微加速度传感器
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完全腐蚀穿通时，表面上的梁同时被腐蚀下沉至质量块的中平面附近 而形成对称梁。
差分电容式微加速度传感器工艺流程
10. 双面光刻去除硅片两面的掩膜。 11. 改用等离子体干法刻蚀同时减薄硅片的质量块及梁区。 12. 选用固态硼扩散源，对硅片两面进行硼扩散，作为动极板电极。 13. 将7740（Pyrex）玻璃作为微传感器的定极板，并在玻璃上做电容器
面蒸铝，获得引线电极，见下图(g)。
硅四层键合的高对称电容式加速度传感器的工艺过程
硅微电容式加速度传感器的工艺过程
❖ 玻璃是传感器的一个电极，又是传感器的衬底。玻璃清洗烘干后光刻 图形，用BHF液腐蚀出凹槽，如图（a）所示。玻璃凹槽内的电极采用 磁控溅射的方法实现。
❖ 硅晶片制作传感器的硼硅膜，同时又制作质量块。先在硅片的两面氧 化出氧化层，利用Carsuss光刻机双面光刻相应的图形，该图形是为 了得到质量块而设计的削角补偿图，如图（b）俯视图所示。
的电极。将玻璃做标准清洗后烘干一个小时后双面涂胶，并在玻璃 上与动极板电极对称的位置上光刻电极图形。 14. 采用磁控溅射工艺，先溅射20nm的钛，再溅射300nm的铝。 15. 考虑上下电极在大加速度作用下会接触的情况，用PECVD法在金属电 极上淀积Si3N4膜作为上下电极的绝缘层，再用丙酮去胶。 16. 采用静电键合法将上下玻璃电极和中间硅片键合，玻璃上溅射金属 面和硅片硼扩面键合，形成“玻璃—硅—玻璃”的三明治结构。 17. 最后进行V型槽腐蚀、金属化、划片等后续工艺处理。
艺过程 ❖硅四层键合的高对称电容式加速度传感器
的工艺过程 ❖硅微电容式加速度传感器的工艺过程 ❖差分电容式微加速度传感器工艺流程
硅微压阻式加速度传感器的工艺过程
传感器芯片制作工艺过程：
a. 离子注入
b. 外延单晶硅层
c. 硼离子注入 e. 反刻压阻
d. 一次光刻 f. 二次光刻
g. 溅射
h. 三次光刻
孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程
关键工艺研究： 压阻的形成 KOH湿法腐蚀 ICP刻蚀 键合工艺
孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程
工艺流程设计： 上盖板：
1.备片 2.氧化 3.RIE刻蚀刻蚀腐蚀槽 4.KOH腐蚀槽深 5.氧化 6.RIE刻蚀过载保护 7.KOH二次槽深腐蚀
孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程
❖ 采用硅—硅直接键合的方法键合上、下质量块层，见下图(b)。 ❖ 用DRIE释放下层梁，见下图(c)。 ❖ 在下电极上制作0．1μm厚的硼硅玻璃层，然后将质量块层与下电
极进行玻璃软化键合，见下图(d)。 ❖ 用DRIE释放上层梁，然后在真空条件下键合上电极，方法与下电
极相同，从而实现了圆片级真空封装，见下图(e)和(f)。 ❖ 用KOH腐蚀穿上电极的引线窗，漂去表面的SiO2后对硅片的上、下
横向灵敏度
由于大多数的硅微加速度传感器所采用 的结构的惯性质量块的中心不在支撑梁的中 心面上，所以硅微加速度传感器中普遍存在 横向灵敏度高的问题，这也是硅微加速度传 感器研究中的一个重要方向。
微加速度传感器的分类及特点
微加速度传感器可通过其加工技术、控 制系统类型、敏感机理来分类。
体加工
加工 技术
频率响应
