CN109036910B - 一种微机械万向开关的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微机械万向开关的制造方法，微机械万向开关包括：器件层、衬底和封帽，器件层和衬底在SOI圆片上加工而成，SOI圆片自上而下分别包括厚硅层、二氧化硅绝缘层和薄硅层；制造方法包括：在厚硅层的上表面通过电镀工艺制作一层金属，作为动电极；在厚硅层中通过深硅刻蚀工艺制作所述质量块和螺旋形弹簧梁；在薄硅层中通过深硅刻蚀工艺刻蚀多个释放孔，并将形成的镂空结构作为衬底；对二氧化硅绝缘层通过氢氟酸刻蚀工艺加工，释放质量块和螺旋形弹簧梁，使其形成可动结构；在封帽层上表面加工出不同高的固定电极；将加工好的SOI圆片与封帽层对准进行热压键合封装。本发明制造方法得到的微机械开关在轴向0～90度范围内实现万向触发。

Description

一种微机械万向开关的制造方法

技术领域

本发明属于微机械加工技术领域，更具体地，涉及一种微机械万向开关的制造方法。

背景技术

微机电***(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术为基础设计和制造的惯性开关具有体积小、质量轻、易集成和批量化生产等优点，在汽车安全气囊、货运监测、飞机安全座椅弹射触发、弹药发射和引信起爆等领域都有着广泛的应用前景。微机械惯性开关的物理模型为弹簧质量块惯性***，一般分为触发式和闭锁式两种，前者要求闭合后自动断开而后者要求闭合以后不再断开。触发式惯性开关在受到加速度冲击时，由弹簧支撑的质量块作为动电极受惯性力作用发生与加速度方向相反的位移，直至触碰到固定电极形成电气闭合回路，而后受弹簧恢复力作用自动分离，完成开关的通断动作。

传统的微机械开关制造方法得到的微机械开关，如专利CN102693865A，利用LIGA或UV-LIGA工艺制作的金属弹簧质量块结构。因为使用电铸工艺，容易产生较大的应力和平整度问题，因而质量块厚度无法做到很大，如需较大的惯性质量就需要增大质量块的面积。而且该类工艺所使用的金属多为镍或者镍合金，该类金属对磁场敏感且容易被充磁的因而容易受到磁场干扰使开关产生意外闭合；另外在勤务处理和后坐力作用下，金属弹簧和电极在受到冲击碰撞后容易产生塑性变形，从而导致开关的加速度阈值发生变化。

发明内容

针对传统微机械开关在制造方法上存在的缺陷，本发明在于解决现有微机械开关在制造方法使用电铸工艺，容易产生较大的应力和平整度问题，因而质量块厚度无法做到很大，以及使用的金属多为镍或者镍合金，该类金属对磁场敏感且容易被充磁的因而容易受到磁场干扰使开关产生意外闭合；另外弹簧和电极在受到冲击碰撞后容易产生塑性变形，从而导致开关的加速度阈值发生变化的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种微机械万向开关的制造方法，所述微机械万向开关包括：器件层、衬底和封帽，所述器件层上下分别为衬底和封帽，构成三明治结构；所述器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架，质量块通过螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上镀有金属作为动电极；所述封帽包括：径向电极、轴向电极及弧形电极；径向电极分布在质量块的四周，所述轴向电极位于质量块的下方，所述弧形电极位于径向电极和轴向电极的弧形连接方向；当质量块受到外界径向加速度时，动电极与径向电极接触，开关闭合；当质量块受到外界轴向加速度时，动电极与轴向电极接触，开关闭合；当质量块受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角时，动电极与弧形电极接触，开关闭合；所述衬底包括多孔镂空结构，分布在质量块和螺旋形弹簧梁的上方，所述器件层和衬底在SOI圆片上加工而成，所述SOI圆片自上而下分别包括厚硅层、二氧化硅绝缘层和薄硅层；该微机械万向开关的制造方法包括以下步骤：

