CN104133079A - 一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，该加速度计包括上盖板、下盖板和敏感部件，该方法包括敏感部件的制备、上下盖板的制备以及敏感部件与上下盖板的键合，本发明首次采用石英材料制备梳齿电容式加速度计，并针对加速度计的具体结构对制备方法进行了创新设计，开启石英材料新的用途，且本发明的加速度计整个结构都为石英材料，热膨系数匹配，可以提高传感器的温度性能，并能够得到大的敏感质量块及初始电容值，可以明显提高传感器的灵敏度与分辨率，并保证了制备得到的梳齿具有大的深宽比。

Description

一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法

技术领域

本发明涉及一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，属于传感技术、微电子机械(MEMS)技术领域。

背景技术

微机械加速度计是基于微电子机械系统(MEMS)加工技术制作而成的一种力学量传感器，可以用于惯性力、倾斜角、振动及冲击等惯性参数的测量。微机械加速度计具有体积小、功耗低、成本少、可靠性高及易于批量生产等优点，已在交通运输、工业控制、惯性导航、医学、仪器检测、军事等很多领域得到了广泛的应用。在各类微机械加速度传感器中，梳齿电容式加速度计由于可增大检测电容，阻尼系数容易控制，因而应用广泛。梳齿电容式加速度计可以通过表面微加工和体微加工实现，由于采用表面微机械工艺制作的传感器敏感质量较小，热机械噪声大，分辨率不高，不能用在惯性导航等领域。而用体微机械工艺可以制作高深宽比的梳齿电容式传感器，因此相比表面微加工工艺制作的传感器具有更高的灵敏度和分辨率。

通常梳齿电容式加速度计采用硅作为结构材料，高深宽比硅结构的体微加工通常需要采用RIE或ICP等刻蚀设备，成本较高，且硅材料作为一种半导体材料，其电学性能易受温度、辐射等多种环境因素的影响。石英晶体是一种高稳定性的绝缘材料，多年来已广泛应用于通信、GPS、传感器等领域，但采用目前的方法石英材料很难获得深宽比大的梳齿结构，因而无法获得较大的敏感电容，传感器的量程非常小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，该方法制备得到的加速度计能够得到大的敏感质量块及初始电容值，可以明显提高传感器的灵敏度与分辨率，且可以得到大阻尼比值的加速度计，使传感器工作在过阻尼状态，适用于振动环境下对低频加速度信号的测量。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，加速度计包括上盖板、下盖板和敏感部件，其中敏感部件包括支撑框架、敏感质量块、敏感电极对、悬臂梁、止挡块，其中上盖板和下盖板上均开有凹槽，敏感部件位于上盖板和下盖板之间，敏感质量块两侧设置有可动梳齿，支撑框架两侧设置固定梳齿，所述可动梳齿与固定梳齿配合形成敏感电极对，敏感质量块两端通过悬臂梁与支撑框架连接，具体制备过程如下：

步骤(一)、敏感部件的制备过程如下：

(1)、将石英晶片的正反两面均依次镀铬膜和金膜，形成铬金掩蔽膜层；

(2)、采用光刻的方法形成敏感部件的图形，去除掉没有光刻胶保护的铬膜和金膜；

(3)、去除敏感部件图形上的光刻胶，进行二次光刻，形成敏感部件表面上的连接电极的图形，作为敏感部件的引线电极；

(4)、把光刻有连接电极的石英晶片放入HF与NH4F混合液中，进行高温快速腐蚀，此时连接电极上有光刻胶保护；当可动梳齿与固定梳齿结构分离，且敏感质量块与止挡块结构分离后，停止腐蚀，之后去除连接电极外的铬金膜层，最后去除连接电极上的光刻胶；

