MEMS加速度计和形成方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种MEMS加速度计和形成方法。

背景技术

惯性传感器是一种能够感应和/或产生运动的装置，包含微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS），惯性传感器的实例包括能够感测加速度的MEMS加速度计。

MEMS加速度计是惯性导航和制导系统的主要装置之一，与传统的机械式传感器或光学传感器相比，MEMS加速度计具有低成本、小尺寸、低功耗，可以与集成电路集成等特点，MEMS加速度计广泛应用于消费电子、工业制造、医疗电子、汽车电子、航空航天和军事等领域，具有很大的发展潜力和商业价值。

MEMS加速度计按照工作原理可分为电容式、场发射式或隧道电流式等。MEMS加速度计利用惯性效应，当物体运动时，MEMS加速度计内的悬浮微结构会受到惯性力的影响。

例如，电容式MEMS加速度计包括电容式平面MEMS加速度计和电容式横向MEMS加速度计，其中，在电容式平面MEMS加速度计中，检验质量块的移动使相关的电容电极靠近或远离相对的电容电极，加速度计产生的电容随施加在检验质量块上的加速度的变化而变化，电容的变化与电容电极间距的平方成反比；在电容式横向MEMS加速度计中，检验质量块的移动使相关的梳状电极靠近或远离相对的梳状电极，加速度计产生的电容随施加在检验质量块上的加速度的变化而变化，电容的变化与电容梳状电极之间的重叠区域的变化成正比。

电容式MEMS加速度计在工业领域得到了广泛的应用，主要是因为其结构简单，工作模式与半导体技术兼容。与电容式加速度计不同，隧道电流式加速度计（简称隧道加速度计）利用的是隧道电流随电极间距呈指数变化的特性，因此，隧道加速度计通常提供更好的灵敏度，因为与电容式加速度计相比，相对较小的加速度变化在隧道加速度计中会产生相对较大的响应。

在相关技术中，隧道加速度计的结构涉及在隧道尖端和检验质量块之间设置隧道间隙，检验质量块通过靠近或远离隧道尖端来响应施加在检验质量块上的加速度。通过在隧道尖端和检验质量块之间施加偏置电压，利用连接检验质量块的弹性悬架的适当弯扭，使得在隧道尖端和检验质量块之间形成隧道间隙。

然而，由于检验质量块移向隧道尖端，所以可能存在足够强的加速度导致出现检验质量块与隧道尖端相接触的危险，由于隧道尖端顶点处的尺寸通常仅为大约几个原子，这种接触很容易损坏隧道尖端，导致隧道加速度计灵敏度下降甚至无法继续使用，因此在相关技术中，隧道加速度计存在可靠性弱的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS加速度计，所述MEMS加速度计灵敏度高，并且可靠性强。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种MEMS加速度计，包括：

检验质量块，

隧道尖端，设为多个，分布在所述检验质量块的四侧，且在所述检验质量块的四侧中的至少一侧，所述隧道尖端对应设有至少两个。

优选的，所述MEMS加速度计还包括多个驱动梳，且在所述检验质量块的四侧中的任意一侧，均设有至少一个所述驱动梳，所述驱动梳包括相互交叉形成叉指结构的可移驱动梳齿和固定驱动梳齿。

优选的，所述隧道尖端设为四对，一一对应设于所述检验质量块的四侧，所述驱动梳设为四个，一一对应设于各对所述隧道尖端的两个所述隧道尖端之间。

优选的，所述可移驱动梳齿连接在所述检验质量块上，且所述检验质量块与所述隧道尖端间具有隧道间隙；

或者，所述驱动梳还包括集成多个所述可移驱动梳齿的可移框架，所述可移框架与所述检验质量块弹性连接，且所述可移框架与所述隧道尖端间具有隧道间隙。

优选的，所述检验质量块包括穿设于所述检验质量块内的镂空部，所述MEMS加速度计还包括第一衬底、锚点和止动件，所述隧道尖端、所述固定驱动梳齿、所述锚点和所述止动件均固定连接于所述第一衬底上，所述锚点设为多个，所述可移框架或所述检验质量块与至少一个所述锚点弹性连接，所述止动件设于所述镂空部内，用于限制所述检验质量块的移动范围。

优选的，所述MEMS加速度计还包括设置于所述检验质量块远离所述第一衬底的一侧的第二衬底，所述第一衬底所述第二衬底两端相连，形成放置所述检验质量块、所述隧道尖端、所述驱动梳、所述锚点和所述止动件的空腔。

