CN101561510B - 三维mems地震检波器芯片及其制备方法 - Google Patents

三维mems地震检波器芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维MEMS地震检波器芯片及其制备方法，包括基底B(1)，基底A(2)，X轴悬臂梁(6)，X轴固定电极(7)，X轴质量块及活动电极(8)，其特征在于：在同一个芯片上它还设有悬臂梁与X轴相同的Y、Z轴向的悬臂梁、固定电极、质量块及活动电极构成的电容性机械振动***微结构(3)、(4)，本发明的三维MEMS地震检波器芯片具有高分辨率、高保真、精度高、低频响应能力好，便于检测同点三维地震信号等，特别适合数字化地震勘探***作接收地震波传感器使用。

Description

三维MEMS地震检波器芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及地震勘探装置配件，特别是一种三维MEMS地震检波器芯片及其制备方法。
背景技术
地震检波器是石油和天然气地震勘探中大量使用的传感器，它的用途就是检测地震中人工激发的地震信号。
传统的地震检波器(动圈式机电感应传感器)进行三分量地震勘探中获得的波数据(特别是S波)质量不理想，如无法检测10Hz以下的深层低频地震信号；动态范围小；三维信号之间串扰大；灵敏度差等，为后期处理效果大打折扣。使用MEMS技术的检波器所接收到的地震数据可以在最终叠加数据上保留3Hz的地震信号，高频分量也有明显的提升，其动态范围大于100dB，在三分量地震勘探中，能更好地分离P波和S波。但目前三分量数字传感器是用三个MEMS加速度传感器正交直角安装成的三分量数字传感器，这样不便于检测同点的三维地震信号，且也不经济，其分辨率、义精度、保真度低频响应能力等有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有的地震检波器的不足之处，提供一种三维MEMS地震检波器芯片及其制备方法。本发明通过下述技术方案来实现，本发明包括：基底B，基底A，X轴悬臂梁，X轴固定电极，X轴质量块及活动电极，其特征在于在同一个芯片上它还设有与X轴相同的Y、Z轴向的悬臂梁、固定电极、质量块及活动电极构成的电容性机械振动***微结构。
采用本发明的MEMS地震检波器芯片具有高分辨率、高保真、精度高、低频响应能力好、动态范围大便于检测同点的三维信号等特点。
所说的基底A、B采用氧化铝陶瓷片、氮化硅等绝缘材料。
所说的悬臂梁采用硅或氮化硅高强度材料。
所说的导线及电极采用金或银或铂导电性能好的金属材料。
本发明的三维MEMS地震检波器芯片的制备方法，其特征是分别对两块硅基底A、B分别加工，再对准键合封装；其步骤如下：
制作A基片：
步骤1采用光刻法在基底上刻蚀出三个凹槽，三个凹槽呈X、Y、Z正交排列；
步骤2通过磁控溅射在A基片上沉积一层金、银或铂等导电性能良好的金属，并用丙酮浸泡剥离形成导线和固定电极；
步骤3采用旋涂微机械用有机牺牲层聚酰亚胺，采用光刻法在牺牲层上形成悬臂梁模型，并通过磁控溅射法沉积硅或氮化硅等悬臂梁材料，去除牺牲层后形成悬臂梁及质量块；
步骤4通过磁控溅射沉积一层金、银或铂等导电性能良好的金属，并用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁上的活动电极；
制作B基片：
步骤1采用光刻法在基底B上刻蚀出三个凹槽，三个凹槽与A基片上的三个凹槽相对应；
步骤2通过磁控溅射在B基片沉积一层金、银或铂等导电性能良好的金属，并用丙酮浸泡剥离形成导线和固定电极等；
步骤3通过气态腐蚀或等离子体刻蚀的方法形成X轴和Z轴上的悬臂梁；
步骤4通过磁控溅射法沉积硅或氮化硅等悬臂梁材料，加高X轴和Z轴的悬臂梁；
步骤5通过磁控溅射沉积一层金、银或铂等导电性能良好的金属，并用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁上的活动电极；
步骤6将基片A、B键合封装。
经过上述步骤后，就可以制备出本发明的三维MEMS地震检波器芯片。
通过上述的情况说明，可知本发明用一个MEMS芯片就可以感知地震波的三维信息，尤其是同点三维信息，并分别转化为X、Y、Z三方向的电信号。本发明的三维MEMS地震检波器芯片具有高分辨率、高保真、精度高、低频响应能力好等特别，适合数字化地震勘探***作接收地震波传感器使用，使用时固定电极与电源及C-V(电容-电压)转换电路连接，当MEMS芯片感受到地震的信号，悬臂梁发生挠动，使悬臂梁两边的固定电极与悬臂梁之间的电容发生变化，通过“电容-电压”变换电路、A/D转换电路、信号放大电路等处理获得地震波三维信息。
附图说明
图1本发明的三维MEMS地震检波器分离结构示意图；
图2为三维MEMS地震检波器结构剖视图；
1-基底B，2-基底A，3-Z轴电容性机械振动***微结构，4-Y轴电容性机械振动***微结构，5-X轴电容性机械振动***微结构，6-X轴悬臂梁，7-X轴固定电极，8-X轴质量块及活动电极。
图3本发明三维MEMS地震检波器制备工艺流程所得产品示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1、2所示，在两块20×20×0.5mm2的硅片1、2上制作三维MEMS地震检波器芯片阵列：
(1)采用一块20×20×0.5mm2的硅片作为基底A2，经清洗后光刻形成三个凹槽，三个凹槽呈直角正交排列，其中X、Z轴方向凹槽深20-40μm，本实施例选用20μm，Y轴方向凹槽深3μm，如图3中的a所示；再溅射形成一层0.5μm金，经剥离形成的导线及固定电极7，如图3中的b所示；