(5)、在可动梳齿与固定梳齿的表面蒸镀金属层，形成敏感电极对，并实现敏感电极对与连接电极的连接，完成敏感部件的制备；

步骤(二)、上盖板或下盖板的制备过程如下：

(1)、将石英晶片的正反两面均依次镀铬膜和金膜，形成铬金掩蔽膜层；

(2)、采用光刻的方法形成上盖板或下盖板的图形，去除掉没有光刻胶保护的铬膜和金膜；

(3)、去除上盖板或下盖板图形上的光刻胶，进行二次光刻，形成凹槽的图形；

(4)、把光刻后的上盖板或下盖板放入HF与NH4F混合液中进行腐蚀，得到上盖板或下盖板的图形；

(5)、去除凹槽上的铬膜和金膜，再次进行凹槽低温腐蚀，去除光刻胶，完成上盖板或下盖板的制备。

步骤(三)、将敏感部件放置在上盖板与下盖板之间并对准，通过键合完成加速度计的制备。

在上述石英梳齿电容式加速度计的制备方法中，步骤(一)的(4)中高温快速腐蚀的温度为80℃-90℃，腐蚀速率为2-3μm/s。

在上述石英梳齿电容式加速度计的制备方法中，步骤(一)的(5)中通过金属掩膜蒸发镀膜的方式在可动梳齿与固定梳齿的表面蒸镀金属层。

在上述石英梳齿电容式加速度计的制备方法中，步骤(二)的(5)中低温腐蚀的温度为50℃-60℃。

在上述石英梳齿电容式加速度计的制备方法中，步骤(三)中的敏感部件与上盖板、下盖板采用Au-Au或者石英与石英直接键合实现无缝连接。

在上述石英梳齿电容式加速度计的制备方法中，上盖板和下盖板上开设的凹槽的深度为2-10μm。

在上述石英梳齿电容式加速度计的制备方法中，止挡块的作用为止挡敏感质量块在敏感水平方向受大g值冲击时的大运动，从而保护悬臂梁，止挡块与敏感质量块之间的缝隙小于敏感电极对中可动梳齿与固定梳齿之间的间隙，相差的数值为1-2μm。

在上述石英梳齿电容式加速度计的制备方法中，可动梳齿与固定梳齿错位平行放置，每个可动梳齿与相邻两个固定梳齿距离不相等，两者距离相差5倍以上，构成非均匀配置的敏感电容对。

在上述石英梳齿电容式加速度计的制备方法中，采用石英晶片为α型Z切石英材料，且石英晶片的厚度为100～300μm，可动梳齿与固定梳齿的深宽比大于5。

在上述石英梳齿电容式加速度计的制备方法中，步骤(一)的(4)中可动梳齿与固定梳齿的宽度腐蚀方向与α型Z切石英材料x轴呈15～60°的角度。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明首次采用石英材料制备梳齿电容式加速度计，并针对加速度计的具体结构对制备方法进行了创新设计，开启石英材料新的用途，且本发明的加速度计整个结构都为石英材料，热膨系数匹配，可以提高传感器的温度性能；

(2)、本发明的加速度计的敏感质量块及梳齿深度与采用的石英晶片同厚度，能够得到大的敏感质量块及初始电容值，可以明显提高传感器的灵敏度与分辨率；此外本发明采用α型Z切石英材料，梳齿的宽度腐蚀方向与石英材料x轴成15°～60°的任何角度，保证了制备得到的梳齿具有大的深宽比，试验表明深宽比在5以上；

(3)、本发明相对硅梳齿电容式加速度计的制备，所需设备简单，容易实现，敏感器件结构光刻后仅需湿法腐蚀一步便可得到；

(4)、本发明整个制备工序都可以在200℃以下完成，制备过程引入的热应力小，可以提高传感器的加工成品率和力学稳定性；

(5)、本发明的加速度计敏感部件的上下都有止挡结构，在提高结构的抗冲击性能的同时，可以得到大阻尼比值的加速度计，使传感器工作在过阻尼状态，适用于振动环境下对低频加速度信号的测量。

