专利名称：压阻式单片集成三轴加速度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种压阻式加速度传感器领域。
背景技术：
常见的微加速度计产品以单轴为主，而微惯性系统以及其他一些应用场合往往需 要双轴或者三轴的加速度计来检测加速度矢量，为满足多轴检测的需要，目前通常使用三 个单轴加速度计组合使用，因而会导致矢量测量精度低、可靠性差、质心不重合、体积大的 缺点。已有一些文献报道开发的多轴微加速度计器件，使用压电原理设计的三轴加速度计， 存在精度低、稳定性差的弱点；使用电容原理设计的三轴加速度计存在信号处理困难，与 C0MS工艺兼容性差的缺点。

实用新型内容本实用新型为了解决目前使用多种原理所设计出的三轴加速度计在测量时都存 在的矢量测量精度低、可靠性差、质心不重合、体积大的缺点，而提出了一种压阻式单片集 成三轴加速度传感器。本实用新型的压阻式单片集成三轴加速度传感器是由一块芯片集成，芯片划分为 固支框区、电路区和传感区；传感区由第一质量块、第二质量块、第一中间梁、第二中间梁、 第一至第四L型敏感梁和第一至第十二压敏电阻组成；第一质量块和第二质量块沿传感区 的纵向中轴线对称设置，第一质量块与第二质量块之间的两个侧面通过两个第一中间梁和 第二中间梁连接，第一质量块与第二质量块之间的两个侧面相对的两个侧面上分别设置有 两个L型敏感梁，即为第一至第四L型敏感梁的一端分别连接在第一质量块与第二质量块 的侧表面上，第一至第四L型敏感梁至相对于传感区M的横向中轴线和纵向中轴线对称设 置，第一L型敏感梁的另一端上设置并排有第一压敏电阻和第二压敏电阻；第二L型敏感梁 的另一端上设置并排有第三压敏电阻和第四压敏电阻；第三L型敏感梁的另一端上设置并 排有第五压敏电阻和第六压敏电阻；第四L型敏感梁的另一端上设置并排有第七压敏电阻 和第八压敏电阻；第一中间梁上设置有第九压敏电阻和第十压敏电阻，第十压敏电阻垂直 于第九压敏电阻形成T字形，T字形的横边位于第一中间梁的外边缘；第二中间梁上设置有 第十一压敏电阻和第十二压敏电阻，第十二压敏电阻垂直于第十一压敏电阻形成T字形，T 字形的横边位于第二中间梁的外边缘；第一质量块、第二质量块、第一中间梁、第二中间梁 和第一至第四L型敏感梁的上表面位于同一水平面，第一中间梁、第二中间梁和第一至第 四L型敏感梁的厚度为20 40微米，第一中间梁、第二中间梁和第一至第四L型敏感梁厚 度小于第一质量块和第二质量块的厚度，厚度差值为370 380微米；第一质量块和第二质 量块的厚度小于固支框区和电路区的厚度，厚度差值为10 20微米。本专利采用系统芯片技术和硅微机械加工技术研制的单片集成三轴加速度传感 器，将信号处理电路与压阻式三轴加速度传感器制作在同一个芯片上，实现上述目标的关 键就在于解决集成电路 传感器的设计技术与工艺兼容技术，使该产品具有体积极小、重量极轻、可靠性高、可用范围广。专利就是将压阻式三轴加速度传感器设计成利于与信号处 理电路工艺相兼容的结构与工艺，采用ICP技术加工三维复杂立体结构，将信号处理电路 与传感器制作在同一芯片上，有效的减少外部使用电子元器件的数量，缩小三轴加速度传 感器的整体尺寸，提高产品的可靠性。该种传感器可以使具有信号处理电路的三轴加速度 传感器尺寸小于10X10X5(长X宽X高)。

图1是本实用新型的压阻式单片集成三轴加速度传感器的俯视图；图2是制造本 实用新型的步骤一的结构示意图；图3是制造本实用新型的步骤二的结构示意图；图4是 制造本实用新型的步骤三的结构示意图；图5是制造本实用新型的步骤四的结构示意图； 图6是制造本实用新型的步骤五的结构示意图；图7是制造本实用新型的步骤六的结构示 意图；图8是制造本实用新型的步骤七的结构示意图；图9是制造本实用新型的步骤八的 结构示意图；图10是制造本实用新型的步骤九的结构示意图；图11是制造本实用新型的 步骤十的结构示意图；图12是制造本实用新型的步骤十一的结构示意图；图13是制造本 