频率响应范围窄是现有的硅微传感器中 存在的一个重要问题。在硅微压阻式加速度 传感器中要扩大传感器的频响范围，就必须 提高梁的刚度或减小惯性质量，这就会使传 感器的灵敏度下降，而在其它传感方式(如电 容式、力平衡式和热加速度传感器等)中，除 上述原因外，传感方式本身限制了传感器的 频响范围。因此，改善频率响应特性是硅微 加速度传感器中的一个重要课题。
封装和阻尼
对微加速度传感器的封装的主要要求有:
要使敏感元件免受安装带来的应力影响; 当温度变化时，不会因封装材料与制造敏感元 件的材料热膨胀系数不同而产生应力; 应具有保护作用，防止敏感元件在受冲击时损 坏; 使敏感元件免受使用环境的污染和腐蚀; 提供可靠的引线方式; 通过一定的手段获得临界阻尼，以得到最好的 频响特性。
硅四层键合的高对称电容式加速度传感器的工艺过程
❖ 首先分别制作4层硅片。其中，对于质量块上层和质量块下层，先 分别用KOH腐蚀出2～3μm的电容间隙，然后从背面使用KOH腐蚀至 剩余40μm。对于上下极板，将其氧化2μm构成绝缘层，然后用 BOE在对应于电容间隙的位置腐蚀出防撞凸点，见下图(a)。
硅微电容式加速度传感器的工艺过程
差分电容式微加速度传感器工艺流程
1. 采用P型（100）晶向的双面抛光硅片，进行标准RCA清洗，用稀释HF 溶液点浸。
2. 在双面抛光硅片上热氧化生长氧化层。 3. 双面对准光刻形成台阶掩膜图形并划片标记。 4. 对硅片两面的台阶区域进行各向异性腐蚀，形成台阶。 5. 在形成台阶的硅片两面热氧化生长氧化层。 6. 对硅片进行双面对准光刻，形成质量块和梁区的掩膜图形。 7. 对形成掩膜后的硅片两面进行各向异性腐蚀。 8. 双面腐蚀除去梁上的氧化层掩膜。 9. 对硅片两面进行无掩膜的各向异性腐蚀，当梁和质量块周围的穿通区
LOGO
微加速度传感器
micro-accelerometer
主要内容
1
微加速度传感器的简介
2 微加速度传感器的分类及特点
3 典型微加速度传感器的制造工艺
4 微加速度传感器的发展趋势
微加速度传感器的简介
微加速度传感器的概况 微加速度传感器的原理 微加速度传感器的关键技术
微加速度传感器的概况
微电子机械系统(MEMS)是在微电子技术 基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科， 它以微电子及机械加工技术为依托，范围涉 及微电子学、机械学、力学、自动控制学、 材料科学等多种工程技术和学科，是一个新 兴的、多学科交叉、多技术融合的高科技领 域。
表面加工
微加速度传感器的分类及特点
控制系统类型
开环式：结构上没 有反馈控制端，质 量块不会自动回到 平衡位置（除非外 加的加速度停止作 用）。
闭环式：结构上有 力反馈控制端，用 来把检测电路输出 的电学量转变成静 电引力，从而使质 量块重新回到平衡 位置。
微加速度传感器的分类及特点
根据敏感机理，可以分为：
孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程
LCC20型陶深腔瓷管壳单芯片封装的过程为： ➢ 管芯分选 ➢ 管芯质量检验(压阻测试，方块电阻测试等) ➢ 用导电肢将管芯贴装至管壳中 ➢ 固化2小时 ➢ 压焊φ38μm的金线进行内引线键合 ➢ 封装前质量检验 ➢ 管壳封盖 ➢ 封盖后质量检验 ➢ 测试（线路导通测试）
❖ 把溅射好电极的玻璃和硼扩腐蚀过的硅片进行静电键合。键合后如图 （c）所示。
❖ 最后用自停止腐蚀法去掉轻掺杂层与单晶硅，得到重掺杂层的硼硅膜 及质量块，如图（d）所示。
❖ 硅膜片再次光刻出梁结构图形，用等离子刻蚀机进行刻蚀，刻蚀气体 为SF6，刻蚀后如图（e）所示。
