一种低横向灵敏度隧道电流式加速度计的结构及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种低横向灵敏度隧道电流式加速度计的结构及制作方法，属于微电子机械系统领域。所述的低横向灵敏度隧道电流式加速度计由主芯片(1)、上盖板(2)和下底板(3)组成。其中主芯片(1)由质量块(4)、支撑梁(5)、引线桥(6)、隧道电极(7)、控制电极下电极(8)、框架(9)组成。支撑梁(5)的一端固支在质量块(4)侧面，另一端固支在框架(9)内侧。支撑梁(5)的中轴线与质量块(4)的重心在同一平面。隧道针尖(10)及其隧道针尖电极(11)、控制电极上电极(12)制作在上盖板(2)下表面。下底板(3)上表面正对质量块(4)区域的硅被除去，形成凹坑(13)，为质量块(4)受到Z轴加速度在垂直芯片表面的运动提供活动空间。本发明专利技术方法制作的隧道电流式加速度计具有高分辨率和低横向灵敏度的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及加速度计的结构及制作方法，特别是一种低横向灵敏度隧道电流式加速度计的结构及制作方法，属于微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)领域。
技术介绍
微型加速度计是一类重要的力学量传感器。早在上世纪60年代末人们就开始研究微型硅加速度计。80年代末开始微型加速度计的规模化生产。由于微型加速度计具有体积小、重量轻、功耗和成本低、过载能力强、易集成、可大规模批量生产等优点，不仅成为微惯性测量组合的核心元件，也迅速应用到车辆控制、高速铁路、机器人、工业自动化、探矿、玩具、医疗等民用领域。基于电子势垒隧道效应的隧道电流式加速度计(也称为隧穿加速度计)最早由美国JetPropulsion实验室提出。其结构是在弹性结构支撑的质量块上制作隧道电极，与另一个固定的隧道针尖形成隧道电流。通过测量闭环电路维持隧道电流不变时所需反馈电压的大小测量加速度信号。利用隧道电流对位移变化的高度敏感性检测加速度信号，具有分辨率高的优点。隧道电流式加速度计中支撑质量块的弹性结构按照制作工艺分为以下几种：(1)支撑梁与质量块由表面微机械工艺制作的，二者厚度相等。例如美国HRL实验室DavidT.Chang等人研制的隧道电流加速度计由单端固支悬臂梁支撑质量块。这种由表面微机械工艺制作的隧道电流式加速度计的质量块重量较轻，灵敏度较低。(2)支撑梁与质量块由体微机械工艺制作而成，支撑梁位于质量块表面。例如由中国科学院董海峰等人研制的一种新型面外低频MEMS隧道电流式加速度计，使用L型梁支撑质量块，支撑梁位于质量块下表面。由北京大学微米/纳米加工技术国家重点实验室苗敏等人采用体微机械工艺研制的隧道电流加速度计，同样采用L型梁支撑质量块，支撑梁固支于质量块的下表面。这种结构的隧道电流式加速度计的支撑梁与质量块的重心不在同一平面，当质量块受到面内加速度时，质量块会发生旋转，产生横向灵敏度，因此对面外加速度的测量造成很大干扰。(3)通过键合技术将两个支撑梁位于表面的质量块对称键合在一起，形成支撑梁等效位于质量块的中性面的结构。例如美国东北大学PaulMZavracky等人制作的隧道式加速度计将两个由L型梁支撑质量块的芯片键合在一起，等效于支撑梁位于质量块的中性面。这种隧道电流式加速度计的结构复杂，工艺难度大，键合面易于开裂。传统的体微机械工艺中，支撑梁位于质量块表面，可以在支撑梁表面制作引线，用于隧道电流和控制信号的引出，但此结构会引入较大的交叉轴干扰和测量误差。如果将支撑梁制作在质量块的中性面上，则如何将质量块表面的电极引出是制作隧道电流式加速度计的另一技术难点。本专利技术的目的在于专利技术一种低横向灵敏度隧道电流式加速度计，可以有效避免X轴、Y轴输入加速度对面外Z轴加速度测量造成的交叉轴干扰，以实现对加速度信号高分辨率和低横向灵敏度的测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于专利技术一种低横向灵敏度隧道电流式加速度计，以实现对加速度信号的高分辨率、低横向灵敏度测量。