CN1746681A - 差分式抗高过载微型隧道加速度计及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种差分式隧道加速度计，具体公开该差分式隧道加速度计的结构及其制备方法。本发明的差分式抗高过载隧道加速度计，包括玻璃衬底，玻璃衬底上电信号连接引线，玻璃衬底通过锚点与支撑梁，固定梳齿电极和隧尖相连接。支撑梁与质量块、可动梳齿电极相连。其特点是敏感结构为对称结构，辅以差分式反馈控制电路，实现了差分式隧道加速度计；隧尖与玻璃衬底之间的连接为弹性连接而不是刚性连接，该结构提高了器件的抗高过载能力；在制备方法上，设计了成套的差分式隧道加速度计制备方法，其中主要包括阳极键合、电感耦合等离子体刻蚀工艺和聚焦离子束工艺等工艺。

Description

差分式抗高过载微型隧道加速度计及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械***加工领域，尤其涉及一种差分式抗高过载微型隧道加速度计的结构及其制备方法。

背景技术

微电子机械***(MEMS)作为新兴的高新技术领域，采用先进的半导体工艺技术，将整个机械结构集成在一块芯片中，在军事、生物医学、汽车等行业得到了广泛的应用。这些器件主要以硅材料为基础加工成各种结构。近年来，干法深槽刻蚀技术、聚焦离子束技术等微细加工手段的逐渐成熟，为研制高精度，新原理的MEMS器件提供了基础技术储备。

隧道加速度计是基于量子隧道效应的新型器件，1986年美国科学家G.Binnig H.Rohrer等人因设计和开发了基于量子隧道效应的扫描显微镜而获得诺贝尔物理学奖之后，许多科学家对量子隧道效应在其他领域的应用进行了研究。在利用MEMS技术进行隧道式加速度计研制方面，斯坦福大学的Thoms W.Kenny等人(Cheng-Hsien Liu andThomas W.Kenny A high-precision，wide-bandwith micromachinedtunneling accelerometr，Journal of Microelectromechenical Systems，vol.10，No.3，September 2001 pp425-433)和美国密西根大学KhalilNajafi等人(Chingwen Yeh and Khalil Najafi，A Low-VoltageTunneling-Based Silicon Microaccelerometer IEEE TRANSACTIONSON ELECTRON DEVICES，VOL.44，NO.11，NOVEMBER 1997pp1875-1882)对隧道加速度计做了大量研究，制备出具有一定性能的隧道加速度计。但同时也发现隧道式传感器低频噪声和漂移较大，这就限制了其应用范围，差分检测是一种很好的抑制漂移和噪声的方法，但由于隧道加速度计需要反馈电路控制隧尖与对应电极的距离，实现差分检测需要在正反两面加工隧尖、电极和引线，采用目前的结构和工艺难以实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种差分式隧道加速度计，具体公开该差分式隧道加速度计的结构，该加速度计具有微型化、精度高、可批量生产的特点。

本发明的另一目的是提供所述差分式隧道加速度计的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种差分式抗高过载隧道加速度计，包括玻璃衬底，玻璃衬底上电信号连接引线，玻璃衬底通过锚点(anchor)与支撑梁，固定梳齿电极和隧尖相连接。支撑梁与质量块、可动梳齿电极相连。其特点是敏感结构为对称结构，辅以差分式反馈控制电路，实现了差分式隧道加速度计；隧尖与玻璃衬底之间的连接为弹性连接而不是刚性连接，该结构提高了器件的抗高过载能力；在制备方法上，设计了成套的差分式隧道加速度计制备方法，其中主要包括阳极键合、电感耦合等离子体刻蚀工艺(ICP)和聚焦离子束工艺(FIB)等工艺。

本发明的差分式抗高过载隧道加速度计，利用反馈控制电路自适应调节驱动电压，使隧尖和对应电极的距离始终保持1nm左右，通过反馈电压的变化读取输入加速度的大小。本发明不仅实现了敏感结构的对称，而且在反馈控制电路中，采用单一分压电路方案对差分结构进行驱动和偏置，采用对称电路方案进行滤波和反馈，从而抑制了噪声和漂移，提高了隧道加速度计的精度。

差分式抗高过载隧道加速度计的制备方法，依次包括以下步骤：

1.起始材料为硅片，在硅片上刻蚀浅槽，以便在最后的刻蚀中释放结构。刻蚀方法可以采用氢氧化钾(KOH)腐蚀工艺，也可以采用其他邻苯二酚乙烯二胺(EDP)、氢氧化四甲基铵(TMAH)等其他腐蚀方法。

