[发明专利]一种单片集成CMOS MEMS多层金属三轴电容式加速度传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微型传感器制造技术领域，尤其涉及一种单片集成CMOS MEMS多层金属三轴电容式加速度传感器。

背景技术

MEMS微型传感器是微机电系统的重要组成部分，比如压力传感器，化学传感器，生物传感器，加速度计等，其中以集合了IC工艺与MEMS工艺的微机械加速度计由于其体积小、功耗低、易集成、抗过载能力强及可大批量生产的特点被广泛应用于MIMU的核心元件。随着MEMS设计方法及工艺技术的发展，微机械加速度计已经广泛应用在导弹制导、家用电器、汽车电子等各个消费领域。

电容式加速度计由于其低噪声、高精度、低功耗的突出特点成为微机械加速度计中应用最广泛的一种。现有的电容式加速度计按照结构的不同分为平板式、扭摆式、梳齿式三种：平板式也称为“三明治式”，对称的两个梁、中央敏感质量摆片、玻璃靠近摆片表面镀一层金属形成电容检测极板。该种结构虽然检测精度较高，但是需要双面光刻，要求的工艺较多，同时由于上电极引线困难并且很难实现晶圆级真空封装技术；扭摆式电容加速度计也称为“跷跷板”式电容加速度计，原理是通过位于支撑梁两边的敏感质量块的惯性矩不等，当有垂直于基片的加速度时，质量片绕着支撑梁扭转形成差分电容。虽然制备工艺简单，仅需要制备硅基片和玻璃基片以及最后进行硅-玻璃静电键合，但只能检测单个轴向的加速度数值值，若要检测3个维度的加速度情况，必须要用三个分立的扭摆式电容加速度计，反而在后期的集成及体积控制上相当不便。 

现有的MEMS传感器加工方法分为表面硅加工法、体硅法、和LIGA加工法三种。其中，表面硅加工法的技术弊端是：该方法淀积的敏感质量块的厚度小且尺寸受到工艺的限制能制造出尺寸，导致敏感质量块所能引起的差动电容的变化量非常微小，严重影响微机械电容式加速计的精度。而体硅加工法虽然能产生很大的敏感质量块和较大的检测电容量以及较高的分辨率，但是该方法的较高分辨率是以庞大的器件尺寸为代价的，与MEMS传感器的微小化趋势背道而驰。LIGA加工法虽然能产生较大的纵向深度、高的深宽比值，但需要昂贵的X射线源和复杂的X射线掩膜板，在实际的运用中成本过高而不利于产业推广。

此外，现有的三轴电容式加速度传感器的结构是采用三个分立的电容式加速度传感器，所述的三个独立的电容式加速度传感器分别起x轴向、y轴向、和z轴向的加速度检测的功能。由于采用了三个独立的电容式加速度传感器，必然导致该结构的三轴电容式加速度传感器的整体体积偏大，且需要额外的连线，从而导致该结构三轴电容式加速度传感器的工艺复杂、成本偏高、正品率低下。

因此，需要一种改进的电容式加速度传感器，一方面满足高分辨率、小器件尺寸、低功耗的功能结构要求，另一方面要满足工艺简单、低成本、可批量生产的生产要求。

发明内容

针对现有结构的电容式加速度传感器在结构上和制备工艺上的上述不足，本发明提供一种单片集成CMOS MEMS多层金属三轴电容式加速度传感器及其制备方法。通过在Z轴向上交叉淀积三层金属Al薄膜形成梳齿对敏感电极；在X轴向、Y轴向上交叉淀积4层金属Al/SiO₂薄膜形成梳齿对敏感电极，采用单个的集成结构同时检测三个轴向的加速度,同时在基于成熟的IC工艺技术上能够将传感器结构部件和检测电路部件集成在单一芯片上，在保持电容式加速计具备微小化的同时，确保加速计对微弱信号的检测。本发明采用的技术方案为：

一种单片集成CMOS MEMS多层金属三轴电容式加速度传感器，包括基体1，所述的三轴加速度传感器由锚体、加速度检测质量块、固定梳齿电极、可动梳齿电极和梁组成；其中，锚体包括角锚体101、x轴向锚体103、y轴向锚体102、中心锚体204；加速度检测质量块包括水平加速度检测质量块105和z轴向检测质量块201；固定梳齿电极包括y轴向固定梳齿电极106、x轴向固定梳齿电极108、z轴向固定梳齿电极202；可动梳齿电极包括y轴向可动梳齿电极107、x轴向可动梳齿电极109、z轴向可动梳齿电极203；梁包括L型梁104和扰动梁205；