CN101559913A

CN101559913A - 一种增加变形梁强度和使用寿命的结构及其应用

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Publication number: CN101559913A
Application number: CNA2009100512916A
Authority: CN
Inventors: 许磊; 李铁; 王翊; 王跃林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2009-10-21

Abstract

本发明涉及一种增加变形梁强度和使用寿命的结构及其应用，属于微电子机械系统(MEMS)领域。其特征在于在梁与支撑端的连接处增加转角，使梁与支撑端的夹角都是钝角。这种支撑端连接处带有转角的梁，在梁发生形变时可以有效地减小形变在支撑端产生的应力，既增加了梁的强度也延长了梁的使用寿命。本发明可应用于多种带有变形梁的MEMS器件中。

Description

一种增加变形梁强度和使用寿命的结构及其应用

技术领域

本发明涉及一种增加变形梁强度和使用寿命的结构及其应用，属于微电子机械系统技术领域。

背景技术

凭借微加工和微制造技术的不断发展，MEMS器件以其低成本，高性能，高集成度和适于大批量生产等特点，开始应用于工业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和生物工程、农业、环境和家庭服务等领域。随着器件的广泛使用，人们对MEMS器件的稳定性，可靠性，和使用寿命也提出了更高的要求。

在MEMS器件中，梁型结构有着广泛的应用，利用梁的变形而产生的效应所制造的微传感器和微执行器有很多，如悬臂梁式压力传感器，悬臂梁式加速度传感器，压阻式加速度传感器，悬膜式微型加热器，悬膜式气体传感器，微探针，微机械开关等。通常这些梁与支撑端的连接处形成T形结构或者斜T形结构，如图1所示。器件工作时，梁的变形会在T形连接处产生应力集中。反复变形或者大变形很容易造成连接处出现劈裂，导致器件失效。

为了增加变形梁的强度和使用寿命，一般采用的方法是增加梁的厚度或梁的宽度。虽然能在一定程度上提高了梁的强度，增加了梁的使用寿命，但这样却影响了器件的性能。比如，增加悬臂梁式加速度计的梁的厚度或者宽度，在同样加速度的作用下，加厚加宽的悬臂梁产生的形变减小，降低了器件的灵敏度。增加悬梁式微型加热器的梁的厚度或者宽度，就会增加中心加热区向衬底的热量传导，引起器件功耗上升，器件性能下降。本发明拟从另一角度考虑，即不增加梁的宽度和厚度，而仅从改变梁的局部结构，达到提高变形梁的强度和增强梁的使用寿命的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以提高变形梁强度和使用寿命的结构及其应用。所述的结构设计简单，不增加新的工艺流程，只需改变梁的局部结构，其特征在于：悬梁结构与支撑端连接处的夹角都是钝角。在实施上增加梁在连接处的宽度，形成一个小的加固的转角，如图2所示，使梁与衬底连接处的夹角均为钝角，避免连接处出现直角或者锐角。

所述的梁形结构在几何特征上有两种：

1，宽度和厚度相当的实体梁，如图3(a)所示。通过模型提取，这类梁可以归结为：简支梁，外伸梁，悬臂梁，两端固支梁等。

2，宽度和厚度比值悬殊的薄膜型梁，宽度和厚度的比值大于5∶1，如图3(b)所示。薄膜的材料可以是氧化硅，氮化硅，多晶硅和有机聚合物等介质膜的一种或几种的单层膜或复合膜，也可以是带有金属膜的薄膜型梁结构。

所述的加固转角的大小，比例和夹角视具体情况而定，转角的设计根据连接处的不同可以分为以下三种情况：

1，梁与衬底垂直连接构T形，如图4(a)所示，连接处有两个直角转角，采用本发明的加固方法，实施时改变梁的局部结构在连接处，用两个钝角转角替代两个直角转角，加固后的效果如图4(b)所示。

2，梁与衬底非垂直连接构成斜T形，如图5(a)所示，连接处是一个锐角转角和一个钝角转角，加固方法是改变梁的局部结构增加一个钝角加固转角，消除连接处的锐角，加固后的效果如5图(b)所示。

3，对于梁与衬底转弯处连接情况下，连接处的转角是两个锐角，如图6(a)所示，改变梁的局部结构，使连接处的两个锐角转角变为钝角，在加固时就需要消除这两个锐角，加固后的效果如图6(b)所示。