本发明还提供了一种所述MEMS加速度计的形成方法，所述形成方法包括，在多晶硅层上蚀刻MEMS加速度计的结构，其中，所述结构包括检验质量块和隧道尖端，所述隧道尖端设为多个，多个所述隧道尖端分布在所述检验质量块的四侧，且在所述检验质量块的四侧中的至少一侧，所述隧道尖端对应设有至少两个。

优选的，所述蚀刻MEMS加速度计的结构之后，所述方法包括，采用聚焦离子束技术，分离所述检验质量块和所述隧道尖端，形成隧道间隙。

优选的，所述蚀刻MEMS加速度计的结构之前，所述方法包括：

在第一衬底上沉积氮化硅层，在所述氮化硅层上沉积第一磷硅玻璃层，并退火；

在所述第一磷硅玻璃层上蚀刻锚孔；

在所述第一磷硅玻璃层上沉积所述多晶硅层，在所述多晶硅层上沉积第二磷硅玻璃层，并退火。

优选的，所述形成隧道间隙之后，所述方法包括：

去除所述第一磷硅玻璃层；

将所述检验质量块和所述隧道尖端封装在所述第一衬底和第二衬底围成的空腔内，并将所述第一衬底和所述第二衬底的两端相连接。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

上述技术方案中所提供的一种MEMS加速度计，通过将隧道尖端设为多个，分布在该检验质量块的四侧，且在该检验质量块的四侧中的至少一侧，该隧道尖端对应设有至少两个，使得该检验质量块的同一侧的个别隧道尖端发生损坏时，其它隧道尖端还能继续使用，从而使得MEMS加速度计灵敏度高，并且可靠性强。

附图说明

图1为本发明实施例中的MEMS加速度计的结构示意图。

图2为本发明另一实施例中的MEMS加速度计的结构示意图。

图3为本发明实施例中在X轴加速度下反应MEMS加速度计感测信号方向的示意图。

图4为本发明实施例中在Y轴加速度下反应MEMS加速度计感测信号方向的示意图。

图5为本发明实施例中的MEMS加速度计的形成方法的流程示意图。

图6为本发明实施例中的沿图1中的A-A位置剖开的带有氮化硅层的第一衬底的示意图。

图7为本发明实施例中的沿图1中的A-A位置剖开的带有第一磷硅玻璃层的第一衬底的示意图。

图8为本发明实施例中的沿图1中的A-A位置剖开的带有多晶硅层的第一衬底的示意图。

图9为本发明实施例中的沿图1中的A-A位置剖开的第一衬底和第二衬底的连接结构示意图。

图10为本发明实施例中的未使用聚焦离子束技术时的第一隧道触点示意图。

图11为本发明实施例中的使用聚焦离子束技术后的第一隧道触点示意图。

图中：1、检验质量块；11、镂空部；12、贯穿孔；17、氮化硅层；2、隧道尖端；3、驱动梳；31、可移驱动梳齿；32、固定驱动梳齿；33、可移框架；4、第一衬底；5、锚点；6、止动件；7、第二衬底；8、多晶硅层；9、第一磷硅玻璃层；91、锚孔；10、第二磷硅玻璃层；110、第一隧道触点；120、第二隧道触点；130、弹性悬架。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明进行更为详细的描述，需要说明的是，下参照附图对本发明进行的描述仅是示意性的，而非限制性的。各个不同实施例之间可以进行相互组合，以构成未在以下描述中示出的其他实施例。

请参阅图1、图8，本发明实施例中提供了一种MEMS加速度计，该MEMS加速度计包括：检验质量块1、隧道尖端2、驱动梳3、第一衬底4和锚点5，其中，该隧道尖端2设为多个，分布在该检验质量块1的四侧，且在该检验质量块1的四侧中的至少一侧，该隧道尖端2对应设有至少两个，使得该检验质量块1的同一侧的个别隧道尖端2发生损坏时，其它隧道尖端2还能继续使用，从而使得MEMS加速度计灵敏度高，并且可靠性强。

