一种真空微电子加速度传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种易于采用硅微加工技术制作的真空微电子加速度传感器结构，该真空微电子加速度传感器由微加工的质量块、支承质量块的微梁、锥尖阵列、发射阴极、发射阳极、可动反馈电极和固定反馈电极构成，其是在发射阴极（锥尖阵列底部）与反馈电极之间引入一个台阶，或者在发射阳极与反馈电极之间引入一个台阶，以增加可动反馈电极和固定反馈电极之间的初始间距，进一步增加发射阴极和发射阳极之间的可控间距，扩大锥尖高度的取值范围和锥尖与阳极之间初始间距的取值范围，最终达到降低加工难度和提高成品率的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子机械系统(MEMS)领域，特别涉及到MEMS微加速度传感器。
技术介绍
传感器是获取信息的基本手段，加速度传感器作为一种惯性传感器，在 工业自动化、航空航天、地震监测、机器人及汽车等领域均得到广泛应用。 基于MEMS技术的加速度传感器具有小体积、低成本、低功耗、易集成等 优点，其研究将扩大加速度传感器的应用范围。基于微机电系统(MEMS) 技术制作的隧道加速度传感器和真空微电子加速度传感器比MEMS压阻式、 压电式和电容式加速度传感器的灵敏度高得多，在导航、地震监测、水声监 测等领域具有广阔应用前景。为了降低加工难度、扩大量程和改善线性度， 隧道加速度传感器和真空微电子加速度传感器广泛采用力平衡技术。在测量 时，需要在发射锥尖与对应阳极之间施加一个恒定发射电压，在两个反馈电 极之间施加一个反馈电压，该反馈电压随外部加速度的变化而改变，通过调 节反馈电压使发射电流保持恒定，测量反馈电压的大小就可以得出外部加速 度的大小。静电吸合是弹性结构受到静电力作用时广泛存在的一种失稳现象，它限 制了很多MEMS器件的可控位移或可控转角。对力平衡式隧道加速度传感 器或真空微电子加速度传感器而言，由于两个反馈电极之间的可控间距受到 静电吸合的限制，隧尖与阳极之间的间距同样受到了限制。隧道加速度传感 器或真空微电子加速度传感器一般是将位于同一衬底上的发射电极与反馈 电极置于同一平面，当反馈电压是施加在平行板电容器的两个极板上时，可 动极板的可控位移只有两个极板之间初始间距的三分之一，锥尖高度必须大3于两反馈电极初始间距的三分之二减去期望的发射间距，否则不能实现力平 衡。以上传感器设计对锥尖高度、锥尖与阳极之间的初始间距等要求苛刻， 利用微加工技术进行制作时难度大，限制了传感器的成品率。
技术实现思路
本专利技术目的是提出一种易于采用硅微加工技术制作的真空微电子加速 度传感器结构。为实现上述专利技术目的，本专利技术采取以下技术方案一种真空微电子加速度传感器，其由微加工的质量块、支承质量块的微 梁、锥尖阵列、发射阴极、发射阳极、可动反馈电极和固定反馈电极构成， 其中锥尖阵列属于发射阴极的一部分，通过在发射阴极(即锥尖阵列底部) 和与发射阴极固连的可动/固定反馈电极之间引入一个台阶，或者在发射阳极 和与发射阳极固连的可动/固定反馈电极之间引入一个台阶，达到增大可动反 馈电极和固定反馈电极之间的初始间距的目的，所述台阶的高度大于锥尖与 阳极之间的初始间距的二倍减去期望发射间距(传感器正常工作时的发射间 距)的三倍再减去锥尖的高度。可动反馈电极和固定反馈电极之间的初始间 距的增加将扩大可动反馈电极和固定反馈电极之间的初始间距增加发射阴 极和发射阳极之间的可控范围，进而扩大锥尖高度的取值范围和锥尖与阳极 之间的初始间距的取值范围，最终达到降低对加工工艺的要求和提高成品率 的目的。设两个反馈电极之间得初始间距为&，锥尖高度为&，锥尖与阳极之间 的初始间距为g,O，本专利技术引入的台阶高度为&，发射阴极和发射阳极的正对 面积为^，两个反馈电极的正对面积为A。设施加在发射阴极和发射阳极间 的恒定发射电压为Fe，施加在两个反馈电极之间的反馈电压为F/，一般说来， K远小于K/。锥尖高度和锥尖与阳极之间的初始间距的取值范围通过以下方 法确定1. 由力平衡条件得《mx _ s。4 " /2(go - x)2 - e"义2 /2(g。 — /z广x)2 = 0 ( 1 )其中X为质量块的位移，i^为支承质量块的微梁的刚度，s。为真空的介电常数。2. 由静电吸合条件，得^,//(g。-x)3-s"义V(g。-K0 (2)3. 