在所述厚硅层的上表面通过电镀工艺制作一层金属，作为所述动电极；

在所述厚硅层中通过深硅刻蚀工艺制作所述质量块和螺旋形弹簧梁；

在所述薄硅层中通过深硅刻蚀工艺刻蚀多个释放孔，并将形成的镂空结构作为所述衬底；

对所述二氧化硅绝缘层通过氢氟酸刻蚀工艺加工，释放所述质量块和螺旋形弹簧梁，使其形成可动结构；

在封帽层上表面通过剥离工艺制作固定电极的种子层，所述固定电极包括径向电极、轴向电极及弧形电极；

使用台阶电镀工艺加工出不同高度但材料相同的固定电极；

将加工好的SOI圆片与封帽层对准进行热压键合封装，最终制成所述微机械万向开关。

可选地，所述厚硅层的厚度为300μm-1000μm，薄硅层的厚度为50μm-200μm，二氧化硅绝缘层的厚度为1μm-5μm。

可选地，所述的封帽层的材料为硅或者玻璃，厚度为300μm-500μm。

可选地，所述螺旋形弹簧梁包括四根相同的螺旋形梁组成，每根螺旋形梁的一端与质量块相连，另外一端与框架相连，每根梁螺旋形之间相隔90度圆周分布。

可选地，所述径向电极包括封帽上凸起的四段金属弧形结构组成的圆环状结构，相隔90度圆周分布在质量块的四周，并与质量块保持10μm-50μm接触间隙。

可选地，所述轴向电极包括封帽上凸起的金属圆盘状结构，位于质量块的下方并与质量块保持10μm-50μm接触间隙。

可选地，所述的径向电极和轴向电极都为固定电极，且所用金属材料相同，径向电极的厚度大于轴向电极，两者连接部分为相同金属材料形成的弧形电极。

可选地，所述固定电极通过以下方法制造：确定径向电极的种子层图形和轴向电极的种子层图形，所述径向电极的种子层图形与轴向电极的种子层图形未导通；电镀工艺先从径向电极的种子层图形开始，在镀层厚度逐渐增大的同时，向轴向电极的种子层图形方向侧向电镀产生一个弧形镀层结构；随着电镀继续，镀层厚度不断增大导致弧形镀层结构与轴向电极的种子层图形连接；轴向电极的种子层图形与径向电极的种子层图形形成电镀回路开始电镀，因为电镀开始的时间不同，最终在径向电极的种子层图形和轴向电极的种子层图形上形成的电镀镀层结构的高度不同，且两者之间存在弧形镀层结构；所述径向电极种子层图形上的电镀镀层结构作为径向电极，所述轴向电极种子层图形上的电镀镀层结构作为轴向电极，所述弧形镀层结构作为弧形电极。

可选地，所述螺旋形梁的梁宽为20μm-100μm；所述螺旋形弹簧梁的高度与质量块的厚度相同，为300μm-1000μm。

可选地，所述的微机械万向开关在受到加速度冲击时，由螺旋形弹簧梁支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移；

当质量块位移趋向于衬底并与其发生碰撞时，镂空结构具有较小的刚度从而发生形变，冲击产生的动能转化为弹性势能，从而保护质量块和螺旋形弹簧梁在大冲击下不发生损坏。

可选地，所述的微机械万向开关在受到加速度冲击时，由螺旋形弹簧梁支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移；

当质量块产生向下位移时，质量块上的动电极与封帽上的轴向电极发生碰撞接触，从而形成电路回路，开关闭合；

当质量块产生向周围方向的位移时，质量块上的动电极与封帽上的径向电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合；

通过螺旋形弹簧梁和质量块的结构刚度设计，以及匹配质量块动电极与径向电极、轴向电极之间的间隙距离，可以使微机械万向开关在径向和轴向有相同的闭合加速度阈值；

当质量块与轴向和径向成一定夹角的方向上产生位移时，质量块上的动电极与封帽上径向电极和轴向电极的连接处的弧形电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合；

通过对弧形电极对应的弧形台阶的曲率半径、与质量块动电极的间隙距离参数设计，匹配螺旋形弹簧梁和质量块***在该方向上的刚度，可使该微机械万向开关在半球面方向上具有相同的闭合加速度阈值，实现万向触发。