需要说明的是，该隧道尖端2的顶部可以呈三角形，或者其他形状，例如，在其中一些实施例中，请参阅图2，隧道尖端2的顶部也可以呈矩形。

考虑到MEMS加速度计在使用过程中需要进行校准，该驱动梳3设为多个，且在该检验质量块1的四侧中的任意一侧，均设有至少一个驱动梳3，该驱动梳3包括可移驱动梳齿31和固定驱动梳齿32，该可移驱动梳齿31和固定驱动梳齿32相互交叉形成叉指结构，校准时，向一个或多个驱动梳3上的固定驱动梳齿32上施加直流偏置电压，产生静电力，静电力驱动可移驱动梳齿31和检验质量块1沿两个敏感轴向直流偏置电压所在侧的隧道尖端2偏转，从而使得隧道尖端2和电极（例如，检验质量块1）之间的距离（即隧道间隙）从较大距离校准到较小距离（例如，校准到约4纳米），为产生隧道电流创造条件，此外，利用驱动梳对隧道间隙进行校准，也能使得在选择不同的MEMS加速度计制造技术时，尽管制造出的隧道间隙的大小有区别，但经过校准都可以产生隧道电流。

进一步的，该隧道尖端2设为四对，一一对应设于该检验质量块1的四侧，该驱动梳3设为四个，一一对应设于各对该隧道尖端2的两个该隧道尖端2之间，检验质量块1的每一侧均设置至少两个隧道尖端2，任意一侧的其中一个隧道尖端2损坏，均不影响MEMS加速度计的正常使用，同时，将两个隧道尖端2分别设置在驱动梳3两侧，可以避免由于两个隧道尖端2靠的太近而在一个隧道尖端2损坏时另一个也同时遭到损坏，从而进一步提高MEMS加速度计的可靠性。

为了产生隧道电流，还需要设置电极，可选的，可以将检验质量块1作为电极，可移驱动梳齿31连接在该检验质量块1上，且该检验质量块1与隧道尖端2间具有隧道间隙，检验质量块1与隧道尖端2构成第一隧道触点110；或者，驱动梳3还包括集成多个可移驱动梳齿31的可移框架33，可以将该可移框架33作为电极，可移框架33与检验质量块1弹性连接，且该可移框架33与隧道尖端2间具有隧道间隙，可移框架33与隧道尖端2构成第二隧道触点120；在固定驱动梳齿32上施加直流偏置电压，校准隧道间隙到较小距离（例如，校准到约4纳米）之后，在隧道尖端2和检验质量块1或隧道尖端2和可移框架33上施加电压，产生隧道电流。

另外，可以通过限制检验质量块1的移动范围，进一步减小检验质量块1或可移框架33损坏隧道尖端2的可能性，在本实施例中，检验质量块1包括穿设于检验质量块1内的镂空部11，该MEMS加速度计还包括设于镂空部11内的止动件6，止动件6与镂空部11间具有活动空间，可选的，止动件6可以设置在检验质量块1中心位置，由于隧道尖端2、固定驱动梳齿32、锚点5和该止动件6均固定连接于第一衬底4的同一侧上，且该锚点5设为多个，各可移框架33或检验质量块1与至少一个锚点5弹性连接，因此，止动件6相对第一衬底4静止，检验质量块1相对第一衬底4可移动，并且止动件6嵌设在检验质量块1内，在冲击载荷下，止动件6能够限制检验质量块1的移动范围，从而进一步减小在冲击载荷下隧道尖端2受到检验质量块1或可移框架33损坏的可能性，从而提高MEMS加速度计的可靠性。

需要说明的是，本发明实施例中的弹性连接可以通过设置弹性悬架130实现，可选的，可以增加或减少检验质量块1与可移框架33、检验质量块1与锚点5、可移框架33与锚点5之间的弹性悬架130的数量；每个该弹性悬架130上有若干弹性梁，也可以增加或减少每个弹性悬架130或部分弹性悬架130中的弹性梁的数量。

该检验质量块1、隧道尖端2、驱动梳3、第一衬底4、锚点5、止动件6和弹性悬架130，可以包括本领域已知的任何合适的材料，例如，半导体材料，包括多晶硅、碳化硅（SiC）、砷化镓（GaAs）、硅（Si），或任何其他半导体材料，或导电材料，例如钨（W），金（Au）、铝（Al）、铜（Cu）、钛（Ti），或任何其他导电材料；该检验质量块1、隧道尖端2、驱动梳3和弹性悬架130可以具有相同或不同的厚度，可选的，厚度可以约为几微米至10微米，例如，厚度约为2至6微米。

在其中一些实施例中，该MEMS加速度计还包括第二衬底7，请参阅图9，该第二衬底7设置于检验质量块1远离第一衬底4的一侧，第一衬底4和第二衬底7两端相连，形成放置该检验质量块1、隧道尖端2、驱动梳3、锚点5和止动件6的空腔，腔中包含但不限于真空或其他惰性气体，如氮气等；通过设置该第二衬底7，能够使得MEMS加速度计内形成气密环境，封装该MEMS加速度计时，无需放在真空中进行封装，当然，在其他实施例中，该MEMS加速度计也可以不包括第二衬底7，在这种情况下，封装芯片时需要将MEMS加速度计放置在真空中进行封装。

