[发明专利]一种联动接触电容式加速度敏感芯片及其制造方法

说明书

本发明公开了一种联动接触电容式加速度敏感芯片及其制造方法。该芯片采用绝缘体上硅材料(SOI)并结合硅硅直接键合技术制造，Z轴为其敏感方向，包括刻有凹槽的单晶硅衬底，悬空可动的下极板，氮化硅介质层，密封腔体，上极板，金属层。初始状态下，敏感结构的腔体内部与外界存在气压差，上极板与下极板上的介质层处于接触状态；当外界加速度作用于敏感结构上时，两极板的接触面积发生变化，由于下极板是悬空可动的，上下极板形成联动效果，通过压焊点与外部电路连接成电容检测电路，将加速度信号转换成电容信号输出。这种联动接触电容式加速度敏感芯片具有线性度好、线性量程范围大、过载能力强、交叉耦合系数小、可靠性高、温度漂移小等优点。

技术领域

本发明主要涉及一种联动接触电容式加速度敏感芯片及其制造方法，属于微机电系统(MEMS)领域。

背景技术

随着MEMS技术的发展，加速度计成为各行业中不可缺少的关键器件，已被广泛应用于汽车电子，工业控制，生物医学和国防军工等领域。相比于压阻式加速度传感器，电容式加速度传感器具有灵敏度高、功耗低、温度特性好等优势，更加适合研制高精度加速度传感器，特别是在现代航空航天技术和现代国防装备等方面对加速度测量精度和可靠性要求日益增加的背景下，MEMS电容式加速度传感器的研究受到国内外高度重视。

目前，主流的电容式加速度传感器通常采用“梳齿式”和“三明治式”结构。这两种敏感结构主要是通过改变电极板之间间距引起电容变化实现加速度检测，其输入与输出信号之间非线性严重，通常需要控制质量块的位移来获得一段相对较线性的工作区域，但范围却比较小，线性度也有进一步提升的空间，且存在电容变化量小的缺点，不仅给后续处理电路带来很大的困难，同时也影响器件的精度和灵敏度。为提高电容式加速度传感器的性能，本发明提出了一种接触电容式加速度敏感结构，其是通过改变上、下极板的相互接触面积实现加速度测量。该结构的特点在于：在上极板上制作金属层增加上极板质量，使得上极板的形变对外界加速度作用更加敏感，且结构中下极板为悬空可动；在未受到加速度作用时，由于敏感结构腔体内部与外界存在气压差，上极板与下极板已经处于相互接触状态；当有加速度作用于敏感结构时，上、下极板之间的接触面积会发生变化，输出电容以两极板间的接触电容为主，在此过程中，下极板也随上极板的运动发生形变并起到调节的作用，形成联动的效果，使得接触面积以一个近乎常数的速率改变，因此输出电容值会与加速度变化呈现近似线性关系，传感器表现出优越的线性度和更高的输出电容值，从而解决普通电容式加速度传感器输入与输出之间线性度差、电容变化量小等问题。

该结构可采用SOI材料，并利用干法刻蚀和硅硅直接键合技术的方法来实现。SOI硅片的顶层硅薄膜厚度的精度可控制在几纳米以内，因此采用SOI材料的硅薄膜来制备敏感结构的上、下极板，将显著提高极板厚度的精确性。硅硅直接键合技术是指通过化学和物理的作用将硅片与硅片、氧化片等材料紧密地结合起来的方法，可实现对SOI硅片顶层单晶硅薄膜的完美转移，使上下极板的制造工艺更加便于控制、易于实现，并可通过控制键合腔室的气压，来精确设置敏感结构腔体的内部气压。

正是在这种研究背景下，本发明提出了一种联动接触电容式加速度敏感芯片及其制造方法。

发明内容

发明目的：

本发明，一种联动接触电容式加速度敏感芯片及其制造方法，是指本发明附图所示的加速度敏感芯片及其制造方法。目的在于提高MEMS电容式加速度传感器的线性度、灵敏度和过载能力，增大线性区域的量程范围，并使所述芯片的制造工艺更加易于控制和实现，减小芯片面积和降低成本。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种联动接触电容式加速度敏感芯片及其制造方法，其特征在于：该芯片包括刻蚀有凹槽的单晶硅衬底，位于衬底之上的下极板，下极板上的介质层，上极板，上极板与衬底凹槽构成的密封腔体，以及上极板之上的金属层；上、下极板通过压焊点与外部电路连接成加速度检测电路，将加速度信号转换成电容信号输出。