偏离（111）硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构及制作方法技术

本发明专利技术提供一种偏离（111）硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构及制作方法，所述悬臂梁结构包括：（111）单晶硅片；至少一根悬臂梁，悬臂梁沿特定的晶向分布于（111）单晶硅片上，使得悬臂梁的横截面偏离（111）单晶硅片的解理面。本发明专利技术解决了以往单晶硅悬臂梁抗冲击强度难以进一步提高的瓶颈问题。可广泛应用于高量程的惯性传感器研制，具有工艺简单且兼容性强、制作成本低、适合大批量生产的特点，在工业自动化控制、生物医疗和军事领域具有很大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于硅微机械惯性传感器应用领域，涉及一种。
技术介绍
众所周知，在MEMS微传感器领域，基于硅基的微机械悬臂梁经常被作为传感器的关键敏感可动部件用来研制不同用途的传感器器件，例如:生物传感器、化学传感器、惯性传感器等等。这些传感器被广泛应用到环境监测、食品安全、工业自动控制、军事等领域，发挥着重要的作用。 基于单晶硅悬臂梁的微机械传感器主要是利用单晶硅悬臂梁优秀的力学特性和微悬臂梁对微弱力的变化非常敏感的特点，当悬臂梁在外力的作用下发生变形时，利用集成在悬臂梁根部应力最大位置处的力敏电阻来感知悬臂梁变形信号，并将其转换成电信号检出并记录下来。如果这种基于单晶硅悬臂梁的微机械传感器主要用于检测外部微弱作用力变化的话，一般所设计的悬臂梁都非常薄(几个微米，甚至更薄)，并且对悬臂梁抗冲击强度也没有特殊要求，亦不会出现在检测过程中硅基悬臂梁由于抗冲击强度不够而导致变形断裂情况发生。但对于高量程，甚至超高量程的惯性传感器-加速度传感器而言，例如:用于检测汽车碰撞实验、高爆物体爆炸、冲击以及侵彻弹引信等场合，这种基于悬臂梁形变检测的加速度传感器就要求悬臂梁要具有很高的抗冲击能力以确保传感器在检测到有用信号时不至于因为悬臂梁断裂而散失工作能力。因此，如何提高悬臂梁的抗冲击强度是实现加速度传感器超高量程检测的关键。 传统的基于悬臂梁的高冲击加速度传感器主要采用硅一玻璃键合结构，通过(100)硅片的背面腐蚀来减薄硅片到所需设计悬臂梁的厚度，然后利用硅深度反应离子刻蚀从单晶硅片正面来释放悬臂梁，最终利用键合工艺完成硅-玻璃的键合，形成完整的基于悬臂梁的加速度传感器结构(p.Dong, X.Li, H.Yang, el at.High-performancemonolithic triaxial piezoresistive shock accelerometers, Sensors and ActuatorsA141, 2008:339-346 ；J.Dong,X.Li,Y.Wang, D.Lu and S.Ahat,Silicon micro-machinedhigh-shock accelerometers with a curved-surface-applicat1n structure forover-range stop protect1n and free-mode-resonance depress1n, Journal ofMicromechanics and Microengineering, 12 (6)，2002:742-746)，这种米用(100)娃片与玻璃键合结构，沿〈110〉晶向排布的悬臂梁，由于所设计悬臂梁横截面为单晶硅片的解理面(111)面，因此悬臂梁在较大侵彻冲击力作用下，悬臂梁容易沿解离面方向断裂，大大限制了该悬臂梁抗抗冲击能力。此外，这种硅一玻璃键合结构不仅破坏了传感器的整体强度，而且尺寸偏大、工艺复杂，生产成本无法降低。当然，为了进一步提高这种传统基于悬臂梁加速度传感器的检测量程，也可以通过缩短悬臂梁的结构尺寸或增大悬臂梁的宽度来提高悬臂梁的抗冲击能力，进而提高检测量程，但是这种结构改进方法将以牺牲传感器检测灵敏度和传感器的动态特性为代价。 为了解决传统基于硅基微悬臂梁的加速度传感器由于悬臂梁抗冲击能力限制而导致了高冲击加速度传感器难以进一步提高量程的难题，2010年Jiachou Wang等人研制出一种基于(111)硅片的抗冲击加速度传感器，传感器悬臂梁沿〈211〉晶向排布，所研制的传感器获得10万g值以上的抗冲击能力(J.Wang and X.L1.A high—Performance Dual-Cantilever High-Shock Accelerometer Single-SidedMicromachinined in(111)Silicon Wafers, Journal of MicroelectromechanicalSystems, 19 (6)，2010:1515-1520)。但是，由于上述加速度传感悬臂梁沿〈211〉晶向排布，悬臂梁的横截面为单晶硅片的天然解理面(111)晶面，当冲击强度达到一定g值时悬臂梁容易沿(111)解理面(即，悬臂梁的横截面)断裂，因此这种缺陷大大限制了所研制传感器抗冲击能力的进一步提高。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种，用于解决现有技术中由于悬臂梁的横截面为单晶硅片的解理面而导致所述悬臂梁抗冲击或抗拉伸能力差，受到较大冲击时容易断裂的问题。 