(2)通过旋涂微机械用有机牺牲层聚酰亚胺3μm，采用光刻法在牺牲层上形成悬臂梁模型，并通过磁控溅射法沉积2.5μm厚的硅悬臂梁材料，去除牺牲层后形成悬臂梁6及质量块8，如图3中的c所示；
(3)通过磁控溅射沉积一层0.5μm厚的金，并用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁6上的活动电极8，如图3中的d所示；
(4)采用一块20×20×0.5mm2的硅片作为基底B1，经清洗后光刻形成形成三个凹槽，三个凹槽与A基片的三个凹槽相对应，其中X、Z轴方向凹槽深20-40μm，本实施例选用20μm，Y轴方向凹槽深3μm，如图3中的e所示；溅射沉积一层0.5μm厚的金，并用丙酮浸泡剥离形成导线和固定电极7；
(5)采用旋涂微机械用有机牺牲层聚酰亚胺3μm，采用光刻法在牺牲层上形成悬臂梁模型，并通过磁控溅射法沉积2.5μm厚的硅材料，去除牺牲层后形成X轴5和Z轴3电容性机械振动***微结构的悬臂梁6及质量块8，如图3中的g所示；
(6)通过磁控溅射法沉积硅悬臂梁材料，加高X轴和Z轴的悬臂梁10μm，如图3中的h所示；并通过磁控溅射沉积一层0.5μm厚的金，用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁6上的活动电极8，如图3中的i所示；
(7)将基片A、B键合封装，如图3中的j所示。
关键尺寸：Y轴方向电容性机械振动***微结构4的悬臂梁100×50μm2；质量块60×50μm2；X和Z轴方向悬臂梁80×30μm2；质量块40×30μm2。
实施例2：
如图1、2所示，在两块20×20×0.5mm2的硅片1、2上制作三维MEMS地震检波器阵列：
(1)采用一块20×20×0.5mm2的硅片作为基底A2，经清洗后光刻形成三个凹槽，其中X、Z轴方向凹槽深30μm，Y轴方向凹槽深3μm，如图3中的a所示；再溅射形成一层0.5μm金，经剥离形成的导线及固定电极7，如图3中的b所示；
(2)通过旋涂微机械用有机牺牲层(聚酰亚胺)4μm，采用光刻法在牺牲层上形成悬臂梁模型，并通过磁控溅射法沉积2.5μm厚的硅悬臂梁材料，去除牺牲层后形成悬臂梁6及质量块8，如图3中的c所示；
(3)通过磁控溅射沉积一层0.5μm厚的金，并用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁6上的活动电极8，如图3中的d所示；
(4)采用一块20×20×0.5mm2的硅片作为基底B1，经清洗后光刻形成形成三个凹槽，其中X、Z轴方向凹槽深30μm，Y轴方向凹槽深3μm，如图3中的e所示；溅射沉积一层0.5μm厚的金，并用丙酮浸泡剥离形成导线和固定电极7；
(5)采用旋涂微机械用有机牺牲层聚酰亚胺3μm，采用光刻法在牺牲层上形成悬臂梁模型，并通过磁控溅射法沉积2.5μm厚的硅材料，去除牺牲层后形成X轴5和Z轴3电容性机械振动***微结构的悬臂梁6及质量块8，如图3中的g所示；
(6)通过磁控溅射法沉积硅悬臂梁材料，加高X轴和Z轴的悬臂梁10μm，如图3中的h所示；并通过磁控溅射沉积一层0.5μm厚的金，用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁6上的活动电极8，如图3中的i所示；
(7)将基片A、B键合封装，如图3中的j所示。
关键尺寸：Y轴方向的电容性机械振动***微结构4悬臂梁110×60μm2；质量块80×80μm2；X和Z轴方向悬臂梁100×40μm2；质量块50×40μm2。
实施例3：
如图1、2所示，在两块20×20×0.5mm2的硅片1、2上制作三维MEMS地震检波器阵列：
(1)采用一块20×20×0.5mm2的硅片作为基底A2，经清洗后光刻形成三个凹槽，其中X、Z轴方向凹槽深40μm，Y轴方向凹槽深3μm，如图3中的a所示；再溅射形成一层0.5μm金，经剥离形成的导线及固定电极7，如图3中的b所示；
(2)通过旋涂微机械用有机牺牲层聚酰亚胺4μm，采用光刻法在牺牲层上形成悬臂梁模型，并通过磁控溅射法沉积2.5μm厚的硅悬臂梁材料，去除牺牲层后形成悬臂梁6及质量块8，如图3中的c所示；
(3)通过磁控溅射沉积一层0.5μm厚的金，并用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁6上的活动电极8，如图3中的d所示；
(4)采用一块20×20×0.5mm2的硅片作为基底B，经清洗后光刻形成形成三个凹槽，其中X、Z轴方向凹槽深40μm，Y轴方向凹槽深3μm，如图3中的e所示；溅射沉积一层0.5μm厚的金，并用丙酮浸泡剥离形成导线和固定电极7；
(5)采用旋涂微机械用有机牺牲层聚酰亚胺3μm，采用光刻法在牺牲层上形成悬臂梁模型，并通过磁控溅射法沉积2.5μm厚的硅材料，去除牺牲层后形成X轴5和Z轴3电容性机械振动***微结构的悬臂梁6及质量块8，如图3中的g所示；
(6)通过磁控溅射法沉积硅悬臂梁材料，加高X轴和Z轴的悬臂梁10μm，如图3中的h所示；并通过磁控溅射沉积一层0.5μm厚的金，用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁6上的活动电极8，如图3中的i所示；
(7)将基片A、B键合封装，如图3中的j所示。
关键尺寸：Y轴方向电容性机械振动***微结构4的悬臂梁120×60μm2；质量块80×80μm2；X和Z轴方向悬臂梁110×50μm2；质量块50×50μm2。
光刻胶选用AZ-9260微机械用厚胶，通过控制甩胶的加速度和线速度来控制光刻胶的厚度。