实用新型的步骤十二的结构示意图；图14是制造本实用新型的步骤十三的结构示意图；图 15是制造本实用新型的步骤十四的结构示意图；图16是制造本实用新型的步骤十五的结 构示意图；图17是制造本实用新型的步骤十六的结构示意图；图18是制造本实用新型的 步骤十七的结构示意图；图19是制造本实用新型的步骤十八的结构示意图；图20是本实 用新型的压阻式单片集成三轴加速度传感器的仰视立体图；图21是制造本实用新型的步 骤十九的结构示意图；图22是制造本实用新型的步骤二十的结构示意图；图23是制造本 实用新型的步骤二十一的结构示意图；图24是制造本实用新型的步骤二十二的结构示意 图；图25是制造本实用新型的步骤二十三的结构示意图；图26是制造本实用新型的步骤 二十四的结构示意图；图27是制造本实用新型的步骤二十五的结构示意图；图28是制造 本实用新型的步骤二十六的结构示意图；图29是制造本实用新型的步骤二十七的结构示 意图；图30是压阻式单片集成三轴加速度传感器的等效电路图，"X电阻不变，O电阻 减小，■■电阻增加。
具体实施方式
具体实施方式
一结合图1和图20说明本实施方式，本实施方式的压阻式单片集 成三轴加速度传感器是由一块芯片集成，芯片划分为固支框区K、电路区N和传感区M;传感 区M由第一质量块Ml、第二质量块M2、第一中间梁M3、第二中间梁M4、第一至第四L型敏感 梁 M5、M6、M7、M8 和第一至第十二压敏电阻 A、A，、B、B，、C、C，、D、D’、a、b、c、d 组成；第一 质量块Ml和第二质量块M2沿传感区M的纵向中轴线对称设置，第一质量块Ml与第二质量 块M2之间的两个侧面通过两个第一中间梁M3和第二中间梁M4连接，第一质量块Ml与第 二质量块M2之间的两个侧面相对的两个侧面上分别设置有两个L型敏感梁，即为第一至第 四L型敏感梁M5至M8的一端分别连接在第一质量块Ml与第二质量块M2的侧表面上，第 一至第四L型敏感梁M5至M8相对于传感区M的横向中轴线和纵向中轴线对称设置，第一 L型敏感梁M5的另一端上设置并排有第一压敏电阻A和第二压敏电阻A’ ；第二 L型敏感梁 M6的另一端上设置并排有第三压敏电阻B和第四压敏电阻B’ ；第三L型敏感梁M7的另一端上设置并排有第五压敏电阻C和第六压敏电阻C’;第四L型敏感梁M8的另一端上设置并 排有第七压敏电阻D和第八压敏电阻D’ ；第一中间梁M3上设置有第九压敏电阻a和第十 压敏电阻b，第十压敏电阻b垂直于第九压敏电阻a形成T字形，T字形的横边位于第一中 间梁M3的外边缘；第二中间梁M4上设置有第十一压敏电阻c和第十二压敏电阻d，第十二 压敏电阻d垂直于第十一压敏电阻c形成T字形，T字形的横边位于第二中间梁M4的外边 缘；第一质量块Ml、第二质量块M2、第一中间梁M3、第二中间梁M4和第一至第四L型敏感 梁M5至M8的上表面位于同一水平面，第一中间梁M3、第二中间梁M4和第一至第四L型敏 感梁M5至M8的深度小于第一质量块Ml和第二质量块M2的深度，深度差值为20 40微 米；第一质量块Ml和第二质量块M2的深度小于固支框区K和电路区N的深度，深度差值为 10 20微米。
具体实施方式
二 结合图1和图20说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于第一质量块Ml和第二质量块M2之间的两个空隙处分别设置有两个纵向限位 块。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。设置两个横向限位块是为实现对y轴方 向加速度的过载保护的目的。
具体实施方式
三结合图1和图20说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于第一 L型敏感梁M5和第二 L型敏感梁M6之间的空隙处与第三L型敏感 梁M7和第四L型敏感梁M8之间的空隙处分别设置有两个横向限位块。其它组成和连接方 式与具体实施方式
