的最大值与硅片的厚度的比值为0.8∶1；

步骤四：选取玻璃片进行清洗，在该玻璃片上淀积一层金属薄膜，腐蚀该金属薄膜层形成固定金属电极；

步骤五：将步骤三得到的具有栅电极的硅片与步骤四得到的具有固定金属电极的玻璃片相对放置，进行硅-玻璃键合，形成栅电容；

步骤六：在键合后的硅片正面淀积一层金属薄膜，然后腐蚀该金属薄膜层，形成体硅引出电极；

步骤七：在步骤六得到的硅片上进行光刻，利用深反应离子刻蚀硅片以释放结构形成梁和固定外框，得到微机械可动梳状栅电容。

进一步地，本发明步骤二所述的刻蚀为深反应离子刻蚀，所述的腐蚀为各向异性湿法腐蚀。

进一步地，本发明步骤三所述的刻蚀为深反应离子刻蚀，所述的腐蚀为各向异性湿法腐蚀。

本发明新型微机械可动梳状栅电容结构相对于传统的栅电容结构具有以下优点：

(1)栅电极的形成与结构释放分开进行，栅电极不被刻穿并将栅槽深度控制在一定范围内，由此进一步提高加速度计和陀螺的可动质量块质量，从而使加速度计和陀螺的位移机械灵敏度得到大幅度提升，机械热噪声大幅度地下降。

(2)栅电极的形成与结构释放分开，栅电极的形成采用正面对准，可将对准误差控制在1μm之内，较传统栅电容结构采用的正反对准误差可提高1～2μm，从而提高了器件加工质量和成品率。