附图说明

图1为本发明石英梳齿电容式加速度计结构示意图；

图2为本发明石英梳齿电容式加速度计结构剖视图；

图3为本发明石英梳齿电容式加速度计敏感部件层示意图；

图4为本发明梳齿结构排列继电容示意图；

图5为本发明梳齿排列与x轴的角度关系示意图；

图6为本发明加速度计工艺流程示意图。

具体实施方式

下面就结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述：

如图1所示为本发明石英梳齿电容式加速度计结构示意图；图2所示为本发明石英梳齿电容式加速度计结构剖视图；图3所示为本发明石英梳齿电容式加速度计敏感部件层示意图，由图可知本发明加速度计包括上盖板6、下盖板7和敏感部件9，其中敏感部件9包括支撑框架1、敏感质量块2、敏感电极对3、悬臂梁4、止挡块5，其中上盖板6和下盖板7上均开有凹槽8，支撑框架1位于上盖板6和下盖板7之间，敏感质量块2两侧设置有可动梳齿，支撑框架1两侧设置固定梳齿，可动梳齿与固定梳齿配合形成敏感电极对3，敏感质量块2两端通过悬臂梁4与支撑框架1连接。敏感水平方向上有外加的加速度时，悬臂梁4带动敏感质量块2和可动梳齿在敏感方向运动，使可动梳齿与固定梳齿之间的间隙发生变化，从而产出电容变化，通过差分电容的检测得到敏感方向上的加速度信号。

如图4所示为本发明梳齿结构排列示意图，其中图a为梳齿结构排列示意图，图b为梳齿电容初始值示意图，可动梳齿的数量与固定梳齿数量相等，可动梳齿与固定梳齿错位平行放置。每个可动梳齿与相邻两个固定梳齿距离不相等，即可动梳齿不处于两固定梳齿中间，而是如图4中图a所示分布，其中图a中的m值大于5(两者距离相差5倍以上)，构成非均匀配置的敏感电容对。

悬臂梁4一端连接支撑框架1，一端与敏感质量块2连接，其中悬臂梁4的形状可以多选，例如u型梁、双端固支梁、L型梁等。敏感质量块2两端设置了两个止挡块5，主要的作用为防止敏感质量块2在敏感方向受大冲击时运动行程太大，破坏悬臂梁4从而使传感器失效，敏感质量块2与止挡块5之间的间隙小于图4所示敏感电极间隙中的d值。如图2所示的敏感部件9中所有的部分厚度方向相等，厚度为100～300微米，结构可通过湿法体工艺腐蚀得到。

如图3所示的敏感部件9，为实现弹性梁仅对检测方向敏感，弹性梁的参数设计保证在检测方向上容易变形，在其它方向刚度较大。

如图4所示的梳齿排列分布，敏感质量块2两侧的敏感电极对3的梳齿电容初始值相同，即C1+C3＝C2+C4。在其敏感方向的加速度信号作用下，梳齿间隙发生变化，C1、C4增大，而C3、C2减小，但由于C3、C4的数值远小于C1、C2，所以(C1+C3)与(C2+C4)的差值相当于2倍C1的电容变化值，即可构成一对差分电容，当间隙变化量远小于梳齿初始间隙，电容差值与输入加速度成线性关系。

如图5所示为本发明梳齿排列与x轴的角度关系示意图，加速度计的上盖板6、下盖板7和敏感部件9都由α型Z切石英材料制备，敏感部件9中最重要的是得到深宽比大的梳齿结构，梳齿的宽度方向(图5中的X’方向)偏转α型Z切石英材料x轴呈15°-60°角度，最佳的偏角为15°或者45°，当晶片厚度达到200微米时，可以得到深宽比约为9的深槽。这样可以在制备大敏感质量块的同时得到大的初始电容值，能够降低加速度传感器的热机械噪声，提高其分辨率和精度。

本发明的变间隙的石英梳齿电容加速度计结构，其结构除在水平敏感方向上有止挡保护外，在z向设置了上下盖板保护，其盖板中间腐蚀出了凹槽8，槽深即为敏感质量块与上下盖板的间隙，其大小根据保护效果设定，一般为2-10μm。并且敏感部件9与上下盖板6、7的连接可以采用Au-Au直接键合或者石英-石英直接键合，键合可同步进行。相比较硅梳齿加速度计与上下盖板的连接必须采取玻璃与硅静电键合或者硅-硅直接键合，本发明采用的键合工艺引起的热应力小，利于提高传感器的稳定性。