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：所述的加速度计由主芯片(1)、上盖板(2)和下底板(3)组成。其中主芯片(1)由质量块(4)、支撑梁(5)、引线桥(6)、隧道电极(7)、控制电极下电极(8)、框架(9)组成。支撑梁(5)的一端固支在质量块(4)侧面，另一端固支在框架(9)内侧。支撑梁(5)的中轴线与质量块(4)的重心在同一平面。隧道针尖(10)及其表面的隧道针尖电极(11)、控制电极上电极(12)制作在上盖板(2)下表面。下底板(3)上表面正对质量块(4)区域的硅被除去，形成凹坑(13)，为质量块(4)受到Z轴加速度在芯片法向的微小运动提供活动空间。本专利技术所涉及的低横向灵敏度的隧道电流式加速度计的工作原理：质量块(4)受到Z轴加速度作用时，在Z轴方向产生位移，隧道间隙也随之改变，引起隧道电流的变化，闭环反馈控制电路产生一个反馈电压作用在控制电极上电极(12)和控制电极下电极(8)之间，产生一个与质量块(4)运动趋势方向相反的反馈静电力，使质量块(4)返回到平衡位置。通过测量闭环电路维持隧道电流时所需的反馈电压大小可获得Z轴加速度信号的大小和方向。利用本专利技术的技术方案制作一种低横向灵敏度隧道电流式加速度计的结构，其制作工艺至少包括以下步骤：【1】主芯片(1)的制备工艺步骤：1)采用(100)面、双面抛光硅片，厚度为H，对其进行标准清洗。2)在硅片表面制作腐蚀掩蔽层1(14)。3)在硅片上表面淀积金属薄膜1(15)，制作隧道电极(7)、控制电极下电极(8)，并保留键合区域的金属薄膜1(15)，用于后续键合工艺。4)下表面光刻。如图3[1]所示，其中灰色图形区为腐蚀掩蔽层1(14)的被腐蚀区域，保留质量块(4)、框架(9)、质量块凸角补偿区域(16)、支撑梁腐蚀掩膜(17)的腐蚀掩蔽层1(14)。5)各向异性腐蚀液中从下表面腐蚀硅，腐蚀深度为(H+h1)/2-h2。其中，h1是支撑梁(5)的设计厚度，h2为引线桥(6)的设计厚度。6)上表面光刻，去除图3[2]所示灰色图形区域的腐蚀掩蔽层1(14)，保留质量块(4)、引线桥(6)、框架(9)与质量块凸角补偿区域(16)的腐蚀掩蔽层1(14)。7)下表面光刻，去除支撑梁腐蚀掩膜(17)，保留质量块(4)、框架(9)与质量块凸角补偿区域(16)的腐蚀掩蔽层1(14)。8)各向异性腐蚀液中腐蚀硅片，垂直腐蚀深度等于(H-h1)/2时，支撑梁(5)达到设计厚度。9)等离子增强型化学气相淀积法在硅片下表面淀积非晶硅薄膜1(18)，用于与下底板(3)的共晶键合。【2】上盖板(2)的制备工艺步骤：1)采用(100)面、双面抛光硅片，对其进行标准清洗。2)在硅片表面制作腐蚀掩蔽层2(19)。3)在硅片下表面光刻隧道针尖(10)的掩膜图形，制作隧道针尖(10)。4)在隧道针尖(10)上制作腐蚀掩蔽层3(20)。5)在硅片上表面光刻通孔(21)的掩膜图形，去除通孔(21)区域的腐蚀掩蔽层2(19)。6)去除通孔(21)内的硅。7)在通孔(21)中电镀金属互连线(22)。8)在硅片下表面淀积金属薄膜，制作隧道针尖电极(11)与控制电极上电极(12)。9)硅片上表面淀积金属薄膜，光刻与腐蚀工艺相结合制作上盖板引线(23)，引出隧道针尖电极(11)和控制电极上电极(12)的电信号。10)等离子增强型化学气相淀积法在硅片下表面淀积非晶硅薄膜2(24)。去除隧道针尖(11)表面的非晶硅薄膜2(24)，保留键合区域的非晶硅薄膜2(24)，用于后续键合工艺。【3】下底板(3)的制备工艺步骤：1)采用(100)面、双面抛光硅片，对其进行标准清洗。2)上表面光刻，去除正对质量块(4)区域的硅，形成凹坑(13)，为质量块(4)受到Z轴加速度在芯片法向的微小运动提供活动空间。3)淀积金属薄膜2(25)，用于与主芯片下表面的共晶键合。【4】三层键合步骤：将上盖板(2)下表面和下底板(3)的上表面分别面对主芯片(1)的上表面和下表面，对准后放入共晶键合机，使用共晶键合技术将三者键合在一起。