一种纳米级压阻式加速度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，所述纳米级压阻式加速度传感器包括矩形外框、设于所述矩形外框中心的质量块、与所述矩形外框的边部平行的敏感梁、与所述矩形外框的边部垂直的内支撑梁、和设于所述敏感梁上的压敏电阻；制备过程中以5层SOI硅片为基础，采用电子束光刻法直接画出压敏电阻图形，从而压敏电阻的大小缩小到了纳米级范围。与现有技术相比，本发明专利技术具有传感器体积小重量轻可靠性高等优点，为更加紧凑、轻便和高性能的三轴加速度传感器。

A nano piezoresistive accelerometer and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种纳米级压阻式加速度传感器及其制备方法
本专利技术涉及传感器
，尤其是涉及一种纳米级压阻式加速度传感器及其制备方法。
技术介绍
加速度传感器通过附着到要测量的物体来测量加速度。作为一般应用，已经开发了用于汽车安全气囊的单轴和双轴加速度传感器。在运动领域还有许多其他应用领域中也有应用，例如：在高尔夫挥杆评估系统中、产品出厂时的振动测量以及乘坐舒适性评估中。另外，由于微机械加工技术的发展，通过使用硅的半导体工艺已经促进了诸如低成本，轻量化和改进的可靠性的高性能的发展。并且随着这一发展，正在进行三轴加速度计的研究以进一步小型化。但是，将来还需要将更加超小型传感器安装在集成设备或精细信息收集设备上。因此使用基于半导体工艺技术的精细加工技术，使压阻3轴加速度计超小且高度灵敏，显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的尺寸不够微型化、灵敏度不够的缺陷而提供一种纳米级压阻式加速度传感器及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，上述纳米级压阻式加速度传感器包括矩形外框、设于所述矩形外框中心的质量块、与所述矩形外框的边部平行的敏感梁、与所述矩形外框的边部垂直的内支撑梁、和设于所述敏感梁上的压敏电阻，包括以下步骤：步骤S1：提供5层SOI硅片；步骤S2：对所述SOI硅片进行双边热氧化，使SOI硅片的正面和背面均生成热氧二氧化硅层；步骤S3：在步骤S2得到的SOI硅片上旋涂光刻胶，用电子束在光刻胶上画出压敏电阻图形；步骤S4：在步骤S3得到的SOI硅片的二氧化硅层上刻蚀除去压敏电阻图形对应区域的二氧化硅，暴露出硅层，在暴露的硅层表面进行硼离子掺杂，掺杂完成后在暴露的硅层表面形成二氧化硅保护层，并除去表面光刻胶；步骤S5：在步骤S4得到的SOI硅片表面旋涂光刻胶，显影后用反离子刻蚀工艺刻蚀二氧化硅保护层暴露出压敏电阻的连接部；步骤S6：在步骤S5得到的SOI硅片上真空沉积金属层，并且金属层与压敏电阻的连接部接触，光刻出金属引线的形状，作为电极；步骤S7：对步骤S6得到的SOI硅片烧结处理使压敏电阻的Si和铝之间形成欧姆连接；步骤S8：在步骤S7得到的SOI硅片进行刻蚀释放出质量块、敏感梁、支撑梁和矩形外框，得到所述纳米级压阻式加速度传感器。所述步骤S3具体为：将步骤S2得到的SOI硅片清洗、烘干处理，旋涂光刻胶，一次烘烤后采用电子束进行曝光，曝光后进行二次烘烤，曝光完成后使用显影液浸泡SOI硅片，显影完成后清洗SOI硅片，进行三次烘烤。所述光刻胶为使用SAL601-SR2光刻胶，旋涂光刻胶时分步旋涂光刻胶，第一次在900rpm～1000rpm的转速下旋涂4～6秒，第二次在4500rpm～5500rpm的转速下旋涂20～30秒；所述电子束的产生条件为电流值为-45pA～-55pA，表面电荷为110μC/cm2～130μC/cm2，线电荷为5μC/cm2～15μC/cm2，物镜孔径为1，所述显影液为SAL显影液，将二次烘烤的SOI硅片在显影液中分步浸泡，第一次浸泡1～2分钟，取出SOI硅片等待5～6分钟，进行第二次浸泡5～6分钟。一次烘烤的条件为100℃～110℃预烤50～70秒，二次烘烤的条件为95℃～100℃烘烤50～60秒，三次烘烤的条件为130℃～150℃烘烤3～7分钟；清洗SOI硅片时采用去离子水冲洗SOI硅片2～4分钟。要在显影后得到所要的压敏电阻图形，关键在于第二次烘烤的时间和温度，尽量保持温度在95℃～100℃之间，烘烤时间为50～60秒，可以通过逐步改变温度和时间来获得最佳的条件。因为温度的过高、时间的过长，都可能会因为邻近效应而产生热扩散从而导致显影剂无法去除光刻胶。