一或二相同。设置两个横向限位块是为实现对y轴方向加速度的过载保 护的目的。压阻式单片集成三轴加速度传感器所采用的工作原理器件中压敏电阻的位置如图1所示，压敏电阻a，b，c, d，位于中心梁上，用于感受 z方向的加速度；压敏电阻A，A’，B，B’，C，C’，D，D’位于末端L形梁上，用于感受x和y方 向的加速度。不同的惠斯通电桥构成的压敏电阻以及对加速度的变化如图30所示。下面是为了说明问题方便，惠斯通电桥Y和惠斯通电桥X是由相同的压敏电阻A， B，C，D构成，实际上它们是在压敏电阻A，B, C，D的位置各有两个不同的压敏电阻A’，B’， C’，D’，共8个电阻分别构成惠斯通电桥Y和惠斯通电桥X，即，实际的三维加速度传感器共 12个电阻，构成3个不同的惠斯通电桥，分别用于检测x轴、y轴和z轴的加速度，但x轴、 y轴的惠斯通电桥输入和输出接法不同，因而它们之间互不干扰，这样使得信号处理电路变 得非常简单，分别处理X轴、y轴和z轴的加速度信号，再对矢量进行求和即可完成。具体说明如下对于惠斯通电桥Z，当对其施加z轴加速度时，电阻b，c阻值增加， 电阻a，d阻值减小，因此惠斯通电桥Z同z轴加速度有一个线性输出，当对其施加对X或y 轴加速度时，质量块移动对中心梁的作用相同，因此没有应变产生，惠斯通电桥Z对x或y 加速度的输出为零，所以惠斯通电桥Z只对z轴加速度敏感；对于惠斯通电桥Y，对其施加 y轴加速度，电阻A，D阻值增加，电阻B，C阻值减小，因此惠斯通电桥Y对y轴加速度敏感， 当对其施加z轴加速度时，四个压敏电阻A，B, C，D变化相同，惠斯通电桥Y输出为零，当对 其施加对x维加速度时，电阻B，D阻值增加，电阻A，C阻值减小，同样惠斯通电桥Y输出为 零，因此惠斯通电桥Y只对y轴加速度敏感。对于惠斯通电桥X，同惠斯通电桥Y的情况类 似，只对x轴加速度敏感，对y轴和z轴加速度不敏感。在传感器的固支边位置采用C0MS工艺制作信号处理电路，采用合适的P+注入浓度使所制作的电路与传感器加工工艺相兼容，为了使所做的电路与传感器工艺相兼容，并 使三个电桥的压敏电阻合理引出，采用了双层金属布线工艺，信号处理电路采用仪表放大 器形式的专用电路，使之适用于加速度传感器的信号处理。压阻式单片集成三轴加速度传感器制造的步骤如下步骤一如图2所示；对N型单晶硅片1进行清洗和一次氧化，在N型单晶硅片1 的上下表面分别生成上层二氧化硅层2和下层二氧化硅层3 ；并如图1所示，划分出固支框 区域K、电路区N和传感区M ；清洗采用半导体平面工艺的标准清洗工艺进行清洗；步骤二 如图3所示；根据电路图在电路区N内对上层二氧化硅层2进行光刻形成 阱区的注入孔；步骤三如图4所示；通过大束流注入机对阱区的注入孔内N型单晶硅片1注入剂 量为4el4 6el4、注入能量为80kev的硼，形成阱区4 ；步骤四如图5所示；去除N型单晶硅片1上表面上的所有上层二氧化硅层2，对 去除了上层二氧化硅层2的表面依次生长薄二氧化硅层5和氮化硅层6 ；薄二氧化硅层5厚 度为50nm ；氮化硅层6厚度为lOOnm 150nm ；步骤五如图6所示；根据电路图在电路区N设定有源区，并通过光刻得到P管场 区与N管场区；步骤六如图7所示；将N管场区以外的区域用光刻胶7覆盖，并对N管场区进行 光刻，光刻得到N管场区的注入孔；步骤七如图8所示；漂去P管场区与N管场区上的薄二氧化硅5和氮化硅层6， 再在P管场区与N管场区四周生长场氧8，并且在P管场区与N管场区内生长栅氧9 ；步骤八如图9所示；将P管场区以外的区域用光刻胶7覆盖，并对P管场区进行 光刻，光刻得到P管场区的注入孔，并在P管场区和N管场区生长多晶硅10 ；步骤九如图10所示；通过光刻在P管场区和N管场区形成多晶硅栅和多晶硅电 阻；步骤十如图11所示；根据传感区M的压敏电阻的位置设定压敏电阻区域11 ；将 感电阻区域9和P管场区以外的区域用光刻胶7覆盖，光刻得到P+的注入孔，再通过大束 