Claims (1)

1.一种三维MEMS地震检波器芯片的制备方法，其特征在于，按下列步骤进行：
制作A基片：
步骤1采用光刻法在基底上刻蚀出三个凹槽，三个凹槽呈X、Y、Z正交排列；
步骤2通过磁控溅射在A基片上沉积一层金、银或铂导电性能良好的金属，并用丙酮浸泡剥离形成导线和固定电极；
步骤3采用旋涂微机械用有机牺牲层，采用光刻法在牺牲层上形成悬臂梁模型，并通过磁控溅射法沉积硅或氮化硅悬臂梁材料，去除牺牲层后形成悬臂梁及质量块；
步骤4通过磁控溅射沉积一层金、银或铂导电性能良好的金属，并用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁上的活动电极；
制作B基片：
步骤5采用光刻法在基底B上刻蚀出三个凹槽，三个凹槽与A基片上的三个凹槽相对应；
步骤6通过磁控溅射在B基片沉积一层金、银或铂导电性能良好的金属，并用丙酮浸泡剥离形成导线和固定电极；
步骤7通过气态腐蚀或等离子体刻蚀的方法形成X轴和Z轴上的悬臂梁；
步骤8通过磁控溅射法沉积硅或氮化硅悬臂梁材料，加高X轴和Z轴的悬臂梁；
步骤9通过磁控溅射沉积一层金、银或铂导电性能良好的金属，并用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁上的活动电极；
键合：
步骤10将基片A、B对准键合封装。
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