在微机电系统中，梁型结构的弯曲变形和扭转变形极易导致梁的损坏。特别需要说明的是对于本发明提供的带有转角加固的梁型结构，其弯曲变形可以分为两类：

1，梁的弯曲变形方向与加固的转角所在的平面垂直，如图7(a)所示。

2，梁的弯曲变形方向与加固的转角在同一个平面内，如图7(b)所示。

本发明提供的带有转角加固的梁对上述两类梁的弯曲变形都十分有效。

为了使梁与支撑端的连接处增加一个小的转角，并不需要增加新的工艺，只需要在版图设计上做修改，使梁与支撑端形成钝角。本发明的优点和效果是改善了梁连接处的受力状态，特别是解决了梁在大变形和反复变形时连接处出现应力过大的问题，避免出现裂纹和劈裂现象，提高了梁的强度和使用寿命，设计简单，无需增加新的工艺流程。

附图说明

图1为一般器件中未经加固的梁，(a)梁与支撑端的连接处形成T形结构，在连接处形成的夹角是两个直角，(b)梁与支撑端的连接处形成斜T形结构，在连接处形成的夹角是一个锐角和一个钝角。

图2为本发明之经过转角加固后的梁，(a)连接处为T形结构的梁的加固，在两个直角转角处各增加一个小的转角，使得每个直角都形成两个钝角，(b)连接处为斜T形结构的梁的加固，在锐角转角处增加一个小的转角，使得该角形成两个钝角。

图3为不同几何特征的梁，(a)为宽度和厚度相当的实体梁，(b)为宽度和厚度比值悬殊的薄膜型梁。

图4为与衬底垂直连接构成T形的梁，(a)加固前，(b)加固后。

图5为与衬底非垂直连接构成斜T形的梁，(a)加固前，(b)加固后。

图6为与衬底转弯处连接的梁，(a)加固前，(b)加固后。

图7为加固后的梁的两种弯曲变形方式，(a)为梁的弯曲变形方向与加固的转角所在的平面垂直，(b)为梁的弯曲变形方向与加固的转角在同一个平面内。

图8为本发明在微探针中的应用，(a)悬梁未加固的微探针，(b)加固后的微探针。

图9为本发明在悬梁膜式微型加热器中的应用，(a)薄膜型悬梁未加固的微型加热器，(b)加固后的微型加热器。

图10为本发明在微型气体传感器中的应用，(a)薄膜悬梁未加固的微型气体传感器，(b)加固后的微型气体传感器。

具体实施方式

通过下面的转角加固结构在几个实例中的应用，进一步阐述本发明的实质特点和显著优点，但本发明绝非仅限于实施例。

实施例1：

本发明在微探针中的应用

1，经过氧化的(100)硅片在氧化硅的保护下，利用硅各向异性腐蚀液腐蚀硅片直到剩余硅的厚度是最终探针的厚度。

2，再次氧化，并在氧化硅的保护下利用硅各向异性腐蚀形成倒金字塔型凹槽。

3，deep-RIE刻蚀穿透硅片，形成金属针尖过孔，控制好气体流速从而保持针尖的倒金字塔形状。

4，电镀Ni形成探针针尖。

5，溅射Ti/Cu形成探针引线和接触电极。

6，在氧化硅的保护下，两次背面deep-RIE刻蚀硅，形成探针悬梁，露出探针金属针尖。

未经加固的探针变形时会在连接处的直角转角产生应力集中，容易损坏。通过版图修改，背面deep-RIE刻蚀形成悬梁连接处带有转角的探针，加固后的探针有效缓解了连接处因变形而产生的应力集中，既提高了梁形结构的强度，也能满足探针的反复形变，提高了使用寿命。

实施例2：

本发明在悬梁式微型加热器中的应用

1，在双面氧化的(100)硅片上沉积氮化硅氧化硅复合膜。

2，在硅片正面制作出加热电阻丝和接触电极。

3，正面光刻，利用RIE刻蚀复合膜形成腐蚀窗口。

4，利用硅各向异性腐蚀液腐蚀衬底硅，释放支撑悬梁和中心加热区。悬梁式微型加热器为了实现中心加热区高温度低功耗，悬梁需要做的细而长。由于受热膨胀，悬梁的支撑端会产出很大的热应力。对于同样长度和宽度的梁来说，未经加固的悬梁与支撑端的连接处都有一个锐角夹角和一个钝角夹角，热应力易使梁在锐角夹角处发生劈裂，通过转角加固后的悬梁，并不会引起器件功耗的明显增加却有效地降低了连接处的热应力，使得器件可以工作在更高温度，寿命也得到显著提升。