为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构，所述偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构至少包括:(111)单晶硅片；至少一根悬臂梁，所述悬臂梁沿特定的晶向分布于所述(111)单晶硅片上，使得所述悬臂梁的横截面偏离所述(111)单晶硅片的解理面。 优选地，所述悬臂梁沿长度方向的轴线与〈211〉晶向具有一定的夹角α。 优选地，所述夹角α的范围为:37°彡α彡43°。 优选地，所述夹角α的大小为40°。 优选地，所述悬臂梁的横截面形状为矩形。 优选地，所述悬臂梁为多个，所述多个悬臂梁集成于所述单晶硅片的同一表面。 本专利技术还提供一种偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构的制作方法，包括以下步骤: 1)提供一(111)单晶硅片； 2)在所述(111)单晶硅片正面制作二氧化硅钝化保护层；在所述二氧化硅钝化保护层表面涂覆光刻胶并光刻出悬臂梁图形；所述悬臂梁图形沿长度方向的轴线与〈211〉晶向具有一定的夹角α，以使得后续形成的悬臂梁沿长度方向的纵截面偏离所述(111)单晶硅片的解理面； 3)利用硅刻蚀设备刻蚀出释放窗口，所述释放窗口的深度为所述悬臂梁的厚度； 4)在所述释放窗口内沉积钝化材料作为侧壁钝化保护层； 5)利用反应离子刻蚀工艺去除所述释放窗口底部的钝化保护层，并裸露出所述释放窗口底部的单晶硅；然后再利用硅深度反应离子刻蚀工艺继续向下刻蚀所述裸露出的单晶硅作为下一步各向异性湿法腐蚀释放悬臂梁的牺牲层； 6)利用湿法刻蚀工艺从所述(111)单晶硅片正面横向腐蚀所述(111)单晶硅片，释放所述悬臂梁。 优选地，在步骤2)中，利用热氧化工艺在所述(111)单晶硅片正面制作所述二氧化硅钝化保护层。 优选地，所述夹角α的范围为:37°彡α彡43°。 优选地，在步骤4)中，利用LPCVD工艺依次沉积低应力氮化硅和TEOS氧化硅的方法制作侧壁钝化保护层。 如上所述，本专利技术的，具有以下有益效果:将悬臂梁排布在(111)单晶硅片力学特性较优的晶向上(即:悬臂梁沿长度方向的轴线与〈211〉晶向之间夹角为37°?43° )，这就使得悬臂梁的横截面不仅避开了单晶硅片天然解理面(111)晶面，而且使得悬臂梁沿所排布方向上获得更加优异的力学特性，大大提高了抗冲击能力。在悬臂梁制作工艺上本专利技术巧妙地结合(111)硅片各向异性湿法腐蚀特性，实现从悬臂梁两侧根部横向腐蚀释放悬臂梁悬浮结构，实现了悬臂梁基于单晶硅基体的一体化单面制作。相对于传统的悬臂梁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构，其特征在于，所述偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构包括：(111)单晶硅片；至少一根悬臂梁，所述悬臂梁沿特定的晶向分布于所述(111)单晶硅片上，使得所述悬臂梁的横截面偏离所述(111)单晶硅片的解理面。

【技术特征摘要】
1.一种偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构，其特征在于，所述偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构包括: (111)单晶硅片； 至少一根悬臂梁，所述悬臂梁沿特定的晶向分布于所述(111)单晶硅片上，使得所述悬臂梁的横截面偏离所述(111)单晶硅片的解理面。2.根据权利要求1所述的偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构，其特征在于:所述悬臂梁沿长度方向的轴线与〈211〉晶向具有一定的夹角α。3.根据权利要求2所述的偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构，其特征在于:所述夹角α的范围为:37°彡α彡43°。4.根据权利要求3所述的偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构，其特征在于:所述夹角α的大小为40°。5.根据权利要求1所述的偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构，其特征在于:所述悬臂梁的横截面形状为矩形。6.根据权利要求1所述的偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构，其特征在于:所述悬臂梁为多个，所述多个悬臂梁集成于所述单晶硅片的同一表面。7.—种偏离(111)硅片解理晶向的高强度悬臂梁结构的制作方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)提供一(111)单晶硅片； 2)在所述(111)单晶硅片正面制作二氧化硅钝化保护层；光刻出悬臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昕欣，王家畴，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31