2.在玻璃衬底上制备驱动电极和隧尖对应电极，首先在玻璃衬底上腐蚀出潜槽，然后在潜槽内淀积金属，以实现好的键合质量和电连接。

3.阳极键合，实现玻璃衬底和硅片的对准和粘合。

4.采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀硅片背面，得到差分式敏感结构，包括质量块、固定梳齿、活动梳齿，支撑梁和弹性隧尖，但不刻穿，余9-11μm左右。

5.采用聚焦离子束技术在硅结构上刻蚀出淀积隧尖的台阶，然后再淀积金属铂隧尖。

6.再次采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀硅片背面，刻穿硅片，释放结构，即完成所述隧道加速度计的加工。

本发明的优点和积极效果：

本发明的差分式抗高过载隧道加速度计，由于设计了差分式的敏感结构，同时辅以差分式的反馈控制电路，因而可以大幅度降低器件的噪声和漂移，提高器件的性能，拓展其应用范围。本发明设计了弹性隧尖结构，在不影响器件动态响应特性的情况下有效地提高了隧道加速度计的抗过载性能，进一步拓宽了隧道加速度计的应用领域。

本发明采用的制备方法采用常规微机电***(MEMS)工艺设备和先进的聚焦离子束技术，可以实现大批量制造，同时实现了隧道加速度计的微型化。制备方法中，先在硅片上刻蚀出结构，但不释放，再进行聚焦离子束刻蚀和淀积，这样就避免了由于导电性引起的成像漂移，难以进行精确定位的问题。采用聚焦离子束技术的另一个好处是克服了常规淀积工艺难以实现大的隔离电阻的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步详细地说明：

图1为本发明隧道加速度计的结构示意图。

图2为本发明隧道加速度计的弹性隧尖结构示意图。

图3为本发明隧道加速度计的反馈控制电路原理图。

图4(a)～图4(g)示出了本发明隧道加速度计的主要制备过程。

图中：

1-玻璃衬底，2-固定梳齿电极，3-隧尖，4、4′、4″-键合锚点，5-检测质量块，6-支撑梁，7-可动梳齿电极，8-电引线，9-压焊电极，10-弹性梁，11-硅衬底

最佳实施例详细描述

下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。

实施例1：差分式隧道加速度计结构

如图1所示，为差分式隧道加速度计的示意图。包括玻璃衬底1，玻璃衬底1上有电连接引线8和压焊电极9，为Ti/Pt/Au三层结构或者Cr/Au双层结构等，玻璃衬底1通过键合锚点4与支撑梁6固定连接，检测质量块5与支撑梁6固定连接，可动电极7与质量块6固定连接，可动电极7通过质量块5、支撑梁6、键合锚点4、相邻的电连接引线8与对应的对应的压焊电极9实现电连接。

固定电极2通过键合锚点4″与玻璃衬底固定连接，同时通过相邻的电连接引线8与对应的压焊电极9实现电连接，固定电极2与可动电极7是实现驱动的两个对应电极，可以是平板电极，也可以是梳齿电极。

隧尖3位于结构正中央，隧尖3包括左右对称的两个隧尖。隧尖通过键合锚点4′与玻璃衬底固定连接，同时通过相邻的电连接引线8与对应的压焊电极9实现电连接。

整个结构左右对称。

图2所示为本发明隧道加速度计的弹性隧尖结构示意图，隧尖可为弹性隧尖。

实施例2：差分式隧道加速度计检测电路

如图3所示，为差分式隧道加速度计检测电路原理图，图中两个隧尖的电位完全相同，且共用一套偏置和基准分压电路，由电阻R1、R2、R3、Vcc、地提供，其中接隧尖的电压为偏置电压，调整R1、R2、R3使其等于100mV，保证工作状态下隧尖与对应电极之间的电流为隧道电流，调整R1、R2、R3使基准电压等于10mV，用于后续比较电路，R8的作用是将隧道电流转换为隧道电压，也可采用电流-电压转换芯片实现，隧道电压和基准电压通过A1、A1′比较后，由R4、C2、A2、R4′、C2′、A2′组成的对称电路进行滤波和跟随处理，之后进入反馈控制环节，由电阻R5、R6、R7、R5′、R6′、R7′、Vcc、地组成，也采用完全对称的电路，与对称敏感结构相对应，这种差分式的反馈控制电路抑制了电路中产生的噪声和漂移，由于结构的对称性，从而同时也抑制了结构上产生的噪声和漂移。输出为两个对称敏感单元的差分，灵敏度比单个单元提高了一倍。