综上所述，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明基于SOI圆片且利用体硅工艺制作微机械万向开关的质量块和弹簧结构，可以获得较厚的惯性质量块，相比传统LIGA工艺受应力限制无法获得较厚的质量块，该发明的制造方法可在更小面积下实现相同重量的惯性质量块，减小体积和成本。

(2)本发明通过在SOI圆片薄硅层上制作的镂空结构将冲击能量转化为弹性势能，使该微机械开关拥有更高的抗过载能力。

(3)本发明通过台阶电镀工艺，同步获得厚度不同的径向电极、轴向电极以及两者连接处的弧形台阶电极；通过与质量块动电极的间隙距离设计以及匹配弹簧质量块***在各方向上的刚度，该制造方法实现的微机械开关在半球面内任意方向上有相同的加速度阈值，即轴向0～90度范围内具有相同的阈值，实现万向触发。

附图说明

图1是本发明实施例提供的微机械万向开关SOI圆片加工工艺流程图；

图2是本发明实施例提供的微机械万向开关制造过程中所使用的台阶电镀工艺示意图；

图3是本发明实施例提供的微机械万向开关封帽台阶电镀工艺流程图；

图4是本发明实施例提供的微机械万向开关封装后的整体结构剖面图；

图5是本发明实施例提供的微机械万向开关台阶电镀工艺验证实物图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及两个实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明涉及的微机械万向开关的工作原理如下：微机械万向开关在受到加速度冲击时，由弹簧支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移。当质量块位移趋向于衬底并与冲击保护结构发生碰撞时，镂空结构具有较小的刚度从而发生形变，冲击产生的动能转化为弹性势能，从而保护质量块和弹簧在大冲击下不发生损坏。当质量块位移沿轴向趋向于封帽时，质量块上的动电极与封帽上的固定电极发生碰撞接触，从而形成电路回路，即开关闭合。固定电极包括径向电极、轴向电极和弧形电极，当质量块受冲击在轴向0-90度范围内产生大于阈值的位移时，开关闭合从而实现万向触发功能。

在一个示例中，本发明提供的微机械万向开关，包括器件层、衬底和封帽，所述器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架，所述衬底包括：冲击保护结构，所述封帽包括：径向电极、轴向电极和弧形电极。

器件层上下为衬底和封帽，构成三明治结构的微机械万向开关。质量块为圆柱形结构，由螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上表面镀有一层金属作为动电极。螺旋形弹簧梁包括四根相同的螺旋形梁组成，梁宽可以为20μm-100μm，每根梁的一端与质量块相连另外一端与框架相连，每根梁之间相隔90度圆周分布。螺旋形弹簧梁的高度与质量块的厚度相同，可以为300μm-1000μm；冲击保护结构包括在衬底上的多孔镂空结构，分布在质量块结构和弹簧结构的下方。

其中，螺旋形弹簧梁可简称为弹簧。

径向电极包括封帽上凸起的四段金属弧形结构组成的圆环状结构，相隔90度圆周分布在质量块的四周，并与质量块保持一定接触间隙；该间隙可以为10μm-50μm。

轴向电极包括封帽上凸起的金属圆盘状结构，位于质量块的下方并与质量块保持一定的接触间隙；该间隙可以为10μm-50μm。

径向电极和轴向电极都为固定电极，且所用金属材料相同，径向电极的厚度大于轴向电极，两者连接部分为相同金属形成的弧形台阶，该弧形台阶即作为弧形电极。

微机械万向开关在受到加速度冲击时，由弹簧支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移。当质量块位移趋向于衬底并与冲击保护结构发生碰撞时，镂空结构具有较小的刚度从而发生形变，冲击产生的动能转化为弹性势能，从而保护质量块和弹簧在大冲击下不发生损坏。当质量块位移沿轴向趋向于封帽时，质量块上的动电极与封帽上的轴向固定电极发生碰撞接触，从而形成电路回路，即开关闭合。当质量块产生径向位移时，质量块上的动电极与封帽上的径向固定电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合。通过弹簧和质量块的结构刚度设计，以及匹配质量块动电极与径向、轴向固定电极之间的间隙距离，可以使开关在径向和轴向有相同的闭合加速度阈值。

