可自校准的soi基mems三维力传感器及其制备工艺
技术领域
1.本发明涉及mems传感器领域，具体涉及一种可自校准的soi基mems三维力传感器。
背景技术：
2.由于微机电系统(mems)器件微型化，集成多功能、高稳定等优点，其在医疗护理领域、机器人工业以及可穿戴器件等领域起到关键性的作用。但随着日积月累地使用或者应对复杂的工作环境时，传感器不可避免会出现器件老化、性能下降等问题，这时对传感器进行校准是极为重要的。
3.实现校准的关键在于提供驱动激励，以此来模拟外加载荷。目前驱动方式包括静电驱动、压电驱动以及电磁驱动，其中压电驱动更适用于大量程驱动。此外，现有的校准研究大部分是针对惯性传感器展开的，通过将其集成在压电振动台上，使压电振动台带动惯性传感器振动，最后对比压电振动台和惯性传感器的输出实现校准功能。但对于传统的力传感器，其敏感元件封装在传感器内部，传感器不工作时环境中的惯性信号对其输出几乎不影响，所以压电振动台的惯性激励是无法驱动力传感器内部的敏感元件的，需要将其卸下送至工厂进行校准。
4.此外，mems传感器的集成方式可分为单芯片集成、多芯片集成和三维集成，前两种集成方式下的敏感元件都暴露在外面，为了保护芯片不受环境的影响，需要增加额外的封装步骤，而封装是传感器制造工艺中花费较高的一步。
技术实现要素：
5.本发明旨在提供一种可自校准的soi(silicon-on-insulator)基mems三维力传感器及其制备工艺，以保证测量结果的准确性并节省额外的校准与封装成本。
6.本发明的一方面提供了一种可自校准的soi基mems三维力传感器，包括mems器件层以及键合于mems器件层下方的衬底。
7.所述mems器件层包括凸台、锚点、锚区、中心板、四根位于中心板四周的l型压电驱动梁和十二个pad。
8.所述凸台位于所述锚点上方，用作三维力检测时的受力结构。
9.所述中心板和所述锚区均位于锚点下方，且在同一平面上；中心板用作电容检测的可动上极板，通过锚点与凸台连接。
10.单根所述l型压电驱动梁自上而下包括l型硅梁、驱动下电极pt、压电材料pzt以及两个分布式驱动上电极pt，l型压电驱动梁的一端固定在中心板边界的中心位置，另一端固定在锚区；其余部分均悬空；所述的两个分布式驱动上电极pt用于施加等大反向的电压，直接为三维力传感器内部的敏感元件提供驱动激励。
11.所述十二个pad位于mems器件层锚区的四周，与压电驱动梁的分布式驱动上电极pt在同一平面。
12.所述衬底包括键合区域、空腔、导电衬垫和八个固定金属电极。
13.所述键合区域与mems器件层的锚区图案一致，翻转的mems器件层的锚区与其下方衬底的键合区域对准接触，形成电容传感的密闭空间。
14.所述空腔用于形成压电驱动梁和中心板的活动空间。
15.所述八个固定金属电极分布于空腔内，中心板作为电容检测的共用可动上极板，与衬底空腔内的八个固定金属电极形成电容对，其中中心板的对角线区域对应衬底上四个固定金属电极a、b、c、d，形成力检测电容ca、cb、cc、cd；中心板的对称轴区域对应衬底上十字分布的固定金属电极e、f、g、h，形成自校准检测电容ce、cf、cg、ch。
16.本发明的另一方面提供了一种制备所述的可自校准的soi基mems三维力传感器的工艺，包括如下步骤：
17.(a)准备soi低阻硅片，通过热氧化在硅片的正反面形成一层氧化层。
18.(b)通过深反应离子刻蚀沟槽，干法去除中间氧化层；溅射并电镀cu填充沟槽，将表面抛平，露出孔。
19.(c)在硅片上表面依次生长pt电极以及压电材料pzt；同时湿法刻蚀压电材料pzt，引出接地信号。
20.(d)在压电材料pzt的上表面沉积pt电极，采用离子束刻蚀并图案化上层金属电极，形成l型压电驱动梁的分布式上电极和pad。
21.(e)采用ibe方式去除压电材料pzt以及底层pt电极，采用drie工艺刻蚀顶层硅，打开顶部需要释放的中心板、四根l型压电驱动梁、释放孔到氧化层自停止。
22.(f)利用蒸汽氢氟酸的各向同性腐蚀中间氧化层，释放出中心板和l型压电驱动梁。
23.(g)刻蚀衬底硅，形成凸台。
24.(h)切割mems器件层的圆片再逐个与衬底进行键合，使翻转的mems器件层的pad与衬底的导电衬垫对准键合，mems器件层的锚区与衬底的键合区域接触，形成电容检测的密闭空腔；
