(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210959385.9 (22)申请日 2022.08.10 (71)申请人 中国科学院上海微系统与信息技 术 研究所 地址 200050 上海市长 宁区长宁路865号 (72)发明人 王家畴　张鹏　李昕欣　 (74)专利代理 机构 上海光华专利事务所(普通 合伙) 31219 专利代理师 余明伟 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) G01P 3/483(2006.01) G01P 15/12(2006.01) G01L 1/20(2006.01) G01L 9/02(2006.01)B81C 1/00(2006.01) (54)发明名称 一种单芯片复合传感器结构及其制备方法 (57)摘要 本发明提供一种单芯片复合传感器结构及 其制备方法， 所述单芯片复合传感器结构包括： 单晶硅衬底、 单晶硅衬底上的绝缘层及集成在所 述单晶硅衬底同一面上的角速度传感器、 加速度 传感器及压力传感器； 其中， 所述单晶硅衬底上 插设有多个绝缘锚点， 所述角速度传感器通过所 述绝缘锚点集成在所述单晶硅衬底上； 所述加速 度传感器及所述压力传感器与所述角速度传感 器之间绝缘。 本发明的单芯片复合传感器结构中 的角速度传感器采用面外(Z轴)静电梳齿驱动面 内差分电容检测方式， 实现对X轴(或Y轴)角速度 检测； 以外层绝缘的单晶硅柱子作为锚点分别支 撑移动电极和固定电极悬浮在单晶硅衬底上， 解 决传感器单面加工中不同电极间的电学绝缘难 题。 权利要求书3页 说明书13页 附图13页 CN 115265663 A 2022.11.01 CN 115265663 A 1.一种单芯片复合传感器结构， 其特征在于， 所述单芯片复合传感器结构包括： 单晶硅 衬底、 单晶硅衬底上 的绝缘层及集成在所述单 晶硅衬底同一面上 的角速度传感器、 加速度 传感器及压力 传感器； 其中， 所述单晶硅衬底上插设有多个绝缘锚点， 所述角速度传感器通 过所述绝缘锚点集成在所述单晶硅衬底上； 所述加速度传感器及所述压力 传感器与所述角 速度传感器之间绝 缘。 2.根据权利要求1所述的单芯片复合传感器结构， 其特征在于， 所述角速度传感器包括 外部支撑框架、 中部支撑框架、 垂 直扭摆梁、 内部支撑框架、 敏感梁、 第一 驱动梳齿群及第二 驱动梳齿群； 所述外部支撑框架通过所述绝缘锚点支撑在所述单 晶硅衬底上， 所述外部支 撑框架上还设置有多个引线孔； 所述垂 直扭摆梁的一端通过绝缘锚点固定在所述单晶硅衬 底上， 另一端连接在所述中部支撑框架的外侧 壁上； 所述内部支撑框架通过所述敏感梁与 所述中部支撑框架连接； 所述第一驱动梳齿群包括设置在所述中部支撑框架外侧的第一移 动电极和设置在所述外部支撑框架内侧的第一固定电极， 所述第一移动电极和所述第一固 定电极在所述单晶硅衬底上的投影呈插齿交错排布， 且所述第一移动电极和所述第一固定 电极具有高度差； 所述第二驱动梳齿群包括设置在所述内部支撑框架内侧的第二移动电极 和设置在所述单晶硅衬底上两个第二固定电极， 所述第二移动电极和两个所述第二固定电 极在所述单 晶硅衬底上 的投影呈插齿交错排布； 其中， 所述第二固定电极通过所述绝缘锚 点固定在所述单晶硅衬底上。 3.根据权利要求2所述的单芯片复合传感器结构， 其特征在于： 两个所述第 二固定电极 沿晶向<1 10>排布。 4.根据权利要求1所述的单芯片复合传感器结构， 其特征在于， 所述加速度传感器包 括： 质量块、 第一悬臂梁、 第二悬臂梁、 凹槽、 第一敏感电阻、 第二敏感电阻、 第一参考电阻及 第二参考电阻； 所述凹槽开设于所述单晶硅衬底内， 所述质量块设置于所述凹槽内， 所述质 量块的一侧通过所述第一悬臂梁及所述第二悬臂梁与所述单晶硅衬底连接； 所述第一敏感 电阻设置在所述第一悬臂梁和所述单晶硅衬底上； 所述第二敏感电阻设置在所述第二悬臂 梁和所述单 晶硅衬底上； 所述第一参考电阻的第一端连接所述第一敏感电阻的第一端， 第 二端连接所述第二敏感电阻的第一端； 所述第二参考电阻的第一端连接所述第二敏感电阻 的第二端， 第二端连接所述第一敏感电阻的第一端； 其中， 所述凹槽的深度大于所述质量块 的厚度； 所述第一敏感电阻、 所述第二敏感电阻、 所述第一参考电阻及所述第二参考电阻与 所述单晶硅衬底之间设置绝 缘层。 