第一衬底4可以由本领域已知的任何合适的衬底材料构成，例如，硅或其他任何半导体材料，如果需要，第一衬底4可以包含在其上制造的集成电路；第二衬底7可以由本领域已知的任何合适的衬底材料构成，例如，包括半导体材料硅，或其他半导体材料，或任何其他非半导体材料，例如，玻璃、塑料、金属或陶瓷等，如果需要，第二衬底7可以包含在其上制造的集成电路。

本发明提供的MEMS加速度计具有双轴灵敏度，MEMS加速度计的输出信号包含每个轴的加速度信息，依据本发明制造的MEMS加速度计的成本可显著低于相关技术中MEMS加速度计的制造成本，因为本发明实现相同功能（在两个轴上同时感测加速度）只需要单个MEMS加速度计，所需的器件数量减少；本发明通过在每个轴上配置一个或多个隧道尖端2来感测加速度，隧道电流在加速度作用下随检验质量块1与隧道尖端2，或随可移框架33与隧道尖端2之间的距离的变化呈指数变化，相比于相关技术中的电容式的MEMS加速度计，本发明提供的MEMS加速度计具有更好的灵敏度，因为加速度的相对较小变化会导致检验质量块1与隧道尖端2、可移框架33与隧道尖端2之间的距离发生较大变化，同时，工作时的自身噪声水平较低。

本发明实施例还提供了该MEMS加速度计的操作原理，该操作原理仅为示意性说明，非限制性说明，操作原理如下：

为了形成隧道电流，必须将隧道间隙减小到几个纳米左右，例如减小到4纳米左右，为此，请参阅图1，在位于检验质量块1的X轴方向上的一侧驱动梳3和Y轴方向上的一侧驱动梳3上施加直流偏置电压，直流偏置电压可以在几伏左右，例如1伏左右，直流偏置电压产生足够的静电力，以移动检验质量块1、可移驱动梳齿31和可移框架33，将隧道间隙从较大距离（例如，该距离为制造时的隧道间隙宽度，20纳米）减小到较小距离（例如，减小到4纳米），在检验质量块1的同一侧设置多个隧道尖端2，能够为在至少一个第一隧道触点110或第二隧道触点120中产生隧道电流创造条件。

为了在第一隧道触点110中和在第二隧道触点120中形成隧道电流，向每个第一隧道触点110和第二隧道触点120施加约0.1至1伏的电压，例如施加约0.2伏的电压，在这种情况下，会形成约为几微安的隧道电流，例如，形成约为1至2微安的隧道电流。

在外界沿X轴向MEMS加速度计施加线性加速度的情况下，检验质量块1会承受惯性力，请参阅图1、图3，惯性力使检验质量块1移动，并因此使可移框架33移动，由于弹性悬架130的变形，改变了可移框架33的一侧与隧道尖端2的间隙，隧道电流随检验质量块1的X轴方向上的一侧触点间隙的变化呈指数变化。

在外界沿Y轴向MEMS加速度计施加线性加速度的情况下，检验质量块1会承受惯性力，请参阅图1、图4，惯性力使检验质量块1移动，由于弹性悬架130的变形，改变了检验质量块1的一侧与隧道尖端2之间的间隙，隧道电流随检验质量块1的Y轴方向上的一侧触点间隙的变化呈指数变化。

在这种情况下，基于隧道效应的MEMS加速度计的灵敏度约为0.9微安/g，这使本发明的测量精度达到micro-g级。

本发明实施例还提供了一种MEMS加速度计的形成方法，请参阅图5，该形成方法包括以下步骤：

步骤S501，在第一衬底4上沉积氮化硅层17，在该氮化硅层17上沉积第一磷硅玻璃层9，并退火，例如，可以使用n型硅衬底作为第一衬底4，使用磷硅酸盐玻璃（PhosphoSilicate Glass，简称PSG）层作为第一磷硅玻璃层9，在使用PSG层作为掺杂源的标准扩散炉中，可以用磷进行掺杂，去除PSG层后，在第一衬底4上沉积0.6微米低应力氮化硅层17作为电隔离层，如图6所示，从而减少由MEMS静电装置产生的电场对第一衬底4的影响，再通过低压力化学气相沉积法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition，简称LPCVD），沉积2微米PSG层，并在1050℃下在氩气中退火1小时；

