CN106841683B - 石英摆式加速度计及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石英摆式加速度计，包括上极板、中间极板和下极板，所述上极板和所述下极板均由键合区、电容平板区和电极引线区组成，所述键合区围在所述电容平板区的四周，所述电极引线区一端悬空，另一端穿过所述键合区与所述电容平板区连接，所述键合区的厚度大于所述电容平板区的厚度；所述中间极板由键合区、质量块、挠性梁和电极引线区组成，所述键合区为环状，所述质量块经所述挠性梁与所述键合区内侧边固定连接，所述电极引线区一端悬空，另一端穿过所述键合区与所述质量块相连；所述上极板、中间极板和下极板通过三者的键合区连接成一个整体。本发明结构简单、同一种材料、无需精密机械装配，可靠性和制造型能够得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统技术领域，尤其是一种石英摆式加速度计，及其制备方法。
背景技术
采用微电子机械系统（MEMS）技术实现的电容式加速度计具有体积小、重量轻和成本低等有优点，在军事、汽车工艺、消费类电子产品等领域有广发的应用前景。当前的电容式加速度计主要有三种：“三明治”结构、“梳齿”结构以及石英挠性摆结构。其中“三明治”结构和“梳齿”结构加速度计利用硅材料制备，容易加工，但硅材料属于半导体材料，很容易受温度、杂质污染的影响，因此，器件的稳定性有待进一步提高。石英挠性摆结构加速度计利用石英材料优良的机械弹性，温度特性，高品质因数，化学稳定性，虽然测量精度高，性能稳定，但结构比较复杂，涉及多个组件多种材料，通过精密机械装配组合在一起，可靠性以及制造性较差，且面临永磁体退化、胶老化以及量程难以进一步提高的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种石英摆式加速度计，结构巧妙，使用方便。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种石英摆式加速度计，包括上下叠置的三块极板：上极板、中间极板和下极板，所述上极板和所述下极板均由键合区、电容平板区和电极引线区组成，所述键合区围在所述电容平板区的四周，所述电极引线区一端悬空，另一端穿过所述键合区与所述电容平板区连接，所述键合区的厚度大于所述电容平板区的厚度；所述中间极板由键合区、质量块、挠性梁和电极引线区组成，所述键合区为环状，所述质量块经所述挠性梁与所述键合区内侧边固定连接，所述电极引线区一端悬空，另一端穿过所述键合区与所述质量块相连；所述上极板、中间极板和下极板通过三者的键合区连接成一个整体。
进一步地，所述键合区与所述质量块厚度相同，且大于所述挠性梁的厚度。
进一步地，所述键合区比所述电容平板区高2～5μm。
一种如上所述石英摆式加速度计的制备方法，其包括以下步骤：
⑴、中间极板的制备：
（a）在石英基片的双面制备一层腐蚀掩膜层；
（b）双面光刻，对腐蚀掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域；
（c）双面腐蚀石英，直至穿通；
（d）双面光刻，对腐蚀掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域；
（e）双面腐蚀石英，腐蚀深度为基片厚度减去挠性梁厚度的二分之一；
（f）腐蚀去掉石英基片上的腐蚀掩膜层；
（g）在石英的两面制备金属电极。
⑵、上极板和下极板的制备方法：
（a）在石英基片的双面制备一层腐蚀掩膜层；
（b）双面光刻，对腐蚀掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域；
（c）双面腐蚀石英，直至穿通；
（d）单面光刻，对腐蚀掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域；
（e）腐蚀石英，形成键合台阶；
（f）腐蚀去掉石英基片上的腐蚀掩膜层；
（g）在石英的一面制备金属电极。
（3）将上极板、中间极板和下极板通过石英直接键合组合在一起。
进一步地，腐蚀掩膜为Cr/Au金属掩膜或多晶硅掩膜。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用“三明治”结构，相比现有石英挠性加速度计结构简单、同一种材料、无需精密机械装配，可靠性和制造型能够得到提升；相比现有的硅“三明治”结构加速度计，可利用石英材料优良的机械弹性，温度特性，高品质因数，化学稳定性，提高器件的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例的石英摆式加速度计剖视图；
图2 为本发明实施例的石英摆式加速度计上极板和下极板结构示意图；
图3 为本发明实施例的石英摆式加速度计中间极板结构示意图；
图4 为本发明实施例的石英摆式加速度计工作原理示意图；
图5（a）-图5（g）为本发明实施例的石英摆式加速度计中间极板制备工艺流程图；
图6（a）-图6（g）为本发明实施例的石英摆式加速度计上极板和下极板制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
如图1、图2、图3所示，本发明实施例的石英摆式加速度计，它由上极板1、中间极板2和下极板3组成；上极板1和下极板3由键合区11、电容平板区12和电极引线区13三部分组成，其中电极引线区13一端悬空，另一端通过电容平板区12和键合区11相连；中间极板2由键合区21、质量块22、挠性梁23和电极引线区24四部分组成，其中质量块22一端悬空，另一端通过挠性梁23跟键合区21相连，电极引线区24一端悬空，另一端跟键合区21相连；上极板1和下极板3分别通过键合区11跟中间极板键合区21正反面连接组合成整个器件。
为了实现合理的电容间隙且敏感加速度，上极板1和下极板3的键合区11比电容平板区12和电极引线区13高2～5μm，中间极板2的键合区21、质量块22、挠性梁23和电极引线区24都有两个面，其中键合区21、质量块22和电极引线区24具有同一个厚度，且上下面都在同一个平面内，挠性梁23的厚度比其它三个部分小。