本专利技术所涉及的低横向灵敏度隧道电流式加速度计的制作工艺中，所述的腐蚀掩蔽层1(14)、腐蚀掩蔽层2(19)与腐蚀掩蔽层3(20)为二氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低横向灵敏度隧道电流式加速度计，其特征在于：所述的加速度计由主芯片(1)、上盖板(2)和下底板(3)组成；其中主芯片(1)由质量块(4)、支撑梁(5)、引线桥(6)、隧道电极(7)、控制电极下电极(8)、框架(9)组成；支撑梁(5)的一端固支在质量块(4)侧面，另一端固支在框架(9)内侧，支撑梁(5)的中轴线与质量块(4)的重心在同一平面；隧道针尖(10)及其表面的隧道针尖电极(11)、控制电极上电极(12)制作在上盖板(2)下表面；下底板(3)上表面正对质量块(4)区域的硅被除去，形成凹坑(13)，为质量块(4)受到Z轴加速度在芯片法向的微小运动提供活动空间。

【技术特征摘要】
1.一种低横向灵敏度隧道电流式加速度计，其特征在于：所述的加速度计由主芯片(1)、上盖板(2)和下底板(3)组成；其中主芯片(1)由质量块(4)、支撑梁(5)、引线桥(6)、隧道电极(7)、控制电极下电极(8)、框架(9)组成；支撑梁(5)的一端固支在质量块(4)侧面，另一端固支在框架(9)内侧，支撑梁(5)的中轴线与质量块(4)的重心在同一平面；隧道针尖(10)及其表面的隧道针尖电极(11)、控制电极上电极(12)制作在上盖板(2)下表面；下底板(3)上表面正对质量块(4)区域的硅被除去，形成凹坑(13)，为质量块(4)受到Z轴加速度在芯片法向的微小运动提供活动空间。2.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度隧道电流式加速度计，其特征在于：支撑梁(5)的中轴线与质量块(4)的重心在同一平面，当受到X、Y轴加速度时，质量块只在X轴、Y轴方向产生位移而不会发生旋转，有效避免X轴、Y轴输入加速度对Z轴加速度测量造成的交叉轴干扰。3.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度隧道电流式加速度计，其特征在于：采用以下工艺步骤制作：【1】主芯片(1)的制备工艺步骤：1)采用(100)面、双面抛光硅片，厚度为H，对其进行标准清洗；2)在硅片表面制作腐蚀掩蔽层1(14)；3)在硅片上表面淀积金属薄膜1(15)，制作隧道电极(7)、控制电极下电极(8)，并保留芯片四角的金属薄膜1(15)，用于后续键合工艺；4)下表面光刻，如图3[1]所示，其中灰色图形区为腐蚀掩蔽层1(14)的被腐蚀区域，保留质量块(4)、框架(9)、质量块凸角补偿区域(16)、支撑梁腐蚀掩膜(17)的腐蚀掩蔽层1(14)；5)各向异性腐蚀液中从下表面腐蚀硅，腐蚀深度为(H+h1)/2-h2，其中，h1是支撑梁(5)的设计厚度，h2为引线桥(6)的设计厚度；6)上表面光刻，去除图3[2]所示灰色图形区域的腐蚀掩蔽层1(14)，保留质量块(4)、引线桥(6)、框架(9)与质量块凸角补偿区域(16)的腐蚀掩蔽层1(14)；7)下表面光刻，去除支撑梁腐蚀掩膜(17)，保留质量块(4)、框架(9)与质量块凸角补偿区域(16)的腐蚀掩蔽层1(14)；8)各向异性腐蚀液中腐蚀硅片，垂直腐蚀深度等于(H-h1)/2时，支撑梁(5)达到设计厚度；9)等离子增强型化学气相淀积法在硅片下表面淀积非晶硅薄膜1(18)，用于与下底板(3)的共晶键合；【2】上盖板(2)的制备工艺步骤：1)采用(100)面、双面抛光硅片，对其进行标准清洗；2)在硅片表面制作腐蚀掩蔽层2(19)；3)在硅片下表面光刻隧道针尖(10)的掩膜图形，制作隧道针尖(10)；4)在隧道针尖(10)上制作腐蚀掩蔽层3(20)；5)在硅片上表面光刻通孔(21)的掩膜图形，去除通孔(21)区域的腐蚀掩蔽层2(19)；6)去除通孔(21)内的硅；7)在...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建强，尹伊君，牛文举，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33