❖ 引线和封装，引线后在一分钱硬币为背景时，整个器件如图（f）所 示。
微加速度传感器的发展趋势
加强基础 理论研究
探索新工作机理 开发新器件结构
向微机械谐振式 传感器发展
多维化
实用化与 产业化
LOGO
梁—质量块结构制作工艺：
1. 备片 3. RIE刻蚀 5. 二次氧化 7. 正面扩浓硼 9. RIE刻蚀 11. 四次氧化 13. RIE刻蚀 15. RIE刻蚀 17. 腐蚀金 19. ICP刻蚀 21. 硅—硅键合
2. 硅片氧化 4. 正面扩硼 6. RIE刻蚀 8. 三次氧化 10. ICP刻蚀 12. PEVCD正面淀积Si3N4 14. ICP刻蚀 16. 蒸金 18. RIE刻蚀 20. 硅—玻璃键合 22. 划片封装
❖ 微型压阻式加速度传感器 ❖ 微型电容式加速度传感器 ❖ 微型热电耦式加速度传感器 ❖ 微型谐振式加速度传感器 ❖ 硅微光波导加速度传感器 ❖ 隧道电流式微加速度传感器 ❖ 微机械压电加速度传感器 ❖ 真空微电子式加速度传感器 ❖ 力平衡式微机械加速度传感器
典型微加速度传感器的制造工艺
❖硅微压阻式加速度传感器的工艺过程 ❖孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工
微加速度传感器的概况
基于MEMS技术的微型传感器是微机电系统研 究中最具活力与现实意义的领域。微加速度传感器 作为微传感器的重要分支一直是热门的研究课题。 采用微机电技术制造的微加速度传感器在寿命、可 靠性、成本、体积和重量等方面都要大大优于常规 的加速度传感器，使得其无论在民用领域，还是在 军用领域都有着广泛的应用。在军用上可用于各种 飞行装置的加速度测量、振动测量、冲击测量，尤 其在武器系统的精确制导系统、弹药的安全系统、 弹药的点火控制系统有着极其广泛的应用前景。
i. 键合引线
j. ICP二次刻蚀
k. 沉积
l. 抛光、划片
硅微压阻式加速度传感器的工艺过程
硅微压阻式加速度传感器的工艺过程
下层SOI基底的制作方法：
a.离子注入：同样采取氧离子注入，获SiO2隔离层，同时 SiO2层的存在也可充当保护敏感元件工作的隔热层； b.外延单晶硅层：再用LPCVD技术在上层硅片上沉淀一定厚 度的单晶硅层作为加工层； c.光刻：在SOI基底上光刻凹槽图样； d.各向异性自停止刻蚀凹槽：将光刻后的硅片进行各向异性 腐蚀，进行到SiO2层上表面时，腐蚀自停止，得到需要的凹 槽； e.LPCVD法生长抗冲击限位块：最后在凹槽内沉淀一个抗冲 击限位块。
微加速度传感器的原理
惯性式加速度传感器的力学模Байду номын сангаас如下图所示。
微加速度传感器的原理
微加速度传感器的原理
微加速度传感器的关键技术
微加速度传感器的关键技术
信号处理
频率响应
封装和阻尼
横向灵敏度
信号处理
由于硅微加速度传感器的加工采用了与 集成电路工艺兼容的制造工艺，将传感元件 和信号处理电路集成在同一器件上，制造出 “灵巧”传感器，使传感器的性能大大提高， 给传感器的使用带来了极大的方便。将来的 发展方向是除具有总合的上述功能外，还应 有信号开关、信号滤波、信号处理、数据转 换、存储和通讯等功能。
硅微压阻式加速度传感器的工艺过程
孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程
孔缝悬臂梁压阻式加速度传惑器为小量程传感 器，量程为O—5g，灵敏度设计为0.1mV／(m/s2)— 6mV／(m/s2)，因此采用悬臂梁结构较为合适。为了 获得高灵敏度，除了使梁的厚度尽可能小之外，还 采用了基于应力集中的悬臂梁设计方案。传感器采 用三明治结构，由上下盖板和中间芯片梁—质量块 结构三部分组成。