本发明装置的工作原理，如图4所示：上极板的电容平板区跟中间极板的质量块上表面形成电容C1，下极板的电容平板区跟中间极板的质量块下表面形成电容C2。在非测量状态时，质量块处于中间位置，上下电容大小相等，输出信号为0，当有向上的加速度时，质量块在加速度作用下向上运动，质量块上表面与上极板的电容平板区间隙减小，电容增大，质量块下表面与下极板的电容平板区间隙增大，电容减小，同理，当有向下的加速度时，质量块上表面与上极板的电容平板区间隙增大，电容减小，质量块下表面与下极板的电容平板区间隙减小，电容增大，利用业已非常成熟的差分测量技术测量上下电容的差值大小及正负方向，可知加速度的大小和方向。
本发明石英摆式加速度计的制备方法，包括如下步骤：
（1）起始材料采用双抛Z切石英单晶，厚度400μm；
（2）中间极板的制备，其工艺步骤如图5（a）～图5（g）所示
（a）在石英基片的上下面依次溅射铬（Cr）、（Au），厚度分别为200Ǻ、2000Ǻ，形成石英腐蚀金属掩膜，如图5（a）所示；
（b）双面光刻，对金属掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域，如图5（b）所示；
（c）利用饱和氟化氢铵溶液双面同时腐蚀石英，直至穿通，形成质量块和引线键合区，如图5（c）所示；
（d）双面光刻，对金属掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域，如图5（d）所示；
（e）利用饱和氟化氢铵溶液双面同时腐蚀石英，腐蚀深度为基片厚度减去挠性梁厚度的二分之一，形成挠性梁，如图5（e）所示；
（f）分别利用金、铬腐蚀液腐蚀石英基片上金、铬，去除金属掩膜层，如图5（f）所示；
（g）利用物理掩膜，在石英的两面依次溅射铬（Cr）、（Au），厚度分别为200Ǻ、2000Ǻ，形成金属电极4，如图5（g）所示。
（3）上极板和下极板的制备方法相同，其工艺步骤如图6（a）～图6（g）所示
（a）在石英基片的上下面依次溅射铬（Cr）、（Au），厚度分别为200Ǻ、2000Ǻ，形成石英腐蚀金属掩膜，如图6（a）所示；
（b）双面光刻，对金属掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域，如图6（b）所示；
（c）利用饱和氟化氢铵溶液双面同时腐蚀石英，直至穿通，形成引线键合区，如图6（c）所示；
（d）单面光刻，对金属掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域，如图6（d）所示；
（e）利用饱和氟化氢铵溶液腐蚀石英，腐蚀深度2～5μm，形成键合区和电容平板区，如图6（e）所示；
（f）分别利用金、铬腐蚀液腐蚀石英基片上金、铬，去除金属掩膜层，如图6（f）所示；
（g）利用物理掩膜，在石英有键合区和电容平板区的一面依次溅射铬（Cr）、（Au），厚度分别为200Ǻ、2000Ǻ，形成金属电极，如图6（g）所示。
（4）将上极板、中间极板和下极板通过石英直接键合组合在一起，如图1所示。
上述实施例中，原始材料采用Z切石英单晶，其厚度可根据需要调整；石英腐蚀掩膜也可选择其它的掩膜方法，如利用多晶硅掩膜；石英的腐蚀液体也可选择其它的腐蚀溶液，如HF溶液；溅射的铬、金厚度也可以根据情况有所调整变化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种石英摆式加速度计的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴、中间极板的制备：
(a)在石英基片的双面制备一层腐蚀掩膜层；
(b)双面光刻，对腐蚀掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域；
(c)双面腐蚀石英，直至穿通；
(d)双面光刻，对腐蚀掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域；
(e)双面腐蚀石英，腐蚀深度为基片厚度减去挠性梁厚度的二分之一；
(f)腐蚀去掉石英基片上的腐蚀掩膜层；
(g)在石英的两面制备金属电极；
⑵、上极板和下极板的制备方法：
(a)在石英基片的双面制备一层腐蚀掩膜层；
(b)双面光刻，对腐蚀掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域；
(c)双面腐蚀石英，直至穿通；
(d)单面光刻，对腐蚀掩膜层图形化，暴露出石英腐蚀的区域；
(e)腐蚀石英，形成键合台阶；
(f)腐蚀去掉石英基片上的腐蚀掩膜层；
(g)在石英的一面制备金属电极；
(3)将上极板、中间极板和下极板通过石英直接键合组合在一起；
所述石英摆式加速度计包括上极板(1)、中间极板(2)和下极板(3)，所述上极板(1)和所述下极板(3)均由上下极板键合区(11)、电容平板区(12)和上下极板电极引线区(13)组成，所述上下极板键合区(11)围在所述电容平板区(12)的四周，所述上下极板电极引线区(13)一端悬空，另一端穿过所述上下极板键合区(11)与所述电容平板区(12)连接，所述上下极板键合区(11)的厚度大于所述电容平板区(12)的厚度；所述中间极板(2)由中间键合区(21)、质量块(22)、挠性梁(23)和中间电极引线区(24)组成，所述中间键合区(21)为环状，所述质量块(22)经
所述挠性梁(23)与所述键合区(21)内侧边固定连接，所述中间电极引线区(24)
一端悬空，另一端穿过所述中间键合区(21)与所述质量块(22)相连；所述上极板、中间极板和下极板通过三者的键合区连接成一个整体。
2.如权利要求1所述的石英摆式加速度计的制备方法，其特征在于：所述腐蚀掩膜为Cr/Au金属掩膜或多晶硅掩膜。
3.如权利要求1所述的石英摆式加速度计的制备方法，其特征在于：所述中间键合区(21)与所述质量块(22)厚度相同，且大于所述挠性梁(23)的厚度。
4.如权利要求1所述的石英摆式加速度计的制备方法，其特征在于：所述上下极板键合区(11)比所述电容平板区(12)高2～5μm。
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