本发明的传感器为敏感水平方向的加速度大小，传感器的阻尼类型为动梳齿与静梳齿之间气体产生的压膜阻尼和敏感质量块2与上下盖板6、7之间气体产生的滑膜阻尼，最主要的为压膜阻尼，由此可以制备大阻尼值的传感器，并且阻尼值可以通过封装气压来调节，此种传感器特别适合应用于振动环境下对低频加速度信号的测量。

如图6所示为本发明加速度计工艺流程示意图，本发明石英梳齿电容式加速度计的具体制备工艺如下：

(一)、敏感部件(9)的制备过程如下：

(1)、先对石英晶片11采用化学清洗液清洗完后，将石英晶片11的正反两面均依次镀铬膜和金膜，形成铬金掩蔽膜层12；如图6中的(a)所示为石英晶片11的正反两面均依次镀铬膜和金膜示意图；

(2)、采用光刻的方法形成敏感部件9的图形，去除掉没有光刻胶13保护的铬膜和金膜；刻出梳齿初始缝隙及敏感结构，如图6中的(b)所示为光刻的方法形成敏感部件的图形的示意图；

(3)、去除敏感部件9图形上的光刻胶，再次匀上光刻胶13，如图6中的(c)所示为匀胶示意图。进行二次光刻，形成敏感部件9表面上的连接电极10的图形，作为敏感部件9的引线电极，电极上留有光刻胶13，如图6中的(d)所示为二次光刻形成敏感部件9表面上的连接电极10图形示意图；

(4)、把光刻有连接电极10的石英晶片放入HF与NH4F混合液中，进行高温快速腐蚀，此时连接电极10上有光刻胶保护；当可动梳齿与固定梳齿结构分离，且敏感质量块2与止挡块5结构分离后，停止腐蚀，图6中的(e)所示为腐蚀形成敏感部件9示意图；之后去除连接电极10外的铬金膜层12，最后去除连接电极10上的光刻胶13；如图6中的(f)所示为形成连接电极示意图。其中高温快速腐蚀的温度为80℃-90℃，z向单面腐蚀速率为2-3μm/s。

(5)、采用金属掩模板14与敏感器件层9对准，遮挡住不需蒸镀电极的部分。在可动梳齿与固定梳齿的表面蒸镀金属层，形成敏感电极对3，并实现敏感电极对3与连接电极10的连接，完成敏感部件9的制备；如图6中的(g)所示为金属掩模板14与敏感器件层9对准示意图，如图6中的(h)所示为蒸镀金属电极层示意图。

(二)、上盖板6或下盖板7的制备过程如下：

(1)、将石英晶片的正反两面均依次镀铬膜和金膜，形成铬金掩蔽膜层；

(2)、采用光刻的方法形成上盖板6或下盖板7的图形，去除掉没有光刻胶保护的铬膜和金膜；

(3)、去除上盖板6或下盖板7图形上的光刻胶，进行二次光刻，形成凹槽8的图形；

(4)、把光刻后的上盖板6或下盖板7放入HF与NH4F混合液中进行腐蚀，得到上盖板6或下盖板7的图形；

(5)、去除凹槽8上的铬膜和金膜，再次对凹槽8进行低温腐蚀，低温腐蚀的温度为50℃-60℃，腐蚀的深度为2-10μm，去除光刻胶，完成上盖板6或下盖板7的制备。

(三)、将敏感部件9放置在上盖板6与下盖板7之间并对准，通过键合完成加速度计的制备。敏感部件9与上盖板6、下盖板7采用Au-Au或者石英与石英直接键合实现无缝连接。如图6中的(i)所示为本发明键合方式示意图。

若采用Au-Au低温直接键合方式，敏感器件层中支撑框架1上留有金层，与上盖板6、下盖板7周围的金层通过加压加温的方式键合。

若采取石英与石英的直接键合，去除掉敏感器件层中支撑框架上的金层，上盖板6、下盖板7周围的金层同时去掉，露出石英表面，把三者对准后可进行石英与石英的直接键合。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述加速度计包括上盖板(6)、下盖板(7)和敏感部件(9)，其中敏感部件(9)包括支撑框架(1)、敏感质量块(2)、敏感电极对(3)、悬臂梁(4)、止挡块(5)，其中上盖板(6)和下盖板(7)上均开有凹槽(8)，敏感部件(9)位于上盖板(6)和下盖板(7)之间，敏感质量块(2)两侧设置有可动梳齿，支撑框架(1)两侧设置固定梳齿，所述可动梳齿与固定梳齿配合形成敏感电极对(3)，敏感质量块(2)两端通过悬臂梁(4)与支撑框架(1)连接，具体制备过程如下：