步骤S502，在该第一磷硅玻璃层9上蚀刻锚孔91，例如，通过光刻法绘图后执行反应离子蚀刻（Reactive ion etching，简称RIE），如图7所示，形成锚孔91，该锚孔91在后续步骤中会被隧道尖端2、固定驱动梳齿32、锚点5和止动件6等需要固定连接在第一衬底4上的结构填充；

步骤S503，在该第一磷硅玻璃层9上沉积多晶硅层8，在该多晶硅层8上沉积第二磷硅玻璃层10，并退火，例如，如图8所示，在蚀刻第一磷硅玻璃层9之后，多晶硅层8（即结构层）以2微米的厚度沉积在第一磷硅玻璃层9上，再在该多晶硅层8表面沉积一层0.2微米的超薄PSG层作为第二磷硅玻璃层10，并将第一衬底4在1050℃下退火1小时，退火过程中，在多晶硅层8的表面和下方都掺杂了来自第一磷硅玻璃层9或第二磷硅玻璃层10的磷，同时，退火也有助于显著降低多晶硅层8中的净应力；

步骤S504，在多晶硅层8上蚀刻MEMS加速度计的结构，其中，该结构包括检验质量块1、隧道尖端2、驱动梳3、锚点5和止动件6，该隧道尖端2设为多个，多个该隧道尖端2分布在该检验质量块1的四侧，且在该检验质量块1的四侧中的至少一侧，该隧道尖端2对应设有至少两个，如图8所示，在蚀刻多晶硅层8后，光刻胶被剥离，剩余的第二磷硅玻璃层10被RIE去除，形成MEMS加速度计的结构，可以将步骤S503中的在该多晶硅层8上沉积第二磷硅玻璃层10，并退火，与步骤S504一起执行一次或多次，以增加检验质量块1、弹性悬架130、驱动梳3和隧道尖端2的厚度或增加其中之一的厚度，从而形成一种结构厚度不同的MEMS加速度计，实现宽范围的加速度感测；

步骤S505，采用聚焦离子束技术，分离该检验质量块1和该隧道尖端2，形成隧道间隙，例如，步骤S504结束后，如图10所示，隧道尖端2仍然与检验质量块1（或可移框架33）相连，为了将隧道尖端2与检验质量块1（或可移框架33）分离并形成隧道间隙，需要采用聚焦离子束（Focused Ion beam，简称FIB）技术，本发明中的隧道间隙使用标准半导体技术制造，当使用FIB技术形成第一隧道触点110（或第二隧道触点120）时，如图11所示，检验质量块1和隧道尖端2分离（或可移框架33与隧道尖端2分离），隧道间隙的距离约为几到100纳米，例如，20纳米；

步骤S506，去除该第一磷硅玻璃层9，例如，请参阅图9，被称为牺牲层的剩余的第一磷硅玻璃层9在最后被去除，以释放出MEMS加速度计的结构层，去除第一磷硅玻璃层9的方法如下：将第一衬底4浸入25℃的49%的氢氟酸（HF）浴中2分钟，将剩余的第一磷硅玻璃层9全部去除，并在蒸馏水和酒精中各浸泡2分钟，然后在110℃的烘箱中放置至少10分钟，以减少粘性，需要说明的是，在本发明实施例中，如图1所示，检验质量块1包括穿设在检验质量块1内的多个贯穿孔12，在第一磷硅玻璃层9浸入25℃的49%的氢氟酸（HF）浴中2分钟时，多个贯穿孔12能够增大第一磷硅玻璃层9与氢氟酸（HF）接触面积，有利于第一磷硅玻璃层9与氢氟酸（HF）充分反应，以及加快反应速度；

步骤S507，将检验质量块1、隧道尖端2、驱动梳3、锚点5和止动件6封装在该第一衬底4和第二衬底7围成的空腔内，并将第一衬底4和第二衬底7的两端相连接，例如，请参阅图9，通过阳极键合将第一衬底4和第二衬底7连接起来，形成MEMS加速度计的真空腔，腔内可以包含但不限于真空或其他惰性气体，如氮气等，利用一种简单而有效的衬底阳极键合方法来形成MEMS加速度计的真空腔，在提高产量的同时提高了生产率，并适合大规模生产。

在其他实施例中，本发明中的MEMS加速度计也可以使用表面微机械加工技术和绝缘硅（SOI）技术制造。

本发明提供的MEMS加速度计的形成方法简单有效，采用半导体制造的标准设备，提高了器件的成品率，降低了器件的制造成本，适合批量生产，同时有效地提高了测量的灵敏度和可靠性，提高了器件的质量。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。