CN102005330A

CN102005330A - 一种微惯性开关芯片及其制备方法

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Publication number: CN102005330A
Application number: CN 201010589512
Authority: CN
Inventors: 王超; 陈光焱; 吴嘉丽; 施志贵; 郑英彬; 武蕊
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102005330B

Abstract

本发明提供了一种微惯性开关芯片及其制备方法。微惯性开关芯片包括玻璃封帽、硅管芯、硅框架和玻璃基底四部分，硅管芯为“平面矩形螺旋梁-方形质量块”微结构。在惯性加速度作用下，方形质量块向玻璃基底运动，当惯性加速度达到闭合阈值时，方形质量块上的金属层与玻璃基底上的两个金属电极同时接触，从而提供开关闭合信号。本发明采用“平面矩形螺旋梁-方形质量块”微结构，解决了微惯性开关低频“弹簧-质量”结构的设计问题。采用双埋层SOI硅片和MEMS微制造技术，解决了高性能梁结构的制备问题，实现了微惯性开关的低应力一体化微加工。本发明具有结构精巧、加工精度高、批量制备、成本低等特点。

Description

一种微惯性开关芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于微控制开关技术领域，具体涉及一种微惯性开关芯片及其制备方法。

背景技术

惯性开关是用于感知惯性加速度信号，将传感与执行融为一体的精密惯性器件，其闭合阈值的设计范围为1g～30g（g：标准重力加速度），主要应用于飞行器系统，要求具有无源、小体积、“弹簧-质量”系统的一阶自然频率小于100Hz等特点。惯性开关大多采用典型的“弹簧-质量-阻尼”结构，当检测到超过闭合阈值的惯性加速度信号时，以可动质量块与固定电极接触的方式提供开关闭合信号。

现有成熟应用的惯性开关大多采用精密机械加工方式完成生产、装配和调试，很难实现微型化。因此采用MEMS微制造技术实现惯性开关，具有重要的研究价值。中国2009年6月出版的《光学精密工程》第17卷第6期杂志中“Low-g micro inertial switch based on Archimedes’ spiral”（P1257-1261）一文公开了一种基于阿基米德螺旋线的微惯性开关，采用紫外线厚胶光刻LIGA技术制作出了厚度在20μm～40μm的螺旋梁，成功实现了惯性开关的微型化和低频设计要求，同时微电铸工艺选用导电性好的金属镍作为螺旋梁材料，简化了惯性开关设计环节中的电极问题。但是，紫外线厚胶光刻LIGA技术存在两个问题：

1）紫外线厚胶光刻LIGA工艺最常用的光刻胶SU-8存在较大的张应力，很难形成高精度的厚胶模，以及烘烤量大时在工艺的后段难以去除。

2）受光刻胶胶模图形和具体工艺参数的影响，微电铸制作的螺旋梁的表面平整性和厚度均匀性差，存在针孔和积瘤等缺陷，以及结构的机械强度和内应力等问题，造成成品率较低、产品性能的分散性较大。

为了获得高性能的螺旋梁结构，需开展大量的工艺试验对微电铸的具体工艺参数进行优化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种微惯性开关芯片，本发明同时提供一种微惯性开关芯片的制备方法。

本发明的微惯性开关芯片，芯片中的玻璃封帽、硅管芯、硅框架和玻璃基底依次连接形成一个封闭体系；在硅管芯内部设置有感知惯性加速度的方形质量块，在方形质量块的一对对角顶点设置有两根结构相同的、环绕方形质量块的、位于方形质量块厚度方向中心平面的平面矩形螺旋梁；方形质量块的底面设置有用于导电的金属层；硅框架用于形成方形质量块和玻璃基底的初始间距；玻璃基底上设置有两个金属电极；玻璃封帽用于保护硅管芯内部的方形质量块和平面矩形螺旋梁结构。

所述的硅框架与硅管芯设置在同一个基片上。所述的玻璃封帽采用硅封帽替代。所述的硅框架采用玻璃框架替代。所述的玻璃基底采用硅基底替代。

本发明的微惯性开关芯片的制备方法，依次包括下列步骤：

（a）在硅片上光刻出图形，然后采用KOH溶液腐蚀方法腐蚀形成方形质量块；

（b）在KOH溶液腐蚀形成的深槽里光刻出图形，然后采用ICP刻蚀方法形成平面矩形螺旋梁结构；

（c）采用剥离方法在方形质量块底面上形成一金属层；

（d）采用ICP刻蚀方法刻蚀穿通硅片，形成硅管芯；

（e）将玻璃封帽和硅管芯、硅框架和玻璃基底分别进行阳极键合，然后将硅管芯和硅框架进行共晶键合，形成微惯性开关芯片。

本发明的微惯性开关芯片的制备方法步骤（a）中的硅片为双埋层SOI硅片。

本发明的微惯性开关芯片的制备方法步骤（a）中KOH溶液腐蚀方法采用ICP刻蚀方法替代。

本发明的微惯性开关芯片的制备方法步骤（d）中ICP刻蚀方法采用KOH溶液腐蚀方法替代。

本发明的微惯性开关芯片的制备方法步骤（e）中的硅管芯和硅框架的共晶键合采用熔融键合方式替代。

本发明的微惯性开关的工作原理为：在惯性加速度作用下，方形质量块向玻璃基底运动，当惯性加速度达到闭合阈值时，方形质量块上的金属层与玻璃基底上的两个金属电极同时接触，从而提供开关闭合信号。