步骤(一)、敏感部件(9)的制备过程如下：

(1)、将石英晶片的正反两面均依次镀铬膜和金膜，形成铬金掩蔽膜层；

(2)、采用光刻的方法形成敏感部件(9)的图形，去除掉没有光刻胶保护的铬膜和金膜；

(3)、去除敏感部件(9)图形上的光刻胶，进行二次光刻，形成敏感部件(9)表面上的连接电极(10)的图形，作为敏感部件(9)的引线电极；

(4)、把光刻有连接电极(10)的石英晶片放入HF与NH4F混合液中，进行高温快速腐蚀，此时连接电极(10)上有光刻胶保护；当可动梳齿与固定梳齿结构分离，且敏感质量块(2)与止挡块(5)结构分离后，停止腐蚀，之后去除连接电极(10)外的铬金膜层，最后去除连接电极(10)上的光刻胶；

(5)、在可动梳齿与固定梳齿的表面蒸镀金属层，形成敏感电极对(3)，并实现敏感电极对(3)与连接电极(10)的连接，完成敏感部件(9)的制备；

步骤(二)、上盖板(6)或下盖板(7)的制备过程如下：

(1)、将石英晶片的正反两面均依次镀铬膜和金膜，形成铬金掩蔽膜层；

(2)、采用光刻的方法形成上盖板(6)或下盖板(7)的图形，去除掉没有光刻胶保护的铬膜和金膜；

(3)、去除上盖板(6)或下盖板(7)图形上的光刻胶，进行二次光刻，形成凹槽(8)的图形；

(4)、把光刻后的上盖板(6)或下盖板(7)放入HF与NH4F混合液中进行腐蚀，得到上盖板(6)或下盖板(7)的图形；

(5)、去除凹槽(8)上的铬膜和金膜，再次进行凹槽(8)低温腐蚀，去除光刻胶，完成上盖板(6)或下盖板(7)的制备。

步骤(三)、将敏感部件(9)放置在上盖板(6)与下盖板(7)之间并对准，通过键合完成加速度计的制备。

2.根据权利要求1所述的一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述步骤(一)的(4)中高温快速腐蚀的温度为80℃-90℃，腐蚀速率为2-3μm/s。

3.根据权利要求1所述的一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述步骤(一)的(5)中通过金属掩膜蒸发镀膜的方式在可动梳齿与固定梳齿的表面蒸镀金属层。

4.根据权利要求1所述的一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述步骤(二)的(5)中低温腐蚀的温度为50℃-60℃。

5.根据权利要求1所述的一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述步骤(三)中的敏感部件(9)与上盖板(6)、下盖板(7)采用Au-Au或者石英与石英直接键合实现无缝连接。

6.根据权利要求1所述的一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述上盖板(6)和下盖板(7)上开设的凹槽(8)的深度为2-10μm。

7.根据权利要求1所述的一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述止挡块(5)的作用为止挡敏感质量块(2)在敏感水平方向受大g值冲击时的大运动，从而保护悬臂梁(4)，止挡块(5)与敏感质量块(2)之间的缝隙小于敏感电极对(3)中可动梳齿与固定梳齿之间的间隙，相差的数值为1-2μm。

8.根据权利要求1所述的一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述可动梳齿与固定梳齿错位平行放置，每个可动梳齿与相邻两个固定梳齿距离不相等，两者距离相差5倍以上，构成非均匀配置的敏感电容对。

9.根据权利要求1所述的一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述采用石英晶片为α型Z切石英材料，且石英晶片的厚度为100～300μm，可动梳齿与固定梳齿的深宽比大于5。

10.根据权利要求9所述的一种石英梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述步骤(一)的(4)中可动梳齿与固定梳齿的宽度腐蚀方向与α型Z切石英材料x轴呈15～60°的角度。