25.电容信号、接地信号以及压电驱动的电压信号均通过硅通孔(tsv)引到衬底背面。
26.本发明的有益效果：
27.1、本发明切向检测与校准采用倾斜式电容检测的原理，当切向力载荷施加在凸台上带动中心板或者压电梁驱动中心板绕x/y轴扭摆时，中心板一侧与其对应的固定金属电极间距增大，电容减小，另一侧间距减小，电容增大。通过将这两个电容相减，实现差分检测。通常，采用差分检测的电容式传感器相比非差分检测的传感器具有较高的灵敏度。
28.2、本发明利用压电材料pzt的逆压电效应，对压电驱动梁上的分布式上电极施加等大反向的电压，直接为力传感器内部的敏感元件提供驱动激励，驱动电容检测的共用可动上极板(中心板)绕x/y轴扭摆和沿z轴平动，以此来模拟外加三维力时的运动状态，最后通过对比检测电容对与校准电容对的输出实现自校准功能，具有可调量程、大范围输出、低驱动电压等优点。
29.3、本发明采用三维集成的方式，将翻转的mems器件层与衬底对应键合，形成密闭空腔，直接利用硅的圆片做外部封装，避免了传统的传感器流片和封装流程分割开进行而引入的性能误差问题，同时大大降低了封装的成本，与传统的传感器相比，本发明的传感器性能稳定、误差小、成本低。
附图说明
30.图1(a)为本发明传感器翻转的mems器件层的示意图；
31.图1(b)为本发明传感器整体结构剖面图；
32.图1(c)为本发明传感器衬底俯视图；
33.图2为本发明传感器制备的工艺流程图。
34.图3(a)为本发明传感器在剪切力 fx作用下的工作示意图；
35.图3(b)为本发明传感器在法向力-fz作用下的工作示意图；
36.图3(c)为本发明传感器实现x方向校准的工作示意图；
37.图3(d)为本发明传感器实现-z方向校准的工作示意图。
具体实施方式
38.下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
39.可自校准的soi基mems三维力传感器包括mems器件层以及键合于mems器件层下方的衬底(下文对于方向的描述均针对正视图)。
40.所述mems器件层包括凸台、锚点、锚区、4根l型压电驱动梁、中心板和12个pad。
41.所述凸台位于所述锚点上方，用作三维力检测时的受力结构。
42.所述中心板和所述锚区均位于锚点下方，且在同一平面上，中心板用作电容检测的可动上极板，通过锚点与凸台连接。
43.所述l型压电驱动梁自上而下包括l型硅梁、驱动下电极pt、压电材料pzt以及2个分布式驱动上电极pt，其两端分别固定在中心板边界的中心位置和锚区，其余部分均悬空，4根l型压电梁环绕中心板顺时或逆时针排布。
44.所述12个pad位于mems器件层锚区的四周，与压电驱动梁的分布式驱动上电极pt在同一平面。锚区每周各分布3个pad，用于将1根压电驱动梁上的2个分布式上电极的电压信号和接地信号引到四周，并与衬底的导电衬垫键合实现电气连接。
45.所述衬底包括键合区域、12个导电衬垫、空腔、20个硅通孔和8个固定金属电极。
46.所述键合区域与mems器件层的锚区图案一致，翻转的mems器件层的锚区与其下方衬底的键合区域对准接触，形成电容传感的密闭空间。
47.所述12个导电衬垫分布于衬底键合区域的四周，并与翻转的mems器件层的12个pad对应键合实现电气连接。键合区域每周各设置有3个导电衬垫，其中1个用于实现接地信号的电气连接，另外2个用于实现压电梁上2个分布式上电极的电压信号的电气连接。
48.所述空腔用于形成压电梁和中心板的活动空间，其深度是电容传感的初始间距，由衬底开槽深度决定。
49.所述20个硅通孔位于衬底内部，其中12个位于衬底的12个导电衬垫与背面之间，用于将中心板和压电驱动梁的接地信号，以及分布式上电极的电压信号引到衬底背面；另外8个位于衬底的空腔内8个固定金属电极与背面之间，用于将固定金属电极的电容信号引到衬底背面。
50.所述8个固定金属电极分布于空腔内，中心板作为电容检测的共用可动上极板，与衬底空腔内的8个固定金属电极形成电容对，且为了保证检测过程中仅间距发生变化，8个
固定金属电极总面积＜中心板面积。其中：中心板的对角线区域对应衬底上四个固定金属电极a、b、c、d，形成力检测电容ca、cb、cc、cd；中心板的对称轴区域对应衬底上十字分布的固定金属电极e、f、g、h，形成自校准检测电容ce、cf、cg、ch；且8个固定金属电极的电容信号通过其下方的硅通孔引到衬底背面。