实施例3：

本发明在微型气体传感器中的应用

1，在(100)硅片双面氧化一层氧化硅。

2，在硅片正面制作出第一层Pt/Ti，形成加热层和接触电极。

3，沉积氮化硅氧化硅复合膜。

4，在硅片正面制作出第二层Pt/Ti，形成气体敏感层和接触电极。

5，利用硅各向异性腐蚀液腐蚀衬底硅，释放支撑悬梁和中心膜区。

6，利用电子束蒸发在中心膜区沉积气体敏感膜。

在本实施例中，未加固前每个悬梁与支撑端连接处都形成两个锐角，加固后，锐角全部被钝角取代，加固后缓解了锐角夹角处的集中应力.。显著提高了器件强度和使用寿命。

Claims

1、一种增强变形梁强度和使用寿命的结构，其特征在于增加梁与支撑端连接处的宽度，形成一个加固的转角，使悬梁结构与支撑梁连接处的夹角为顿角。

2、按权利要求1所述的增强变形梁强度和使用寿命的结构，其特征在于所述的梁在几何特征上为以下两种中的任一种：

(a)宽度和厚度相当的实体梁，通过模型提取，所述的实体梁为简支梁，外伸梁，悬臂梁或两端固支梁；

(b)宽度和厚度比值大于5∶1薄膜型梁。

3、按权利要求2所述的增强变形梁强度和使用寿命的结构，其特征在于所述的薄膜型梁的材料为氧化硅、氮化硅、多晶硅和有机聚合物介质膜中的一种或几种的单层膜或复合膜；或是带有金属膜的薄膜型梁结构。

4、按权利要求1所述的增强变形梁强度和使用寿命的结构，其特征在于所述的转角根据连接处的不同分为下述三种情况：

(1)梁与衬底垂直连接构T形，连接处有两个直角转角，改变梁的局部结构，用两个钝角加固转角替代连接处的两个直角转角；

(2)梁与衬底非垂直连接构成斜T形，连接处是一个锐角转角和一个钝角转角，改变梁的局部结构，消除连接处的锐角变为加固钝角。

(3)对于梁与衬底转弯处连接情况下，改变梁的局部结构，连接处的两个锐角转角，变为钝角加固转角。

5、按权利要求1、2或4所述的增强变形梁强度和使用寿命的结构，其特征在于：

(1)加固的转角所在的平面与梁的弯曲变形方向垂直；

(2)加固的转角与梁的弯曲变形在同一平面内。

6、按权利要求1所述的增强变形梁强度和使用寿命的结构的应用，其特征在于应用于多种带有变形梁的MEMS器件中，包括微探针、悬梁式微型加热器或微型气体传感器。

7、按权利要求6所述的增强变形梁强度和使用寿命的结构的应用，其特征在于：

(1)所述的微探针的制作步骤是：

(a)经过氧化的(100)硅片在氧化硅的保护下，利用硅各向异性腐蚀液腐蚀硅片，直到剩余硅的厚度是最终探针的厚度；

(b)再次氧化，并在氧化硅的保护下利用硅各向异性腐蚀形成倒金字塔型凹槽；

(c)deep-RIE刻蚀穿透硅片，形成金属针尖过孔，控制气体流速从而保持针尖的倒金字塔形状；

(d)电镀Ni形成探针针尖；

(e)溅射Ti/Cu形成探针引线和接触电极；

(f)在氧化硅的保护下，两次背面deep-RIE刻蚀硅，形成探针悬梁，露出探针金属针尖；

(2)加固后的探针缓解了连接处因变形而产生的应力集中。

8、按权利要求6所述的增强变形梁强度和使用寿命的结构的应用，其特征在于：

(1)所述的悬梁式微型加热器制作步骤是：

(a)在双面氧化的(100)硅片上沉积氮化硅氧化硅复合膜；

(b)在硅片正面制作出加热电阻丝和接触电极；

(c)正面光刻，利用RIE刻蚀复合膜形成腐蚀窗口；

(d)利用硅各向异性腐蚀液腐蚀衬底硅，释放支撑悬梁和中心加热区；

(2)转角加固后的悬梁降低了连接处的热应力，使器件工作在更高温度条件下提高了使用寿命。

9、按权利要求6所述的增强变形梁强度和使用寿命的结构的应用，其特征在于：

(1)所述的微型气体传感器的制作步骤

(a)在(100)硅片双面氧化一层氧化硅；

(b)在硅片正面制作出第一层Pt/Ti，形成加热层和接触电极；

(c)沉积氮化硅氧化硅复合膜；

(d)在硅片正面制作出第二层Pt/Ti，形成气体敏感层和接触电极；

(e)利用硅各向异性腐蚀液腐蚀衬底硅，释放支撑悬梁和中心膜区；

(f)利用电子束蒸发在中心膜区沉积气体敏感膜；

(2)加固后，每个悬梁与支撑端连接处的锐角被钝角取代，缓解了锐角夹角处的应力集中。