当质量块与轴向和径向成一定夹角的方向上产生位移，质量块上的动电极与封帽上径向电极和轴向电极的连接处的金属弧形台阶发生碰撞接触，形成回路，开关闭合。通过对弧形台阶的曲率半径、与质量块动电极的间隙距离等参数设计，匹配弹簧和质量块***在该方向上的刚度，可使该微机械开关在半球面方向上具有相同的闭合加速度阈值，实现万向触发。

本发明提供了一种微机械万向开关的制造方法。该制造方法得到的微机械惯性开关的弹簧和质量块机构通过基于SOI圆片的体硅工艺加工，可在较小的面积内获得较大的惯性质量块；通过台阶电镀工艺使惯性开关在载体前向半球面内拥有相同的碰撞加速度阈值；通过在器件背面制作柔性结构来实现大冲击载荷下的结构过载保护。

具体到，器件层和衬底在SOI圆片上加工而成，SOI圆片自上而下分别包括厚硅层、二氧化硅绝缘层和薄硅层。本发明提供的微机械万向开关的具体制造方法步骤如下：

1)清洗SOI圆片。

2)在SOI圆片厚硅层上表面通过电镀工艺制作微机械万向开关的金属动电极，电极厚度为1-10μm。

3)对SOI圆片厚硅层上通过深硅刻蚀工艺制作微机械万向开关的质量块和弹簧结构。

4)对SOI圆片薄硅层上通过深硅刻蚀工艺刻蚀释放孔，并将形成的镂空结构作为微机械万向开关的冲击过载保护机构。

5)对SOI圆片的二氧化硅绝缘层通过氢氟酸刻蚀工艺加工，释放微机械万向开关的可动结构。

6)清洗封帽层表面。

7)在封帽层上表面通过剥离工艺制作微机械万向开关的金属固定电极的种子层，种子层厚度为100nm-500nm。

8)使用台阶电镀工艺加工出不同高度但相同材料的金属固定电极。

9)将加工好的SOI结构与封帽层对准进行热压键合封装，最终制成一种微机械万向开关芯片。

所述的SOI圆片厚硅层的厚度为300μm-1000μm，薄硅层的厚度为50μm-200μm，中间绝缘层的厚度为1μm-5μm。

所述的封帽层材料包括硅或者玻璃，厚度为300μm-500μm。

所述的动电极和固定电极的金属材料可以为金、铜、锡。

其中，台阶电镀工艺原理：金属种子层定义的不同图形接通电镀回路的时间不同，导致同一电镀过程中产生高度不同的结构。先接通电气回路的种子层图形在没有光刻胶的约束下，电镀增加图形厚度的同时也会产生侧向电镀；当侧向电镀产生的金属接触到周边的种子层图形时，周边图形也开始电镀，但其形成的电镀层厚度要小于先开始电镀的图形；电镀工艺结束后电镀形成的镀层呈现高低不同的电极结构，不同高度的电极结构之间通过弧形镀层结构连接，且可以通过控制种子层图形的间距来控制不同图形之间镀层的高度差。

为了更进一步地说明本发明实施例提供的微机械万向开关的制造方法，现结合附图对本发明作进一步详述。

图1是微机械万向开关SOI圆片加工工艺流程图。100mm直径SOI圆片的厚硅层1厚度为500μm，薄硅层2厚度为50μm，二氧化硅绝缘层3厚度为2μm。SOI圆片的加工包括：先在厚硅层1上表面通过制作种子层后再电镀的工艺加工方式，加工出金属动电极401和封装焊盘402。然后再对厚硅层1进行深硅刻蚀加工，形成微机械万向开关的质量块101和弹簧102；之后再对薄硅层2进行深硅刻蚀加工，形成镂空结构201。最后使用氢氟酸刻蚀工艺将绝缘层3的部分结构进行刻蚀，最终使质量块101和弹簧102得以释放形成可动结构。