51.实施例：
52.图1(a)为本发明传感器翻转的mems器件层的示意图，包括锚区1、12个pad(2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、2i、2j、2k、2l)、4根l型压电驱动梁(3a、3b、3c、3d)和中心板4。中心板4作为电容检测的共用可动上极板与衬底空腔内的8个固定金属电极形成8个电容对，中心板4位于mems器件层底面的中心位置，通过锚点与凸台连接，并与锚区1在同一平面。
53.4根l型压电驱动梁按照顺时针/逆时针环绕在中心板四周，mems器件层翻转后每根梁自下而上由l型硅梁15、驱动下电极pt16、压电材料pzt17以及分布式驱动上电极pt5叠加组成，其一端固定在中心板边界的中心位置，另一端固定在锚区，其余部分悬空。通过对4根l型压电驱动梁(3a、3b、3c、3d)上的分布式上电极(5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h)施加等大反向的电压，驱动中心板4实现三自由度运动(绕x/y轴扭摆和沿z轴平动)，以此来模拟外加三维力时的运动状态。
54.12个pad分布在锚区1四周，每周各分布3个pad，其中pad(2a、2b、2c、2d)用于将接地信号引到四周，pad(2e、2f、2g、2h、2i、2j、2k、2l)用于将每根压电驱动梁上的2个分布式上电极的电压信号引到四周。
55.图1(b)为本发明传感器整体结构剖面图，整体结构由翻转的mems器件层6与键合在其下方的衬底7组成，mems器件层的锚区1与衬底的键合区12紧密接触形成电容传感的封闭空间，电容初始间距由衬底空腔11的深度决定。当三维力施加在凸台8上时，凸台8通过锚点9带动中心板4运动，使中心板与固定金属电极的间距发生变化，从而导致电容变化。
56.同时，mems器件层的pad2与衬底的导电衬垫13一一对应键合实现电气连接，并通过导电衬垫下方的硅通孔(10i、10j、10k、10l、10m、10n、10o、10p、10q、10r、10s、10t)将中心板和压电驱动梁的接地信号，以及分布式上电极的电压信号引到衬底背面，由于该图为剖面图，硅通孔(10o、10p、10q、10r、10s、10t)没有示出。此外，衬底空腔11内8个固定金属电极下方的8个硅通孔(10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h)用于将固定金属电极的电容信号引到衬底背面。
57.图1(c)为本发明传感器衬底俯视图，包括键合区域12、12个导电衬垫(13a、13b、13c、13d、13e、13f、13g、13h、13i、13j、13k、13l)、空腔11和固定金属电极a、b、c、d、e、f、g、h(14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h)。其中键合区域12与翻转的mems器件层的锚区图案一致，对应接触；12个导电衬垫分布在键合区域四周，每周各3个，与翻转的mems器件层的12个pad对应键合，其中4个导电衬垫(13a、13b、13c、13d)用于实现中心板和压电驱动梁的接地信号的电气连接，另外8个导电衬垫(13e、13f、13g、13h、13i、13j、13k、13l)用于实现分布式上电极的电压信号的电气连接；固定金属电极分布于空腔内，中心板作为电容检测的共用上极板，与衬底空腔内的8个固定金属电极形成电容对，其中中心板的对角线区域对应衬底上4个固定金属电极a、b、c、d(14a、14b、14c、14d)，形成力检测电容ca、cb、cc、cd，中心板的对称轴区域对应衬底上十字分布的4个固定金属电极e、f、g、h(14e、14f、14g、14h)，形成校准检测电容ce、cf、cg、ch。且为了保证电容检测时只有间距变化，八个固定金属电极的面积
之和＜中心板面积，电容信号通过固定金属电极背面的硅通孔(10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h)引到衬底背面。
58.图2为本发明传感器制备的工艺流程图，具体工艺流程如下所述：