5.根据权利要求4所述的单芯片复合传感器结构， 其特征在于： 所述第 一悬臂梁及所述 第二悬臂梁沿晶向<21 1>排布。 6.根据权利要求1所述的单芯片复合传感器结构， 其特征在于， 所述压力传感器包括压 力薄膜、 参考压力腔 体、 第三敏感电阻、 第四敏感电阻、 第五敏感电阻及第六敏感电阻； 所述 压力薄膜上设置有释放孔群， 所述压力 薄膜设置于所述参考压力腔体的上面； 所述第三敏 感电阻设置在所述压力 薄膜的第一侧， 所述第四敏感电阻设置在所述压力 薄膜的第二侧， 所述第一侧与所述第二侧相对设置； 所述第 五敏感电阻设置在所述压力 薄膜的第三侧， 所 述第六敏感电阻设置在所述压力 薄膜的第四侧， 所述第三侧与所述第四侧相对设置； 所述 第三敏感电阻的第一端连接所述第五敏感电阻的第一端， 第二端连接所述第六敏感电阻的 第一端； 所述第四敏感电阻的第一端连接所述第 五敏感电阻的第二端， 第二端连接所述第权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115265663 A 2六敏感电阻的第二端； 其中， 所述第三敏感电阻、 所述第四敏感电阻、 所述第五敏感电阻及 所述第六 敏感电阻与所述单晶硅衬底之间设置绝 缘层。 7.根据权利要求6所述的单芯片复合传感器结构， 其特征在于： 所述释放孔群沿晶向< 211>排布。 8.一种单芯片复合传感器结构的制备方法， 用于制备权利要求1～7任意一项所述的单 芯片复合传感器结构， 其特 征在于， 所述单芯片复合传感器结构的制备 方法包括以下步骤： S1： 提供一单晶硅衬底， 在所述单晶硅衬底中形成所述 绝缘锚点； S2： 于步骤S1得到的结构的上表面形成所述绝缘层， 并制备形成所述角速度传感器、 所 述加速度传感器及所述压力传感器； 其中， 所述角速度传感器通过 所述绝缘锚点支撑在所述单晶硅衬底上。 9.根据权利要求8所述的单芯片复合传感器结构的制备方法， 其特征在于， 步骤S1包 括， S11： 在所述单晶硅衬底的上表面生成第一氧化硅层； S12： 刻蚀所述第一氧化硅层及所 述单晶硅衬底， 以形成环形结构的深 槽； S13： 在所述深 槽的底面及侧壁生成第二氧化硅层； S14： 在所述第二氧化硅层的表 面沉积第一氮 化硅层； S15： 在所述第一氮 化硅层形成的槽中 填充第一多晶硅， 以形成所述 绝缘锚点。 10.根据权利要求8所述的单芯片复合传感器结构的制备方法， 其特征在于， 步骤S2包 括以下步骤： S3： 在所述单晶硅衬底中形成所述加速度传感器及所述压力传感器的敏感电阻， 并在 所述绝缘层及所述单晶硅衬底中形成释放 孔群； S4： 在所述单晶硅衬底中形成所述压力传感器的压力薄膜及参考压力腔体， 并在所述 绝缘层上形成引线孔； S5： 在所述 绝缘层及所述单晶硅衬底中形成所述角速度传感器中的固定电极； S6： 在所述单晶硅衬底中形成所述加速度传感器的悬臂梁； S7： 在所述单晶硅衬底中形成所述角速度传感器的移动电极、 支撑框架、 敏感梁及垂直 扭摆梁， 所述加速度传感器的质量 块； S8： 在硅片正面溅射金属以制备所述压力传感器及所述加速度传感器的引线， 完成整 个芯片工艺制备。 11.根据权利要求10所述的单芯片复合传感器结构的制备方法， 其特征在于： 在步骤S3 中， 首先去除所述敏感电阻所在区域的绝缘层， 通过硼离子注入方式制备敏感电阻； 然后在 所述单晶硅衬底上沉积第一钝化层， 刻蚀所述第一钝化层、 所述绝缘层及所述单晶硅衬底， 以得到所述压力传感器的释放 孔群。 12.根据权利要求10所述的单芯片复合传感器结构的制备方法， 其特征在于： 在步骤S4 中， 于所述释放孔群的侧壁沉积第二钝化层， 然后在所述单晶硅衬底中刻蚀出牺牲间隙； 选 择性腐蚀所述释放孔群下方的单晶硅衬底以形成所述压力薄膜及所述参考压力腔 体； 在所 述释放孔群内填充第二多晶硅以缝合所述释放孔群； 在所述单晶硅衬底上依次沉积第三钝 化层和第二氮化硅层， 去掉所述敏感电阻上 方的第二氮化硅层和第三 钝化层， 制备引线孔。 13.根据权利要求12所述的单芯片复合传感器结构的制备方法， 其特征在于， 在步骤S4 中还包括： 在缝合所述释放孔群后， 减薄所述第三钝化层， 以消除步骤S3中的工艺刻蚀余 量。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115265663 A 3