差分电容式微加速度传感器工艺流程
10. 双面光刻去除硅片两面的掩膜。 11. 改用等离子体干法刻蚀同时减薄硅片的质量块及梁区。 12. 选用固态硼扩散源，对硅片两面进行硼扩散，作为动极板电极。 13. 将7740（Pyrex）玻璃作为微传感器的定极板，并在玻璃上做电容器
面蒸铝，获得引线电极，见下图(g)。
硅四层键合的高对称电容式加速度传感器的工艺过程
硅微电容式加速度传感器的工艺过程
❖ 玻璃是传感器的一个电极，又是传感器的衬底。玻璃清洗烘干后光刻 图形，用BHF液腐蚀出凹槽，如图（a）所示。玻璃凹槽内的电极采用 磁控溅射的方法实现。
❖ 硅晶片制作传感器的硼硅膜，同时又制作质量块。先在硅片的两面氧 化出氧化层，利用Carsuss光刻机双面光刻相应的图形，该图形是为 了得到质量块而设计的削角补偿图，如图（b）俯视图所示。
的电极。将玻璃做标准清洗后烘干一个小时后双面涂胶，并在玻璃 上与动极板电极对称的位置上光刻电极图形。 14. 采用磁控溅射工艺，先溅射20nm的钛，再溅射300nm的铝。 15. 考虑上下电极在大加速度作用下会接触的情况，用PECVD法在金属电 极上淀积Si3N4膜作为上下电极的绝缘层，再用丙酮去胶。 16. 采用静电键合法将上下玻璃电极和中间硅片键合，玻璃上溅射金属 面和硅片硼扩面键合，形成“玻璃—硅—玻璃”的三明治结构。 17. 最后进行V型槽腐蚀、金属化、划片等后续工艺处理。
艺过程 ❖硅四层键合的高对称电容式加速度传感器
的工艺过程 ❖硅微电容式加速度传感器的工艺过程 ❖差分电容式微加速度传感器工艺流程
硅微压阻式加速度传感器的工艺过程
传感器芯片制作工艺过程：
a. 离子注入
b. 外延单晶硅层
c. 硼离子注入 e. 反刻压阻
d. 一次光刻 f. 二次光刻
g. 溅射
h. 三次光刻
孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程
关键工艺研究： 压阻的形成 KOH湿法腐蚀 ICP刻蚀 键合工艺
孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程
工艺流程设计： 上盖板：
1.备片 2.氧化 3.RIE刻蚀刻蚀腐蚀槽 4.KOH腐蚀槽深 5.氧化 6.RIE刻蚀过载保护 7.KOH二次槽深腐蚀
孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程
❖ 采用硅—硅直接键合的方法键合上、下质量块层，见下图(b)。 ❖ 用DRIE释放下层梁，见下图(c)。 ❖ 在下电极上制作0．1μm厚的硼硅玻璃层，然后将质量块层与下电
极进行玻璃软化键合，见下图(d)。 ❖ 用DRIE释放上层梁，然后在真空条件下键合上电极，方法与下电
极相同，从而实现了圆片级真空封装，见下图(e)和(f)。 ❖ 用KOH腐蚀穿上电极的引线窗，漂去表面的SiO2后对硅片的上、下
横向灵敏度
由于大多数的硅微加速度传感器所采用 的结构的惯性质量块的中心不在支撑梁的中 心面上，所以硅微加速度传感器中普遍存在 横向灵敏度高的问题，这也是硅微加速度传 感器研究中的一个重要方向。
微加速度传感器的分类及特点
微加速度传感器可通过其加工技术、控 制系统类型、敏感机理来分类。
体加工
加工 技术
频率响应
