[发明专利]双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以硅各向异性腐蚀为关键技术的双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法，属于微电子机械系统领域。

背景技术

双面平行对称梁质量块结构是加速度传感器中非常重要的敏感结构部件，它的制备工艺是整个传感器的关键工艺之一。在梁质量块结构中，如果梁只是集中在质量块的一个表面，质量块的质心和梁不是在一个平面内，横向加速度会引起梁的弯曲，从而导致传感器的高交叉轴灵敏度。因此，双面平行对称梁质量块结构的制备方法非常关键。

双面平行对称梁质量块结构制备的常用方法有：异质自停止方法、浓硼掺杂自停止方法和双层键合方法。

在双面平行对称梁质量块结构制备上，可以采用异质自停止方法，如以二氧化硅梁工艺为例，它的流程是对硅片氧化后在氧化层上制备出梁的图形，然后通过硅腐蚀释放出由二氧化硅梁支撑着的梁-质量块结构。由于二氧化硅很脆，且氧化得到的二氧化硅厚度一般不超过3μm，所以使用二氧化硅梁的加速度传感器只能使用闭环检测电路，而且抗冲击性能很差。

采用浓硼掺杂自停止的方法(H Seidel，H Riedel，R Kolbeck，G Mueck，W Kupke，M Koeniger，Capacitive Silicon Accelerometer with Highly Symmetrical Design，Sensors and Actuators A：Physical，Vo1.21，pp.312-315)，在制备双面平行对称梁质量块结构时，KOH腐蚀形成梁质量块结构的过程中，浓硼掺杂层起自停止决定梁厚度的作用，同时也作为轻掺杂区域KOH腐蚀的掩模。这种方法的缺点是掺杂浓度不均匀导致梁厚度不均匀以及硼掺杂工艺中产生的残余应力会影响器件的性能，如灵敏度和线性度等等。

采用双层键合方法，形成双面平行对称梁质量块结构(W.S.Henrion，et.al，Sensors structure with L-shaped spring legs，US Patent No.5,652,384)，其工艺可以采用KOH腐蚀结合干法深刻蚀释放的方法。首先从背面用KOH将硅片腐蚀到剩余梁的厚度，然后用干法深刻蚀从正面释放出梁质量块结构。要得到双面结构，可以将两个这样的梁质量块结构背靠背键合起来。这种方法非常复杂，成本相对较高。

熊斌等人发明的专利申请号为200610118484.5，采用各向异性腐蚀技术制备双面交叉梁质量块结构，弹性梁交错分布在质量块的上、下两面，不重合，呈90度交叉或平行，但是这种双面梁质量块结构并不是完全对称结构，横向加速度会引起梁的弯曲，从而导致传感器的高交叉轴灵敏度。

为了解决上述问题，本发明提出了一种以硅各向异性腐蚀为关键技术的双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法。该方法工艺简单，双面平行对称硅梁质量块结构尺寸可精确控制，使得梁质量块结构的制造成品率大大提高；同时，本发明制备的器件在法向具有高度对称性，提高了器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，降低了交叉灵敏度，可应用于多种MEMS器件的结构中，如电容式加速度传感器、电阻式加速度传感器、微机械陀螺等。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双面平行对称硅梁质量块结构及其制备方法，用于解决现有技术中工艺复杂、对称梁结构尺寸不易控制以及对称性差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双面平行对称硅梁质量块结构，至少包括：

支撑框，设置在所述加速度传感器中，其框体呈矩形结构；

质量块，顺应该框体呈矩形立方体结构并设置于所述框体中；

多个悬臂梁，各该悬臂梁的断面为五边形，所述悬臂梁沿所述质量块的水平方向的棱边延伸并连接至所述支撑框，各该悬臂梁对称分布在所述质量块的四个顶角与四个底角上，且所述质量块一顶角上分布的悬臂梁以及与其对应的底角上分布的悬臂梁对称且平行，其中，连接于该质量块顶角与所述框体之间的悬臂梁的上表面、所述框体的上表面、以及该质量块的上表面位于同一平面；连接于该质量块底角与所述框体之间的悬臂梁的下表面、所述框体的下表面、以及该质量块的下表面位于同一平面。

可选地，所述质量块的各顶角及与其对应的底角上分别分布一对平行的悬臂梁，且所述质量块相对两侧面水平方向的棱边分别延伸有两对悬臂梁。

可选地，所述质量块的各顶角及与其对应的底角上分别分布一对平行的悬臂梁，且所述质量块每个侧面水平方向的棱边分别延伸有一对悬臂梁。