CN105137117B - 一种mems电涡流加速度计及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS电涡流加速度计，包括金属基底、金属结构、电极和电感线圈；所述金属结构包括质量块和矩形的支撑框架，所述支撑框架设置于金属基底上，所述质量块位于支撑框架内，所述质量块的左、右两侧各设置一个弹性梁与支撑框架连接；所述金属基底上从下往上依次设置有第一、二氮化硅薄膜，所述电极包括两个第一电极和两个第二电极，分别设置在一、二氮化硅薄膜上，两个所述电感线圈设置于质量块下方，并连接第一电极和第二电极。具有体积较小，结构简单，稳定性好，测量精度高等特点；此外，上述MEMS电涡流加速度计采用了表面加工工艺，避免干扰应力的引入，并且可以采用常规工艺设备实现大批量制造，成本较低。

Description

一种MEMS电涡流加速度计及制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统的微惯性测量领域，具体涉及一种MEMS电涡流加速度计及制备方法。

背景技术

MEMS是利用微细加工技术发展起来的，能把微传感器、微执行器和电子线路、微能源等组合在一起；它既可以利用传感器监测接收外部的作用力、光、声音、温度等信号，又能够根据电路信号的指令控制执行元件实现一系列的机械驱动；是一种综合了获取信息、处理信号和执行指令为一体的集成系统。

根据敏感原理，加速度计可分为压阻式、压电式、电容式加速度计等。其中，压阻式加速度计的结构和检测电路简单，器件成本低、工艺简单，动态响应特性好，但是压敏电阻温度系数较大，导致压阻式加速度计存在较大的温度漂移，而且工艺过程中的残余应力会对压敏电阻产生影响，从而降低了器件的性能；而压电式加速度计有较高的灵敏度和宽的带宽，但压电材料极化产生的是直流电荷，所以压电测量在低频时变得很困难，从而使其低频特性不好；此外，电容式加速度计具有温度系数小、稳定性好、灵敏度高、可以通过静电回复力工作在力平衡模式等优点，但其处理电路复杂、电容量小、容易受寄生电容的影响。

根据材料的不同，加速度计可分为硅基加速度计和非硅基加速度计；硅基加速度计加工工艺成熟，比如硅-玻璃键合工艺得到了广泛的应用，但是由于硅玻璃热膨胀系数不匹配，在温度变化后器件会产生较大的内应力；非硅基加速度计采用的材料种类比较多，工艺比较特殊，制作难度较大。

目前，常规加速度计一般采用体加工工艺进行生产，体加工工艺是通过腐蚀的方法对基底进行加工，形成三维立体微结构的方法；利用该加工方法可以加工出深宽比较高的器件，但键合、刻蚀等工艺会破坏材料的晶格，引入较大的内应力，影响加速度计的温度漂移特性和工作稳定性。

发明内容

本发明旨在提供一种体积较小、结构简单、灵敏度高、稳定性好、制备工艺简单的MEMS电涡流加速度计及其制备方法。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种MEMS电涡流加速度计，包括金属基底、金属结构、电极和电感线圈；所述金属结构包括质量块和矩形的支撑框架，所述支撑框架设置于金属基底上，所述质量块位于支撑框架内，所述质量块的左、右两侧各设置一个弹性梁与支撑框架连接，两个所述弹性梁相对于质量块的第一中心线对称设置，并偏离质量块的第二中心线；所述金属基底上从下往上依次设置有第一、二氮化硅薄膜，所述电极包括两个第一电极和两个第二电极，两个所述第一电极对称设置在弹性梁的前、后两侧的第一氮化硅薄膜上，并穿过第二氮化硅薄膜向上延伸，两个所述第二电极相对于弹性梁对称设置，并位于两个第一电极之间的第二氮化硅薄膜上；两个所述电感线圈设置于质量块下方，位于弹性梁一侧的第一、二电极与其中一个电感线圈连接，位于弹性梁另一侧的第一、二电极与另一个电感线圈连接。