图2是微机械万向开关制造过程中所使用的台阶电镀工艺示意图。形成电镀回路的种子层图形结构501，以及未导通形成回路的种子层图形502。电镀工艺先从图形501开始，在镀层厚度逐渐增大的同时，侧向电镀产生一个弧形镀层结构503。随着电镀继续，镀层厚度不断增大导致弧形结构503与种子层图形502连接；种子层图形502形成电镀回路开始电镀，因为电镀开始的时间不同，最终形成的电镀镀层结构501和502的高度不同，且两者之间存在弧形镀层结构503。具体地，电镀镀层结构501、502以及弧形镀层结构503可分别作为径向电极、轴向电极及弧形电极。可参见图3所示。

图3是微机械万向开关封帽台阶电镀工艺流程图。封帽6的材料为玻璃。在封帽6上通过物理气相沉积(PVD)工艺和剥离工艺制作固定极板的种子层701和702，以封装焊盘种子层801和电气引线焊盘901。种子层为40nm铬和200nm金。当固定极板种子层701接入电镀回路后电镀工艺开始，镀层出现在701的竖直方向和侧向，形成山包状镀层结构7011。随着电镀的继续，镀层结构7011与固定极板的种子层结构702导通，使之前未接入电镀回路的结构702开始电镀，并形成新的镀层结构7021。同理，封装焊盘处形成镀层结构8011，电气引线焊盘处形成镀层9011。

其中，如图3所示，种子层701和702上电镀后得到的金属电极分别对应径向电极和轴向电极。山包状镀层结构7011的弧形台阶处即对应弧形电极。通过台阶电镀工艺制备的径向电极和轴向电极的厚度不同，且两者之间存在弧形电极。

图4是微机械万向开关封装后的整体结构剖面图。将加工好的SOI圆片与加工好的封帽通过Finetech封装机对准后，在封装机腔体内进行金-金热压键合，封装形成机械固连和电气互连。

图5是经过台阶电镀工艺的图形结构在扫描电子显微镜中观察到的样品实物图，图中较低的镀层约为5μm厚，而较高的镀层结构约为30μm厚。可知，通过台阶电镀工艺可以制备不同厚度的金属层。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微机械万向开关的制造方法，其特征在于，所述微机械万向开关包括：器件层、衬底和封帽，所述器件层上下分别为衬底和封帽，构成三明治结构；所述器件层包括：质量块、螺旋形弹簧梁和框架，质量块通过螺旋形弹簧梁支撑在框架上，质量块的上表面镀有金属作为动电极；所述封帽包括：径向电极、轴向电极及弧形电极；径向电极分布在质量块的四周，所述轴向电极位于质量块的下方，所述弧形电极位于径向电极和轴向电极的弧形连接方向；当质量块受到外界径向加速度时，动电极与径向电极接触，开关闭合；当质量块受到外界轴向加速度时，动电极与轴向电极接触，开关闭合；当质量块受外界加速度方向与轴向和径向各成一定夹角时，动电极与弧形电极接触，开关闭合；所述衬底包括多孔镂空结构，分布在质量块和螺旋形弹簧梁的上方，所述器件层和衬底在SOI圆片上加工而成，所述SOI圆片自上而下分别包括厚硅层、二氧化硅绝缘层和薄硅层；所述微机械万向开关的制造方法包括以下步骤：