当其它参数给定时，联立求解(1)和(2)，求解得到&的和义分别 为吸合电压^和吸合位移A。设&为期望发射间距，即检测过程中锥尖与 阳极之间的期望间距，由于可动电极在初始反馈电压作用下的初始位移xfl 小于V根据^=/2,+^+驷和^=^+& ，可得g^g," +ge (3)和g0_h-g广VMgo-^-gc (4)为使真空微电子加速度传感器实现力反馈功能，锥尖与阳极之间的初始间距gw和锥尖高度/z,必须分别满足(3)和(4)，即锥尖高度必须大于两反馈电极初 始间距减去静电吸合位移A、期望发射间距&和本专利技术引入的台阶高度&，锥尖与阳极之间的初始间距必须小于静电吸合位移Xp加上期望发射间距ge。由于台阶的引入增大了静电吸合位移xp，因此锥尖与阳极之间的初始间距&0 和锥尖高度/z,的可取值范围增大。 本专利技术具有以下优点1、 本专利技术提出的真空微电子加速度传感器通过在发射阴极(锥尖阵列 底部)与反馈电极之间引入一个台阶，或者在发射阳极与反馈电极之间引入 一个台阶，可以增大锥尖与阳极之间的初始间距的取值范围和锥尖高度的取 值范围，降低传感器对加工工艺的要求，提高成品率。2、 本专利技术提出真空微电子传感器新结构便于实现，可以采用常规真空 微电子加速度传感器的工艺制作，只需增加一步制作台阶的工艺即可。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。 图1是经热氧化的硅片示意图图2是浅台阶示意图图3是二氧化硅示意图图4是台阶示意图图5是二氧化硅示意图图6是锥尖示意图图7是锥尖电极示意图图8是在玻璃片的金属电极示意图图9是硅/玻璃键合示意图图io是减薄硅片示意图图11是采用感应耦合等离子刻蚀释放结构示意图 图12是真空微电子加速度传感器一种结构的示意图 图13是真空微电子加速度传感器另一种结构的示意图 具体实施例方式本专利技术提出的一种真空微电子加速度传感器易于采用硅基微加工技术 制作，下面是一个典型的加工工艺流程1、 在双面抛光的、中等掺杂的、电阻率为2 4Q 'cm的(10 0)硅基 片1上热氧化300nm的第一 Si02层2 (如图1所示)；2、 涂胶，光亥ij， BHF刻蚀Si02层，形成第一 SiCb层2图形，去胶，KOH 腐蚀，形成浅台阶3，去除第一Si02层2 (如图2所示)；3、 热氧化生长300nm第二SiO2层4，涂胶，光刻，BHF刻蚀Sj02层， 形成第二Si02层4图形，去胶(如图3所示)；4、 KOH腐蚀，形成台阶5，去除第二Sj02层4 (如图4所示)；65、 采用等离子增强化学气相淀积方法生长300nm第三8;02层6，涂胶， 光刻，BHF刻蚀Si02层，形成第三Si02层6图形，去胶(如图5所示)；6、 KOH或HNA腐蚀，形成锥尖7，去除第三Si02层6 (如图6所示)；7、 涂胶，光刻，采用剥离法和溅射法在锥尖上形成160纳米厚的第一 金属电极(Ti/Pt/Au) 8 (如图7所示)；8、 清洗玻璃基片9，并在玻璃基片9上涂光刻胶，光刻，BHF腐蚀玻 璃120纳米，形成浅槽，采用剥离法和溅射法在玻璃上形成160纳米厚的第 二金属电极(Ti/Pt/Au) 10 (如图8所示)；9、 硅基片l、玻璃基片9键合对准，硅/玻璃静电键合(如图9所示)；10、 利用KOH腐蚀减薄硅基片1 (如图10所示)；11、 在硅片上溅射300nm的铝，光刻，采用湿法腐蚀形成铝膜11的图 形，并以铝膜11为掩膜，采用感应耦合等离子刻蚀释放结构，得到传感器 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种真空微电子加速度传感器，其包括微加工的质量块、支承质量块的微梁、锥尖阵列、发射阴极、发射阳极、可动反馈电极和固定反馈电极，其特征在于，在所述发射阴极，即锥尖阵列底部和与发射阴极固连的可动或固定反馈电极之间设置一个台阶，或者在发射阳极和与发射阳极固连的可动或固定反馈电极之间设置了一台阶，以增大可动反馈电极和固定反馈电极之间的初始间距，扩大锥尖高度的取值范围和锥尖与阳极之间的初始间距取值范围，最终达到降低加工工艺难度和提高成品率的目的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贺学锋，温志渝，温中泉，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]