优选为：第一次在1000rpm的转速下旋涂5秒，第二次在5000rpm的转速下旋涂25秒；所述电子束的产生条件为电流值为-50pA，表面电荷为120μC/cm2，线电荷为10μC/cm2，物镜孔径为1，所述显影液为SAL显影液，将二次烘烤的SOI硅片在显影液中分步浸泡，第一次浸泡1分钟，取出SOI硅片等待5分钟，进行第二次浸泡6分钟。一次烘烤的条件为105℃预烤5秒，二次烘烤的条件为97℃烘烤50秒，三次烘烤的条件为140℃预烤5分钟；清洗SOI硅片时采用去离子水冲洗SOI硅片2分钟所述步骤S5中，反离子刻蚀工艺中刻蚀气体为SF6，刻蚀气体的流量为20ml/min～50ml/min，压强为0.03～0.1托，刻蚀电压为90V～110V，刻蚀时间为20～40秒。优选地，刻蚀气体的流量为30ml/min，压强为0.05托，刻蚀电压为100V，刻蚀时间为30秒。所述步骤S6具体为：采用真空蒸发工艺将金属气相沉积在SOI硅片的表面形成金属层；将OFPR80020cp旋涂在SOI硅片设有压敏电阻一侧的表面上，第一次在900rpm～1100rpm的转速下旋涂3～7秒，第二次在3500rpm～4500rpm的转速下旋涂20～40秒；旋涂完成后在100℃～120℃预烤80～100秒；采用UV曝光1～2秒，用显影液NMD3浸泡显像1～3分钟，最后用去离子水冲洗后烘干处理，光刻胶上形成金属引线图案；步骤S6的优选工艺参数为：将OFPR80020cp旋涂在SOI硅片设有压敏电阻一侧的表面上，第一次在1000rpm的转速下旋涂5秒，第二次在4000rpm的转速下旋涂30秒；旋涂完成后在110℃预烤90秒；采用UV曝光1.3秒，用显影液NMD3浸泡显像2分钟，最后用去离子水冲洗2分钟。采用金属蚀刻剂对表面具有金属引线图案的SOI硅片进行刻蚀，用水冲洗后将光刻胶剥离，加工出金属引线。所述金属层为铝层，所述金属蚀刻剂为磷酸，硝酸和乙酸混合而成的铝蚀刻剂。所述步骤S7中烧结处理的条件为在N2气氛中400℃～500℃下烧结8-12分钟，形成Al-Si合金。优选地，烧结处理的条件为在N2气氛中450℃下烧结10分钟，形成Al-Si合金。采用上述制备方法得到的纳米级压阻式加速度传感器中所述敏感梁的两端与所述矩形外框连接，所述内支撑梁的两端分别与所述质量块和敏感梁连接，所述敏感梁和质量块之间、敏感梁和矩形外框之间形成镂空结构；所述敏感梁包括与X方向平行的两个第一敏感梁和与Y方向平行的两个第二敏感梁；其中，X方向和Y方向相互垂直并且与所述矩形外框所在的平面平行，Z方向与矩形外框所在的平面垂直；所述第一敏感梁的两端分别设有两个并排放置压敏电阻，其中与所述质量块边部距离相等的四个压敏构成惠斯通全桥电路用于测量X方向加速度，另外四个压敏电阻分别与构成两个惠斯通半桥电路用于测量Z方向加速度；所述第二敏感梁的两端分别设有一个压敏电阻，位于第二敏感梁上的四个压敏电阻构成惠斯通全桥电路测量Y方向加速度。所述矩形外框的长度为150μm、宽度为150μm；所述质量块的长度为100μm、宽度为100μm、厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，所述纳米级压阻式加速度传感器包括矩形外框(1)、设于所述矩形外框(1)中心的质量块(3)、与所述矩形外框(1)的边部平行的敏感梁(4)、与所述矩形外框(1)的边部垂直的内支撑梁(5)、和设于所述敏感梁(4)上的压敏电阻元件(2)，所述压敏电阻元件(2)包括压敏电阻(7)和金属引线(8)，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1：提供5层SOI硅片(9)；/n步骤S2：对所述SOI硅片(9)进行双边热氧化，使SOI硅片(9)的正面和背面均生成热氧二氧化硅层(10)；/n步骤S3：在步骤S2得到的SOI硅片(9)上旋涂光刻胶(11)，用电子束在光刻胶(11)上画出压敏电阻图形(12)；/n步骤S4：在步骤S3得到的SOI硅片(9)的二氧化硅层上刻蚀除去压敏电阻图形(12)对应区域的二氧化硅，暴露出硅层，在暴露的硅层表面进行硼离子掺杂，掺杂完成后在暴露的硅层表面形成二氧化硅保护层(13)，并除去表面光刻胶(11)；/n步骤S5：在步骤S4得到的SOI硅片(9)表面旋涂光刻胶，显影后用反离子刻蚀工艺刻蚀二氧化硅保护层(13)暴露出压敏电阻的连接部(14)；/n步骤S6：在步骤S5得到的SOI硅片(9)上真空沉积金属层，并且金属层与压敏电阻的连接部(14)接触，光刻出金属引线(8)的形状，作为电极；/n步骤S7：对步骤S6得到的SOI硅片(9)烧结处理使压敏电阻(7)的Si和铝之间形成欧姆连接；/n步骤S8：在步骤S7得到的SOI硅片(9)进行刻蚀释放出质量块(3)、敏感梁(4)、支撑梁(5)和矩形外框(1)，得到所述纳米级压阻式加速度传感器。/n...