在所述厚硅层的上表面通过电镀工艺制作一层金属，作为所述动电极；

在所述厚硅层中通过深硅刻蚀工艺制作所述质量块和螺旋形弹簧梁；

在所述薄硅层中通过深硅刻蚀工艺刻蚀多个释放孔，并将形成的镂空结构作为所述衬底；

对所述二氧化硅绝缘层通过氢氟酸刻蚀工艺加工，释放所述质量块和螺旋形弹簧梁，使质量块和螺旋形弹簧梁形成可动结构；

在封帽层上表面通过剥离工艺制作固定电极的种子层，所述固定电极包括径向电极、轴向电极及弧形电极；

使用台阶电镀工艺加工出不同高度但材料相同的固定电极；

将加工好的SOI圆片与封帽层对准进行热压键合封装，最终制成所述微机械万向开关；

所述的微机械万向开关在受到加速度冲击时，由螺旋形弹簧梁支撑的质量块会相对于框架产生与加速度方向相反的位移；

当质量块位移趋向于衬底并与镂空结构发生碰撞时，镂空结构具有较小的刚度从而发生形变，冲击产生的动能转化为弹性势能，从而保护质量块和螺旋形弹簧梁在大冲击下不发生损坏；

所述固定电极通过以下方法制造：

确定径向电极的种子层图形和轴向电极的种子层图形，所述径向电极的种子层图形与轴向电极的种子层图形未导通；

电镀工艺先从径向电极的种子层图形开始，在镀层厚度逐渐增大的同时，向轴向电极的种子层图形方向侧向电镀产生一个弧形镀层结构；

随着电镀继续，镀层厚度不断增大导致弧形镀层结构与轴向电极的种子层图形连接；

轴向电极的种子层图形与径向电极的种子层图形形成电镀回路开始电镀，因为电镀开始的时间不同，最终在径向电极的种子层图形和轴向电极的种子层图形上形成的电镀镀层结构的高度不同，且两者之间存在弧形镀层结构；所述径向电极种子层图形上的电镀镀层结构作为径向电极，所述轴向电极种子层图形上的电镀镀层结构作为轴向电极，所述弧形镀层结构作为弧形电极。

2.根据权利要求1所述的微机械万向开关的制造方法，其特征在于，所述厚硅层的厚度为300μm-1000μm，薄硅层的厚度为50μm-200μm，二氧化硅绝缘层的厚度为1μm-5μm。

3.根据权利要求1所述的微机械万向开关的制造方法，其特征在于，所述的封帽层的材料为硅或者玻璃，厚度为300μm-500μm。

4.根据权利要求1所述的微机械万向开关的制造方法，其特征在于，所述螺旋形弹簧梁包括四根相同的螺旋形梁组成，每根螺旋形梁的一端与质量块相连，另外一端与框架相连，每根梁螺旋形之间相隔90度圆周分布。

5.根据权利要求1所述的微机械万向开关的制造方法，其特征在于，所述径向电极包括封帽上凸起的四段金属弧形结构组成的圆环状结构，相隔90度圆周分布在质量块的四周，并与质量块保持10μm-50μm接触间隙。

6.根据权利要求1所述的微机械万向开关的制造方法，其特征在于，所述轴向电极包括封帽上凸起的金属圆盘状结构，位于质量块的下方并与质量块保持10μm-50μm接触间隙。

7.根据权利要求1所述的微机械万向开关的制造方法，其特征在于，所述的径向电极和轴向电极都为固定电极，且所用金属材料相同，径向电极的厚度大于轴向电极，两者连接部分为相同金属材料形成的弧形电极。

8.根据权利要求1至7任一项所述的微机械万向开关的制造方法，其特征在于，当质量块产生向下位移时，质量块上的动电极与封帽上的轴向电极发生碰撞接触，从而形成电路回路，开关闭合；

当质量块产生向周围方向的位移时，质量块上的动电极与封帽上的径向电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合；

通过螺旋形弹簧梁和质量块的结构刚度设计，以及匹配质量块动电极与径向电极、轴向电极之间的间隙距离，可以使微机械万向开关在径向和轴向有相同的闭合加速度阈值；

当质量块与轴向和径向成一定夹角的方向上产生位移时，质量块上的动电极与封帽上径向电极和轴向电极的连接处的弧形电极发生碰撞接触，形成回路，开关闭合；

通过对弧形电极对应的弧形台阶的曲率半径、与质量块动电极的间隙距离参数设计，匹配螺旋形弹簧梁和质量块***在该方向上的刚度，可使该微机械万向开关在半球面方向上具有相同的闭合加速度阈值，实现万向触发。