差分式隧道加速度计的制备方法

图4所示为差分式隧道加速度计的制备工艺。

1.起始材料为双抛N型(100)硅片9，厚度为400±10微米，电阻率2～4Ωcm；

2.KOH腐蚀潜槽，浓度30％，温度80℃，制备结构的活动空间，厚度为3～4μm，如图4(a)所示；

3.制备电引线和压焊电极，首先在玻璃上用HF溶液腐蚀深1000的潜槽，然后淀积光刻胶，采用同一张掩膜版进行光刻、显影后，采用溅射工艺淀积Ti/Pt/Au(厚度为400/300/900)，最后采用丙酮超声工艺剥离，在玻璃衬底1上制备出电引线和压焊电极，包括隧尖电极、质量块1连接电极、质量块2连接电极、固定电极1、固定电极2，如图4(b)所示；

4.阳极键合，首先在双面对准光刻机(型号：KarlSuss MA6/BA6)上将玻璃衬底衬底1和硅片9的对准，然后在键合机(型号：KSSB6)上进行阳极键合，键合温度380℃、键合电压1500V，常压键合，如图4(c)所示；

5.第一次电感耦合等离子体刻蚀工艺，控制刻蚀时间和钝化时间分别为7秒/9秒，气压小于150毫乇，生成质量块、支撑梁和隧尖的基本结构，其侧壁保持垂直，不刻穿，留余厚9-11μm，如图4(d)所示；

6.聚焦粒子束工艺刻蚀出淀积隧尖的台阶，如图4(e)所示；

7.聚焦粒子束工艺生成Pt隧尖，如图4(f)所示；

8.第二次电感耦合等离子体刻蚀工艺，控制刻蚀时间和钝化时间分别为8秒/9秒，气压小于150毫乇，释放结构，如图4(g)所示；

9.裂片，完成隧道加速度计的加工。

前述方法制得的差分式抗高过载隧道加速度计，其中下部为玻璃衬底1，上部为硅结构，由八根位于质量块5四周的支撑梁6支撑，隧尖3位于整个结构的正中央，为左右对称的两个隧尖。隧尖3为圆型，采用聚焦粒子束工艺淀积而成。隧尖3与对应质量块之间的初始距离通过第一次电感耦合等离子体刻蚀和聚焦离子束淀积工艺一起控制；支撑梁6和质量块5均通过干法深刻蚀得到，采用电感耦合等离子体刻蚀技术和聚焦粒子束技术，得到差分式隧道加速度计结构，辅以差分式的反馈控制电路，大幅度降低了隧道加速度计的噪声和漂移，提高了器件的精度。

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种差分式抗高过载微型隧道加速度计，包括玻璃衬底，玻璃衬底上电信号连接引线，其特征在于：

采用抗高过载差分式敏感结构和差分式反馈控制电路；

差分式敏感结构包括质量块、固定梳齿、活动梳齿，支撑梁和弹性隧尖、电连接引线和压焊电极；

玻璃衬底通过锚点与支撑梁、固定梳齿电极和隧尖相连接，支撑梁与质量块、可动梳齿电极相连；

隧尖位于结构正中央，隧尖包括左右对称的两个隧尖；

隧尖与玻璃衬底之间的连接为弹性连接而不是刚性连接；

差分式反馈控制电路包括，共用的偏置和基准电路，对称的滤波和反馈电路。

2.根据权利要求1所述的差分式抗高过载微型隧道加速度计，其特征在于：隧尖可为弹性隧尖。

3.根据权利要求1所述的差分式抗高过载微型隧道加速度计，其特征在于：两个隧尖的电位完全相同，且共用一套偏置和基准分压电路，而比较、滤波和反馈电路则采用完全对称的电路实现。

4.根据权利要求1所述的差分式抗高过载微型隧道加速度计，其特征在于：输出为两个对称敏感单元的差分。

5.一种差分式抗高过载微型隧道加速度计的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)起始材料为硅片，在硅片上刻蚀浅槽，以便在最后的刻蚀中释放结构；

(2)在玻璃衬底上制备驱动电极和隧尖对应电极；

(3)阳极键合，实现玻璃衬底和硅片的对准和粘合；

(4)采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀硅片背面，得到差分式敏感结构，包括质量块、固定梳齿、活动梳齿，支撑梁和弹性隧尖，但不刻穿；

(5)采用聚焦离子束技术在隧尖的顶部生成金属铂尖；

(6)再次采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀硅片背面，刻穿硅片，释放结构。

6.根据权利要求5所述的差分式抗高过载微型隧道加速度计的制备方法，其特征在于：采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀硅片背面时，不刻穿，余9-11um，然后用聚焦粒子束工艺制备隧尖，接下来再用电感耦合等离子体刻蚀工艺释放结构，得到差分式隧道加速度计结构。

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