频率响应范围窄是现有的硅微传感器中 存在的一个重要问题。在硅微压阻式加速度 传感器中要扩大传感器的频响范围，就必须 提高梁的刚度或减小惯性质量，这就会使传 感器的灵敏度下降，而在其它传感方式(如电 容式、力平衡式和热加速度传感器等)中，除 上述原因外，传感方式本身限制了传感器的 频响范围。因此，改善频率响应特性是硅微 加速度传感器中的一个重要课题。
封装和阻尼
对微加速度传感器的封装的主要要求有:
要使敏感元件免受安装带来的应力影响; 当温度变化时，不会因封装材料与制造敏感元 件的材料热膨胀系数不同而产生应力; 应具有保护作用，防止敏感元件在受冲击时损 坏; 使敏感元件免受使用环境的污染和腐蚀; 提供可靠的引线方式; 通过一定的手段获得临界阻尼，以得到最好的 频响特性。
硅四层键合的高对称电容式加速度传感器的工艺过程
❖ 首先分别制作4层硅片。其中，对于质量块上层和质量块下层，先 分别用KOH腐蚀出2～3μm的电容间隙，然后从背面使用KOH腐蚀至 剩余40μm。对于上下极板，将其氧化2μm构成绝缘层，然后用 BOE在对应于电容间隙的位置腐蚀出防撞凸点，见下图(a)。
硅微电容式加速度传感器的工艺过程
差分电容式微加速度传感器工艺流程
1. 采用P型（100）晶向的双面抛光硅片，进行标准RCA清洗，用稀释HF 溶液点浸。
2. 在双面抛光硅片上热氧化生长氧化层。 3. 双面对准光刻形成台阶掩膜图形并划片标记。 4. 对硅片两面的台阶区域进行各向异性腐蚀，形成台阶。 5. 在形成台阶的硅片两面热氧化生长氧化层。 6. 对硅片进行双面对准光刻，形成质量块和梁区的掩膜图形。 7. 对形成掩膜后的硅片两面进行各向异性腐蚀。 8. 双面腐蚀除去梁上的氧化层掩膜。 9. 对硅片两面进行无掩膜的各向异性腐蚀，当梁和质量块周围的穿通区
LOGO
微加速度传感器
micro-accelerometer
主要内容
1
微加速度传感器的简介
2 微加速度传感器的分类及特点
3 典型微加速度传感器的制造工艺
4 微加速度传感器的发展趋势
微加速度传感器的简介
微加速度传感器的概况 微加速度传感器的原理 微加速度传感器的关键技术
微加速度传感器的概况
微电子机械系统(MEMS)是在微电子技术 基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科， 它以微电子及机械加工技术为依托，范围涉 及微电子学、机械学、力学、自动控制学、 材料科学等多种工程技术和学科，是一个新 兴的、多学科交叉、多技术融合的高科技领 域。
表面加工
微加速度传感器的分类及特点
控制系统类型
开环式：结构上没 有反馈控制端，质 量块不会自动回到 平衡位置（除非外 加的加速度停止作 用）。
闭环式：结构上有 力反馈控制端，用 来把检测电路输出 的电学量转变成静 电引力，从而使质 量块重新回到平衡 位置。
微加速度传感器的分类及特点
根据敏感机理，可以分为：
孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程
LCC20型陶深腔瓷管壳单芯片封装的过程为： ➢ 管芯分选 ➢ 管芯质量检验(压阻测试，方块电阻测试等) ➢ 用导电肢将管芯贴装至管壳中 ➢ 固化2小时 ➢ 压焊φ38μm的金线进行内引线键合 ➢ 封装前质量检验 ➢ 管壳封盖 ➢ 封盖后质量检验 ➢ 测试（线路导通测试）
❖ 把溅射好电极的玻璃和硼扩腐蚀过的硅片进行静电键合。键合后如图 （c）所示。
❖ 最后用自停止腐蚀法去掉轻掺杂层与单晶硅，得到重掺杂层的硼硅膜 及质量块，如图（d）所示。
❖ 硅膜片再次光刻出梁结构图形，用等离子刻蚀机进行刻蚀，刻蚀气体 为SF6，刻蚀后如图（e）所示。
❖ 引线和封装，引线后在一分钱硬币为背景时，整个器件如图（f）所 示。
微加速度传感器的发展趋势