进一步地，两个所述电感线圈关于两个弹性梁的连线对称设置；对称性好，提高抗干扰性，输出稳定。

更近一步地，两个所述弹性梁的连线与相连接的支撑框架对应边的中心线重合。

在上述方案的基础上，所述金属结构与金属基底是同一种金属材料；热膨胀系数一致，MEMS电涡流加速度计结构不会因为外界温度变化而产生内应力，调高了器件的稳定性。

同时，本方案还提供一种电涡流加速度计的制备方法，包括：

取金属基底；

在金属基底的上表面用PECVD工艺制作第一氮化硅薄膜，并在第一氮化硅薄膜上并排制作两个间隔的第一电极，每个第一电极引出一根第一引线；

在第一氮化硅薄膜上，再次用PECVD工艺制作第二氮化硅薄膜；

刻蚀第二氮化硅薄膜，露出第一电极和第一引线的端头；

在两个第一电极之间的第二氮化硅薄膜上，制作两个第二电极，两个电感线圈也位于第二氮化硅薄膜上，所述电感线圈一端与第二电极通过第二引线相连，所述电感线圈的另一端与第一引线端头相连；

在第一、二氮化硅薄膜上刻蚀出矩形槽；

使用微电铸的方法，在矩形槽内沉积支撑框架的底座，并向上延伸超过第二电极顶部；

在第二氮化硅薄膜的上表面铺设和填充二氧化硅作为牺牲层，所述牺牲层与底座顶部齐平，且牺牲层的顶部是平滑的；

在牺牲层与底座顶部沉积一层金属种子层薄膜；

在金属种子层薄膜上做较厚的光刻胶并做光刻，光刻后空余的结构即为所述MEMS电涡流加速度计的金属结构的框架，用微电铸的方法，填充光刻后的空余结构形成金属层；

去除光刻胶，去除露出的金属种子层薄膜，随后用HF缓冲溶液去除牺牲层；

所述金属层和金属种子层薄膜为同一种金属。

本发明的有益效果是：整体体积较小、结构简单、对称性和线性好、灵敏度高、频带宽、受寄生参数影响小；其次，基底和结构部分采用金属材料制作，能避免常规硅-玻璃材料热膨胀系数不匹配而引入的热应力，降低了器件漂移，提高稳定性；此外，结构制作采用微电铸表面加工工艺，工艺引入应力较小，避免了硅结构制作中常用的等离子刻蚀、高温热氧化、掺杂等加工工艺引起的硅晶格破坏以及残余应力，提高了器件稳定性，且可以采用常规工艺设备实现大批量制造，工艺过程简单，成本较低。

附图说明

图1是本发明立体图。

图2是本发明俯视图。

图3是图2中A-A剖视图。

图4是图3中B-B剖视图。

图5a～图5n是本发明的制备工艺图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1～4所示，一种MEMS电涡流加速度计，主要由金属基底4、金属结构、电极和电感线圈6组成。

金属结构包括质量块1和矩形的支撑框架3，支撑框架3设置于金属基底4上，质量块1位于支撑框架3内，质量块1的左、右两侧各设置一个弹性梁2与支撑框架3连接，两个弹性梁2相对于质量块1的第一中心线a对称设置，并偏离质量块1的第二中心线b；最好是，两个弹性梁2的连线与相连接的支撑框架3对应边的中心线重合。

在金属基底4上从下往上依次设置有第一氮化硅薄膜8和第二氮化硅薄膜81，电极包括两个第一电极5和两个第二电极51，两个第一电极5对称设置在弹性梁2的前、后两侧的第一氮化硅薄膜上8，并穿过第二氮化硅薄膜81向上延伸，两个第二电极51相对于弹性梁2对称设置，并位于两个第一电极5之间的第二氮化硅薄膜81上。

两个电感线圈6设置于质量块1下方，位于弹性梁2一侧的第一电极5和第二电极51与其中一个电感线圈6连接，位于弹性梁2另一侧的第一电极5和第二电极51与另一个电感线圈6连接；最好是，两个电感线圈6关于两个弹性梁2的连线对称设置。

较好地，金属结构与金属基底4是同一种金属材料。

如图5a～5n，本实施例还提供一种MEMS电涡流加速度计的制备方法，包括：

取金属基底4，如图5a；

在金属基底4的上表面用PECVD工艺制作第一氮化硅薄膜8，如图5b，并在第一氮化硅薄膜8上并排制作两个间隔的第一电极5，每个第一电极5引出一根第一引线7，如图5c；

在第一氮化硅薄膜8上，再次用PECVD工艺制作第二氮化硅薄膜81；

刻蚀第二氮化硅薄膜81，露出第一电极5和第一引线7的端头，如图5d；

在两个第一电极5之间的第二氮化硅薄膜81上，制作两个第二电极51，两个电感线圈6也位于第二氮化硅薄膜81上，如图5e，电感线圈6一端与第二电极51通过第二引线71相连，电感线圈6的另一端与第一引线7端头相连；