【技术特征摘要】
1.一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，所述纳米级压阻式加速度传感器包括矩形外框(1)、设于所述矩形外框(1)中心的质量块(3)、与所述矩形外框(1)的边部平行的敏感梁(4)、与所述矩形外框(1)的边部垂直的内支撑梁(5)、和设于所述敏感梁(4)上的压敏电阻元件(2)，所述压敏电阻元件(2)包括压敏电阻(7)和金属引线(8)，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供5层SOI硅片(9)；
步骤S2：对所述SOI硅片(9)进行双边热氧化，使SOI硅片(9)的正面和背面均生成热氧二氧化硅层(10)；
步骤S3：在步骤S2得到的SOI硅片(9)上旋涂光刻胶(11)，用电子束在光刻胶(11)上画出压敏电阻图形(12)；
步骤S4：在步骤S3得到的SOI硅片(9)的二氧化硅层上刻蚀除去压敏电阻图形(12)对应区域的二氧化硅，暴露出硅层，在暴露的硅层表面进行硼离子掺杂，掺杂完成后在暴露的硅层表面形成二氧化硅保护层(13)，并除去表面光刻胶(11)；
步骤S5：在步骤S4得到的SOI硅片(9)表面旋涂光刻胶，显影后用反离子刻蚀工艺刻蚀二氧化硅保护层(13)暴露出压敏电阻的连接部(14)；
步骤S6：在步骤S5得到的SOI硅片(9)上真空沉积金属层，并且金属层与压敏电阻的连接部(14)接触，光刻出金属引线(8)的形状，作为电极；
步骤S7：对步骤S6得到的SOI硅片(9)烧结处理使压敏电阻(7)的Si和铝之间形成欧姆连接；
步骤S8：在步骤S7得到的SOI硅片(9)进行刻蚀释放出质量块(3)、敏感梁(4)、支撑梁(5)和矩形外框(1)，得到所述纳米级压阻式加速度传感器。


2.根据权利要求1所述的一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
将步骤S2得到的SOI硅片(9)清洗、烘干处理，旋涂光刻胶，一次烘烤后采用电子束进行曝光，曝光后进行二次烘烤，曝光完成后使用显影液浸泡SOI硅片(9)，显影完成后清洗SOI硅片(9)，进行三次烘烤。


3.根据权利要求2所述的一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述光刻胶为使用SAL601-SR2光刻胶，旋涂光刻胶时分步旋涂光刻胶，第一次在900rpm～1100rpm的转速下旋涂4～6秒，第二次在4800rpm～5100rpm的转速下旋涂20～30秒；所述电子束的产生条件为电流值为-45pA～-55pA，表面电荷为110μC/cm2～130μC/cm2，线电荷为5μC/cm2～15μC/cm2，物镜孔径为1，所述显影液为SAL显影液，将二次烘烤的SOI硅片(9)在显影液中分步浸泡，第一次浸泡1～2分钟，取出SOI硅片(9)等待5～6分钟，进行第二次浸泡5～6分钟。


4.根据权利要求2所述的一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，其特征在于，一次烘烤的条件为100℃～110℃预烤50～70秒，二次烘烤的条件为95℃～100℃烘烤50～60秒，三次烘烤的条件为130℃～150℃烘烤3～7分钟；清洗SOI硅片(9)时采用去离子水冲洗SO...

【专利技术属性】
技术研发人员：李以贵，王佩英，张成功，金敏慧，邱霁玄，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31