加强基础 理论研究
探索新工作机理 开发新器件结构
向微机械谐振式 传感器发展
多维化
实用化与 产业化
LOGO
梁—质量块结构制作工艺：
1. 备片 3. RIE刻蚀 5. 二次氧化 7. 正面扩浓硼 9. RIE刻蚀 11. 四次氧化 13. RIE刻蚀 15. RIE刻蚀 17. 腐蚀金 19. ICP刻蚀 21. 硅—硅键合
2. 硅片氧化 4. 正面扩硼 6. RIE刻蚀 8. 三次氧化 10. ICP刻蚀 12. PEVCD正面淀积Si3N4 14. ICP刻蚀 16. 蒸金 18. RIE刻蚀 20. 硅—玻璃键合 22. 划片封装
❖ 微型压阻式加速度传感器 ❖ 微型电容式加速度传感器 ❖ 微型热电耦式加速度传感器 ❖ 微型谐振式加速度传感器 ❖ 硅微光波导加速度传感器 ❖ 隧道电流式微加速度传感器 ❖ 微机械压电加速度传感器 ❖ 真空微电子式加速度传感器 ❖ 力平衡式微机械加速度传感器
典型微加速度传感器的制造工艺
❖硅微压阻式加速度传感器的工艺过程 ❖孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工
微加速度传感器的概况
基于MEMS技术的微型传感器是微机电系统研 究中最具活力与现实意义的领域。微加速度传感器 作为微传感器的重要分支一直是热门的研究课题。 采用微机电技术制造的微加速度传感器在寿命、可 靠性、成本、体积和重量等方面都要大大优于常规 的加速度传感器，使得其无论在民用领域，还是在 军用领域都有着广泛的应用。在军用上可用于各种 飞行装置的加速度测量、振动测量、冲击测量，尤 其在武器系统的精确制导系统、弹药的安全系统、 弹药的点火控制系统有着极其广泛的应用前景。
i. 键合引线
j. ICP二次刻蚀
k. 沉积
l. 抛光、划片
硅微压阻式加速度传感器的工艺过程
硅微压阻式加速度传感器的工艺过程
下层SOI基底的制作方法：
a.离子注入：同样采取氧离子注入，获SiO2隔离层，同时 SiO2层的存在也可充当保护敏感元件工作的隔热层； b.外延单晶硅层：再用LPCVD技术在上层硅片上沉淀一定厚 度的单晶硅层作为加工层； c.光刻：在SOI基底上光刻凹槽图样； d.各向异性自停止刻蚀凹槽：将光刻后的硅片进行各向异性 腐蚀，进行到SiO2层上表面时，腐蚀自停止，得到需要的凹 槽； e.LPCVD法生长抗冲击限位块：最后在凹槽内沉淀一个抗冲 击限位块。
微加速度传感器的原理
惯性式加速度传感器的力学模Байду номын сангаас如下图所示。
微加速度传感器的原理
微加速度传感器的原理
微加速度传感器的关键技术
微加速度传感器的关键技术
信号处理
频率响应
封装和阻尼
横向灵敏度
信号处理
由于硅微加速度传感器的加工采用了与 集成电路工艺兼容的制造工艺，将传感元件 和信号处理电路集成在同一器件上，制造出 “灵巧”传感器，使传感器的性能大大提高， 给传感器的使用带来了极大的方便。将来的 发展方向是除具有总合的上述功能外，还应 有信号开关、信号滤波、信号处理、数据转 换、存储和通讯等功能。
硅微压阻式加速度传感器的工艺过程
孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程
孔缝悬臂梁压阻式加速度传惑器为小量程传感 器，量程为O—5g，灵敏度设计为0.1mV／(m/s2)— 6mV／(m/s2)，因此采用悬臂梁结构较为合适。为了 获得高灵敏度，除了使梁的厚度尽可能小之外，还 采用了基于应力集中的悬臂梁设计方案。传感器采 用三明治结构，由上下盖板和中间芯片梁—质量块 结构三部分组成。