本发明的微惯性开关芯片根据MEMS微制造技术的特点，采用“平面矩形螺旋梁-方形质量块”微结构，解决了MEMS低频“弹簧-质量”结构的制备问题；本发明采用缺陷较少的单晶硅作为梁的结构材料，提高了梁的质量。本发明采用双埋层SOI硅片和MEMS微制造技术，基于二氧化硅埋层具有KOH溶液腐蚀/ICP刻蚀自停止的特点，解决了高性能梁结构的制备问题，实现了微惯性开关的低应力一体化微加工，提高了产品的成品率和性能一致性。本发明能够有效地提高微惯性开关抗横向干扰、抗纵向振动或冲击干扰的性能，具有结构精巧、加工精度高、批量制备、成本低等特点。

附图说明

图1为本发明的微惯性开关芯片的剖面结构示意图。

图2为本发明中的硅管芯结构示意图。

图3（a）为本发明中的方形质量块剖面结构示意图。

图3（b）为本发明中的方形质量块剖面结构示意图。

图3（c）为本发明中的方形质量块剖面结构示意图。

图3（d）为本发明中的方形质量块剖面结构示意图。

图4（a）为本发明中的在带有金属和厚胶的硼硅玻璃基片上光刻出图形后的剖面结构示意图。

图4（b）为本发明中的带有深槽的玻璃封帽剖面结构示意图。

图5为本发明中的双埋层SOI硅片剖面结构示意图。

图6（a）为本发明中的采用KOH溶液腐蚀方法腐蚀形成的方形质量块剖面结构示意图。

图6（b）为本发明中的采用ICP刻蚀方法刻蚀形成的平面矩形螺旋梁剖面结构示意图。

图6（c）为本发明中的采用ICP刻蚀方法刻蚀穿通硅片形成的硅管芯剖面结构示意图。

图7为本发明中的硅框架剖面结构示意图。

图8（a）为本发明中的在硼硅玻璃基片上光刻出图形后的剖面结构示意图。

图8（b）为本发明中的带有金属电极的玻璃基底剖面结构示意图。

图中，1.玻璃封帽2.硅管芯 3.硅框架 4.玻璃基底 21.平面矩形螺旋梁 22.方形质量块 221.方形质量块结构Ⅰ 222.方形质量块结构Ⅱ 223.方形质量块结构Ⅲ 224.方形质量块结构Ⅳ 100.硼硅玻璃基片 101.金属掩膜 102.光刻胶 103.金属电极 201.单晶硅 202.二氧化硅 203.金属层。

具体实施方式

图1为本发明的微惯性开关芯片的剖面结构示意图，微惯性开关芯片包括玻璃封帽1、硅管芯2、硅框架3和玻璃基底4，通过键合实现芯片的圆片级封装。

图2为本发明中的硅管芯结构示意图，硅管芯包括平面矩形螺旋梁21和方形质量块22两部分。

图3为沿图2 A-A剖线的剖面结构示意图。根据微惯性开关芯片的制备方法中的步骤（a）、（b）、（c）和（d）,采用KOH溶液腐蚀和ICP刻蚀方法进行处理得到四种方形质量块：如图3（a）所示的方形质量块结构Ⅰ221、如图3（b）所示的方形质量块结构Ⅱ222、如图3（c）所示的方形质量块结构Ⅲ223、如图3（d）所示的方形质量块结构Ⅳ224。

下面结合图3（c）所示的方形质量块结构Ⅲ223，对微惯性开关芯片的制备过程作进一步详细说明。

图4（a）为本发明中的在带有金属和厚胶的硼硅玻璃基片上光刻出图形后的剖面结构示意图。图4（b）为本发明中的带有深槽的玻璃封帽剖面结构示意图。

玻璃封帽的制备过程：

1)选取硼硅玻璃基片100，双面溅射金属掩膜101，然后双面旋途光刻胶102。单面光刻出图形后腐蚀去除图形区域的金属，形成金属-光刻胶的复合掩膜层，如图4（a）所示；

2)以HF/HCl溶液腐蚀玻璃，然后依次腐蚀去除光刻胶和金属掩膜，得到玻璃封帽1，如图4（b）所示。

图5为本发明中的双埋层SOI硅片剖面结构示意图。

图6（a）为本发明中的采用KOH溶液腐蚀方法腐蚀形成的方形质量块剖面结构示意图。图6（b）为本发明中的采用ICP刻蚀方法刻蚀形成的平面矩形螺旋梁剖面结构示意图。图6（c）为本发明中的采用ICP刻蚀方法刻蚀穿通硅片形成的硅管芯剖面结构示意图。