59.(i)准备一块四寸soi低阻硅片(上硅层厚50um，下硅层厚300um，中间氧化层厚4um)，通过热氧化在硅片的正反面形成一层氧化层。
60.(j)通过深反应离子刻蚀(drie)制造50um深的沟槽，干法去除中间氧化层，溅射并电镀cu填充沟槽，将表面抛平，露出孔。这一步是为了实现soi上下层硅的电气连接。
61.(k)在硅片上表面依次生长200nm的pt电极以及1um的压电材料pzt，同时湿法刻蚀pzt，引出接地信号。这一步保留中心板上的pzt可以增大电容的介电常数。
62.(l)在pzt的上表面沉积一层200nm的pt电极，采用离子束刻蚀并图案化上层金属电极，形成l型压电驱动梁的分布式上电极和pad。
63.(m)采用ibe方式去除pzt以及底层pt，采用drie工艺刻蚀顶层硅，打开顶部需要释放的中心板、4根l型压电驱动梁、释放孔到氧化层自停止。
64.(n)利用蒸汽氢氟酸的各向同性腐蚀中间氧化层，释放出中心板和l型压电驱动梁。在该工艺中，背面热氧化层被同时去除。
65.(o)刻蚀衬底硅，形成凸台。
66.(p)先切割mems器件层的圆片再逐个与衬底进行键合，使翻转的mems器件层的pad与衬底的导电衬垫对准键合，mems器件层的锚区与衬底的键合区域接触，形成电容检测的密闭空腔，电容信号、接地信号以及压电驱动的电压信号均通过tsv引到衬底背面。
67.图3(a)为本发明传感器在剪切力 fx作用下的工作示意图。在力检测模式下向凸台8施加 f
x
时，凸台通过锚点9将载荷传递到中心板4上，带动中心板4绕y轴扭摆。 x方向的边界下降，与对应的固定金属电极(14b、14d)的间距变小，检测电容值cb、cd变大为2c 2δc；-x方向的边界上升，与对应的固定金属电极(14a、14c)的间距变大，检测电容值ca、cc变小为2c-2δc，从而计算出切向差分电容为4δc，y方向的检测方式同理。
68.图3(b)为本发明传感器在法向力-fz作用下的工作示意图。在力检测模式下向凸台8施加-fz时，凸台通过锚点9带动中心板4整体向-z方向平动，与固定金属电极(11a、11b、11c、11d)的间距全都减小，检测电容值ca、cb、cc、cd均变大为c δc，且每个电容变化值近乎相同。
69.图3(c)为本发明传感器实现 x切向自校准的工作示意图。在自校准模式下，对分布式上电极(5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h)施加如图所示的等大反向的电压，其中红色部分施加正电压，绿色部分施加负电压，黑色部分接地，pzt的逆压电效应会使压电驱动梁(3a、3b、3c、3d)驱动中心板4绕y轴扭摆，以此来模拟外加 fx时的运动状态，且施加的电压越大，可校准切向力的范围越大。此时中心板 x方向的边界下降，与固定金属电(14g)的间距变小，校准电容值cg变大为c δc；-x方向的边界上升，与固定金属电极(14f)的间距变大，校准电容值cf变小为c-δc，从而计算出切向差分电容为2δc。由于结构的对称性，校准电容c
ech
几乎不变，最后通过对比检测电容与校准电容的比例关系实现切向自校准功能，y方向的切向自校准方式同理。
70.图3(d)为本发明传感器实现-z法向自校准的工作示意图。自校准模式下，对分布式上电极(5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h)施加如图所示的等大反向的电压，其中红色部分施
加正电压，绿色部分施加负电压，黑色部分接地，压电驱动梁(3a、3b、3c、3d)驱动中心板4沿-z轴平动，以此来模拟外加-fz时的运动状态，且施加的电压越大，可校准法向力的范围越大。此时中心板整体向-z方向平动，与固定金属电极efgh(14e、14f、14g、14h)的间距全都减小，每个检测电容值变大为c δc，且每个电容变化值近乎相同，通过对比检测电容与校准电容实现法向自校准功能。
71.综上，本发明提供了一种可自校准的soi基mems三维力传感器，在结构设计之初，为敏感元件增加驱动模块与多电容检测模块，从而保证测量结果的准确性并节省额外的校准成本，本发明在实现自校准的同时，采用三维集成的方式，直接利用soi的圆片做外部封装，电气信号通过硅通孔引到衬底背面，又节省了额外的封装费用。