流注入机对P+的注入孔内N型单晶硅片1注入剂量为4el4 6el4、注入能量为80kev的 硼，形成加速度传感器的压敏电阻，以及PM0S管的源、漏区和P+的保护环；所注入的P+浓 度即需要兼顾集成电路中PM0S管的源、漏区及P+的保护环的浓度要求，又需要兼顾加速度 传感器的压敏电阻，在保证集成电路的性能的同时，保证加速度传感器的热灵敏度温度系 数为正温度系数，以使加速度传感器在恒流源供电下可使用固定电阻进行温度补偿；步骤十一如图12所示；将N管场区以外的区域用光刻胶7覆盖，光刻得到N+的 注入孔，再通过大束流注入机对N+的注入孔内N型单晶硅片1注入剂量为4el4 6el4、注 入能量为80kev的磷，形成NM0S管的源、漏区和N+的保护环；步骤十二 如图13所示；在电路区N和传感区M的上表面都生长磷硅玻璃12 ；做 为一铝引线的阻挡层，为使传感器与集成电路工艺相兼容，在本专利中采用双层布线工艺， 以保证12个压敏电阻的引出；步骤十三如图14所示；根据电路图第一次铝引线部分设定第一次铝引线区域 13 ；将第一次铝引线区域13以外的区域用光刻胶7覆盖，光刻去除未覆盖光刻胶7的磷硅玻璃12，使需要第一次蒸发铝的部位裸露在外部；步骤十四如图15所示；在第一次蒸发铝的部位的上表面蒸发厚度为1.2i!m的 铝；并加以刻蚀形成第一铝引线14 ；刻蚀铝是采用湿法标准工艺；所述光刻采用对准精度 优于士 1 P m的光刻机进行光刻，表面要求涂胶保护，再进行湿法刻蚀；步骤十五如图16所示；去除上表面上所有的磷硅玻璃12，并对去除了磷硅玻璃 12的表面进行低温二氧化硅15的生长；做为二次铝引线的阻挡层；步骤十六如图17所示；根据电路图第二次铝引线部分设定第二次铝引线区域 16 ；将第二次铝引线区域16以外的区域用光刻胶7覆盖，光刻去除未覆盖光刻胶7的低温 二氧化硅15，使需要第二次蒸发铝的部位裸露在外部；步骤十七如图18所示；在第二次蒸发铝的部位的上表面也蒸发厚度为1.2i!m 的铝；并加以刻蚀形成第二铝引线17 ；步骤十八如图19所示；再在步骤十七完成后的上表面淀积钝化层18，并光刻压 焊点19 ；步骤十九如图21所示；取完成步骤一至步骤十八工艺的N型单晶硅片1，在其 上下表面均涂覆光刻胶7，上表面为满涂覆，下表面涂覆传感区M以外的区域；并如图20所 示，将敏感区M的下表面划分第一质量块Ml区域、第二质量块M2区域、第一中间梁M3区域、 第二中间梁M4区域和第一至第四L型敏感梁M5至M8区域；步骤二十如图22所示；腐蚀裸露在外部的下层二氧化硅层3 ；以备后面刻蚀质 量块做准备；步骤二十一如图23所示；在整个下表面蒸铝20，并通过光刻铝，露出下层二氧化 硅层3的区域、第一质量块Ml区域和第二质量块M2区域以外要刻蚀掉的N型单晶硅片1 部分；步骤二十二 如图24所示；采用感应耦合等离子的方法(ICP)对要刻蚀掉的N型 单晶硅片1部分垂直刻蚀，刻蚀去除为10 30微米；以备形成第一中间梁M3区域、第二中 间梁M4区域和第一至第四L型敏感梁M5至M8区域做基础刻蚀；以士 70g量程加速度传感 器为例，刻蚀剩余深度为80微米；步骤二十三如图25所示；去除下表面上的铝，保留下层二氧化硅层3 ；步骤二十四如图26所示；采用感应耦合等离子的方法(ICP)对覆盖有下层二氧 化硅层3以外的部分进行垂直刻蚀，刻蚀去除为10 30微米；此时第一质量块Ml区域与 第二质量块M2区域比固支框区域K低20微米，形成Z轴限位所需要的距离；步骤二十五如图27所示；根据第一中间梁M3区域、第二中间梁M4区域和第一至 第四L型敏感梁M5至M8区域的形状和位置去除光刻胶7 ；使刻透部分裸露出来，并湿法去 掉要刻透部分的钝化层，露出要刻透部分的N型单晶硅片1 ；步骤二十六如图28所示；采用感应耦合等离子的方法(ICP)对露出要刻透部分 的N型单晶硅片1进行垂直刻蚀，并刻透，使结构完全释放；步骤二十七如图29所示；去掉表面上的光刻胶；并使用玻璃21对其进行静电封 接；步骤二十八最后进行划片、封装、压焊、电路调试和性能测试，最终完成。