硅管芯的制备过程：

1)选取双埋层SOI硅片，由三层单晶硅和两层二氧化硅组成，如图5所示；

2) 采用常规氧化工艺，生成二氧化硅氧化层。单面光刻出图形后以HF溶液漂洗SiO₂；

3)以二氧化硅氧化层为掩膜层，采用KOH溶液腐蚀方法腐蚀至双埋层SOI硅片的二氧化硅202时，腐蚀自停止，形成质量块22。以HF溶液腐蚀去除深槽内的二氧化硅202；

4)在KOH溶液腐蚀形成的深槽里光刻出图形后采用剥离方法形成金属层203，如图6（a）所示；

5)在KOH溶液腐蚀形成的深槽里光刻出图形后采用ICP刻蚀方法刻蚀至双埋层SOI硅片的二氧化硅202时，刻蚀自停止，形成平面矩形螺旋梁结构。然后采用RIE刻蚀方法刻蚀去除深槽内的二氧化硅202，如图6（b）所示；

6)对基片另一面光刻出图形，采用ICP刻蚀方法刻蚀穿通，然后采用RIE刻蚀方法刻蚀去除平面矩形螺旋梁21上的二氧化硅202，得到硅管芯，如图6（c）所示，其中方形质量块为方形质量块结构Ⅲ223。

图7为本发明中的硅框架剖面结构示意图。

硅框架的制备过程：

选取双面抛光硅片，采用常规氧化工艺，在单晶硅201表面生成二氧化硅202；光刻出图形后以HF溶液腐蚀形成二氧化硅掩膜层，然后采用KOH溶液腐蚀方法腐蚀穿通，得到硅框架，如图7所示。

图8（a）为本发明中的在硼硅玻璃基片上光刻出图形后的剖面结构示意图。图8（b）为本发明中的带有金属电极的玻璃基底剖面结构示意图。

玻璃基底的制备过程：

1)选取硼硅玻璃基片100，旋途光刻胶102，光刻出图形后再以HF溶液腐蚀出浅槽，如图8（a）所示。

2)采用剥离方法在硼硅玻璃基片100上制备金属电极103，得到玻璃基底，如图8（b）所示。

在微惯性开关芯片制备过程中，采用KOH溶液腐蚀会出现一个侧壁坡度为57.74°的锥型结构，而采用ICP刻蚀得到的是带有垂直侧壁的深槽，因此可获得四种不同结构的质量块。当硅框架的基片厚度＜200μm时，加工存在较大的困难，可以通过在双埋层SOI硅片上先制作出框架，然后在进行管芯的制备，这样即可以在一个双埋层SOI硅片上制备出硅框架和硅管芯结构。

Claims

1.一种微惯性开关芯片，其特征在于：所述的微惯性开关芯片中的玻璃封帽、硅管芯、硅框架和玻璃基底依次连接形成一个封闭体系；在硅管芯内部设置有感知惯性加速度的方形质量块，在方形质量块的一对对角顶点设置有两根结构相同的、环绕方形质量块的、位于方形质量块厚度方向中心平面的平面矩形螺旋梁；方形质量块的底面设置有用于导电的金属层；硅框架用于形成方形质量块和玻璃基底的初始间距；玻璃基底上设置有两个金属电极。

2.根据权利要求1所述的微惯性开关，其特征是：所述的硅框架与硅管芯设置在同一个硅基片上。

3.根据权利要求1所述的微惯性开关，其特征是：所述的玻璃封帽采用硅封帽替代。

4.根据权利要求1所述的微惯性开关，其特征是：所述的硅框架采用玻璃框架替代。

5.根据权利要求1所述的微惯性开关，其特征是：所述的玻璃基底采用硅基底替代。

6.用于权利要求1所述的微惯性开关芯片的制备方法，其特征在于，依次包括下列步骤：

（c）采用剥离方法在方形质量块底面上形成一金属层；

（d）采用ICP刻蚀方法刻蚀穿通硅片，形成硅管芯；

7.根据权利要求6所述的微惯性开关芯片的制备方法，其特征是：所述步骤（a）中硅片为双埋层SOI硅片。

8.根据权利要求6所述的微惯性开关芯片的制备方法，其特征是：所述步骤（a）中KOH溶液腐蚀方法采用ICP刻蚀方法替代。

9.根据权利要求6所述的微惯性开关芯片的制备方法，其特征是：所述步骤（d）中ICP刻蚀方法采用KOH溶液腐蚀方法替代。

10.根据权利要求6所述的微惯性开关芯片的制备方法，其特征是：所述步骤（e）中硅管芯和硅框架的共晶键合采用熔融键合方式替代。