[发明专利]一种MEMS压阻式加速度传感器及其制造方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)传感器领域中的加速度传感器及其制造方法，具体涉及一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器及其制造方法。

(二)背景技术

MEMS加速度传感器由于体积小、质量轻、成本低、可靠性高等优点，在航空航天、环境监测、军事、汽车等领域备受关注，尤其对器件体积、质量及可靠性有很高要求的航空航天及兵器科学领域有很大的应用前景。MEMS压阻式加速度传感器体积小，频率范围宽，测量加速度的范围也宽，直接输出电压信号，相比电容式加速度传感器，不需要复杂的电路接口，大批量生产时价格低廉，可重复生产性好，可直接测量连续的加速度和稳态加速度。然而，应用环境的复杂和恶劣导致MEMS加速度传感器的可靠性逐渐成为器件设计时主要考虑的问题之一，传感器长期稳定性和可靠性对于器件应用来说非常重要。基于此，有必要发明一种MEMS压阻式加速度传感器芯片，以保证加速度传感器在应用时的稳定性与可靠性。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种基于阳极键合封装技术、表面微加工、体微加工工艺的MEMS压阻式加速度传感器芯片，以保证加速度传感器在应用时的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度传感器，所述的传感器具有第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式加速度传感器悬臂梁，硅基的正面形成有压阻式加速度传感器的压阻区域，所述压阻式加速度传感器的压阻区域位于压阻式加速度传感器悬臂梁的上表面根部，并且注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆接触区，所述压阻式加速度传感器压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有第一氮化硅层，所述的二氧化硅层和第一氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利用金属导线连通压阻区域，并且压阻式加速度传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属导线构成惠斯顿全桥连接，所述金属导线的上方沉积有第二氮化硅层，所述第二氮化硅层的上方沉积有非晶硅，并且，利用非晶硅作为台阶，所述的非晶硅与第一键合玻璃键合后形成一个真空腔体，所述硅基的正面还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管脚，浓硼导线将传感器工作区与金属管脚连通，所述硅基的背面与第二键合玻璃阳极键合。

本发明MEMS压阻式加速度传感器，优选所述的硅基为n型(100)硅片；优选所述第二氮化硅层的上方沉积的非晶硅的厚度为2～4μm。

本发明MEMS压阻式加速度传感器的工作原理如下：本发明MEMS压阻式加速度传感器主要基于硼掺杂后单晶硅的压阻特性，压阻式加速度传感器悬臂梁上的淡硼扩散压阻受到力的作用后，电阻率发生变化，通过惠斯顿全桥可以得到正比于力变化的电信号输出，通过测量电信号输出就能知道所测物理量的大小。本发明中我们向N型(100)晶向硅片注入硼来实现P型压阻，利用PN结实现压阻的隔绝，由于压阻的压阻系数的各向异性，不同方向的应力对压阻有不同的影响，为了尽可能增加灵敏度，本发明所述的MEMS压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻的排布方式为：纵向沿硅基的(1,1,0)晶向方向、横向沿硅基的(1,-1,0)晶向方向分布，纵向压阻系数、横向压阻系数分别为71.8，-66.3。

本发明所述的MEMS压阻式加速度传感器为双悬臂梁设计，所述压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻为4组，每组由两个平行的淡硼扩散压阻组成，其中两组对桥臂淡硼扩散压阻对称分布在悬臂梁上表面根部的应力集中区域，另外两组淡硼扩散压阻对称分布在零应力区。当然，根据不同的灵敏度需要也可以采用不同的悬臂梁结构，如单边单梁、双边双梁、双边四梁、四边四梁、四边八梁等。并且，所述的淡硼扩散压阻也可以采用不同的分布方式，4组淡硼扩散压阻(可以是4根，也可以8根对折型等)通过金属导线连接构成惠斯顿全桥，本发明压阻式加速度传感器金属管脚的一种连接方式为：第一管脚接压阻式加速度传感器输出负，第二管脚接地，第三管脚接压阻式加速度传感器输出正，第四管脚接电源正极。

本发明还提供了一种所述的MEMS压阻式加速度传感器的制造方法，所述的制造方法按如下步骤进行：

a)取硅片作为硅基，双面抛光，清洗，正面热氧长一层二氧化硅保护层，正面光刻胶作掩膜光刻出压阻式加速度传感器的压阻区域，然后在压阻区域注入淡硼，形成淡硼扩散压阻，去除光刻胶；