权利要求压阻式单片集成三轴加速度传感器，其特征在于它是由一块芯片集成，芯片划分为固支框区(K)、电路区(N)和传感区(M)；传感区(M)由第一质量块(M1)、第二质量块(M2)、第一中间梁(M3)、第二中间梁(M4)、第一至第四L型敏感梁(M5)至(M8)和第一至第十二压敏电阻组成；第一质量块(M1)和第二质量块(M2)沿传感区(M)的纵向中轴线对称设置，第一质量块(M1)与第二质量块(M2)之间的两个侧面通过两个第一中间梁(M3)和第二中间梁(M4)连接，第一质量块(M1)与第二质量块(M2)之间的两个侧面相对的两个侧面上分别设置有两个L型敏感梁，即为第一至第四L型敏感梁(M5)至(M8)的一端分别连接在第一质量块(M1)与第二质量块(M2)的侧表面上，第一至第四L型敏感梁相对于传感区(M)的横向中轴线和纵向中轴线对称设置，第一L型敏感梁(M5)的另一端上设置并排有第一压敏电阻(A)和第二压敏电阻(A’)；第二L型敏感梁(M6)的另一端上设置并排有第三压敏电阻(B)和第四压敏电阻(B’)；第三L型敏感梁(M7)的另一端上设置并排有第五压敏电阻(C)和第六压敏电阻(C’)；第四L型敏感梁(M8)的另一端上设置并排有第七压敏电阻(D)和第八压敏电阻(D’)；第一中间梁(M3)上设置有第九压敏电阻(a)和第十压敏电阻(b)，第十压敏电阻(b)垂直于第九压敏电阻(a)形成T字形，T字形的横边位于第一中间梁(M3)的外边缘；第二中间梁(M4)上设置有第十一压敏电阻(c)和第十二压敏电阻(d)，第十二压敏电阻(d)垂直于第十一压敏电阻(c)形成T字形，T字形的横边位于第二中间梁(M4)的外边缘；第一质量块(M1)、第二质量块(M2)、第一中间梁(M3)、第二中间梁(M4)和第一至第四L型敏感梁(M5)至(M8)的上表面位于同一水平面，第一中间梁(M3)、第二中间梁(M4)和第一至第四L型敏感梁(M5)至(M8)的厚度为20～40微米，第一中间梁(M3)、第二中间梁(M4)和第一至第四L型敏感梁(M5)至(M8)厚度小于第一质量块(M1)和第二质量块(M2)的厚度，厚度差值为370～380微米；第一质量块(M1)和第二质量块(M2)的厚度小于固支框区K和电路区(N)的厚度，厚度差值为10～20微米。
2.根据权利要求1所述的压阻式单片集成三轴加速度传感器，其特征在于第一质量块 (Ml)和第二质量块(M2)之间的两个空隙处分别设置有两个纵向限位块。
3.根据权利要求1或2所述的压阻式单片集成三轴加速度传感器，其特征在于第一L 型敏感梁(M5)和第二 L型敏感梁(M6)之间的空隙处与第三L型敏感梁(M7)和第四L型 敏感梁(M8)之间的空隙处分别设置有两个横向限位块。
专利摘要压阻式单片集成三轴加速度传感器。本实用新型涉及压阻式加速度传感器领域。它解决了测量时存在的矢量测量精度低、可靠性差、质心不重合、体积大的缺点。它是由一块芯片集成，芯片划分为固支框区、电路区和传感区；第一二质量块沿传感区的纵向中轴线对称设置，第一二质量块之间连有第一二中间梁，第一二质量块外侧面上分别设置两个L型敏感梁，第一至四L型敏感梁相对于传感区的横向中轴线和纵向中轴线对称设置，第一至八压敏电阻设置在L型敏感梁头上，第九至十二压敏电阻设置在第一二中间梁上，芯片的上表面位于同一水平面，从深到浅依次为梁、质量块和敏感区外部。利用压阻效应原理，将加速度计与电路集成在一个芯片上，提高测量精度和可靠性。
文档编号G01P15/12GK201561985SQ20092021557
公开日2010年8月25日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者付博, 寇文兵, 张岩, 李海博, 李玉玲, 王振, 王晓光, 王永刚, 王江, 田雷, 金建东, 齐虹 申请人:中国电子科技集团公司第四十九研究所