在第一、二氮化硅薄膜8、81上刻蚀出矩形槽9，如图5f；

使用微电铸的方法，在矩形槽9内沉积支撑框架的底座10，并向上延伸超过第二电极51顶部，如图5g；

在第二氮化硅薄膜81的上表面铺设和填充二氧化硅作为牺牲层11，牺牲层11与底座10顶部齐平，且牺牲层11的顶部是平滑的，如图5h；

在牺牲层11与底座10顶部沉积一层金属种子层薄膜12，如图5i；

在金属种子层薄膜12上做较厚的光刻胶13并做光刻，光刻后空余的结构即为MEMS电涡流加速度计的金属结构的框架，如图5j，用微电铸的方法，填充光刻后的空余结构形成金属层14，如图5k；

去除光刻胶13，如图5l，去除露出的金属种子层薄膜12，如图5m，随后用5％～10％HF缓冲溶液去除牺牲层11，如图5n；

其中，金属层14和金属种子层薄膜12为同一种金属。

Claims (5)

1.一种MEMS电涡流加速度计，其特征在于：包括金属基底(4)、金属结构、电极和电感线圈(6)；所述金属结构包括质量块(1)和矩形的支撑框架(3)，所述支撑框架(3)设置于金属基底(4)上，所述质量块(1)位于支撑框架(3)内，所述质量块(1)的左、右两侧各设置一个弹性梁(2)与支撑框架(3)连接，两个所述弹性梁(2)相对于质量块(1)的第一中心线(a)对称设置，并偏离质量块(1)的第二中心线(b)；所述金属基底(4)上从下往上依次设置有第一、二氮化硅薄膜(8、81)，所述电极包括两个第一电极(5)和两个第二电极(51)，两个所述第一电极(5)对称设置在弹性梁(2)的前、后两侧的第一氮化硅薄膜上(8)，并穿过第二氮化硅薄膜(81)向上延伸，两个所述第二电极(51)相对于弹性梁(2)对称设置，并位于两个第一电极(5)之间的第二氮化硅薄膜(81)上；两个所述电感线圈(6)设置于质量块(1)下方，位于弹性梁(2)一侧的第一、二电极(5、51)与其中一个电感线圈(6)连接，位于弹性梁(2)另一侧的第一、二电极(5、51)与另一个电感线圈(6)连接。

2.根据权利要求1所述的MEMS电涡流加速度计，其特征在于：两个所述电感线圈(6)关于两个弹性梁(2)的连线对称设置。

3.根据权利要求1或2所述的MEMS电涡流加速度计，其特征在于：两个所述弹性梁(2)的连线与相连接的支撑框架(3)对应边的中心线重合。

4.根据权利要求1或2所述的MEMS电涡流加速度计，其特征在于：所述金属结构与金属基底(4)是同一种金属材料。

5.一种MEMS电涡流加速度计的制备方法，包括：

取金属基底(4)；

在金属基底(4)的上表面用PECVD工艺制作第一氮化硅薄膜(8)，并在第一氮化硅薄膜(8)上并排制作两个有间隔的第一电极(5)，每个第一电极(5)引出一根第一引线(7)；

在第一氮化硅薄膜(8)上，再次用PECVD工艺制作第二氮化硅薄膜(81)；

刻蚀第二氮化硅薄膜(81)，露出第一电极(5)和第一引线(7)的端头；

在两个第一电极(5)之间的第二氮化硅薄膜(81)上，制作两个第二电极(51)，两个电感线圈(6)位于第二氮化硅薄膜(81)上，所述电感线圈(6)一端与第二电极(51)通过第二引线(71)相连，电感线圈(6)的另一端与第一引线(7)端头相连；

在第一、二氮化硅薄膜(8、81)上刻蚀出矩形槽(9)；

使用微电铸的方法，在矩形槽(9)内沉积支撑框架的底座(10)，并向上延伸超过第二电极(51)顶部；

在第二氮化硅薄膜(81)的上表面铺设和填充二氧化硅作为牺牲层(11)，所述牺牲层(11)与底座(10)顶部齐平，且牺牲层(11)的顶部是平滑的；

在牺牲层(11)与底座(10)顶部沉积一层金属种子层薄膜(12)；

在金属种子层薄膜(12)上做较厚的光刻胶(13)并做光刻，光刻后空余的结构即为所述MEMS电涡流加速度计的金属结构的框架，用微电铸的方法，填充光刻后的空余结构形成金属层(14)；

去除光刻胶(13)，去除露出的金属种子层薄膜(12)，随后用HF缓冲溶液去除牺牲层(11)；

所述金属层(14)和金属种子层薄膜(12)为同一种金属。