CN109100535A - 基于soq的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片及其加工工艺 - Google Patents

基于soq的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片及其加工工艺 Download PDF

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Abstract

基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片及其加工工艺，芯片包括键合的石英结构和硅基结构,石英结构为石英框架、惯性力输入端、柔性杠杆、石英音叉、柔性铰链、质量块、连接杆和刻蚀间隙组成的同平面差动式石英振梁芯片结构；硅基结构包括硅基框架和释放槽；加工工艺先对硅片进行硅基结构的释放槽加工，键合硅片和石英片，再进行石英片减薄和抛光，制作石英结构，最后由划片机划片；质量块受加速度影响产生的惯性力通过惯性力输入端传递到杠杆上进行放大，由连接杆把该力集中再均分到石英音叉的两根振梁上，中心对称两侧的石英音叉一侧受拉频率升高，另一侧受压频率降低，通过频率差变化测得加速度；本发明芯片具有体积小，精度高等优点。

Description

基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片及其加工工艺
技术领域
本发明属于微机械电子(MEMS)数字式加速度计技术领域，具体涉及基于SOQ(silicon on quartz)的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片及其加工工艺。
背景技术
传统的石英加工需要存在两个主要问题，由于石英硬度较高，刻蚀选择比较小，且现有的技术所生产的商品化的石英圆片大多厚度较大，一般都要100um以上，干法刻蚀难以单面刻穿，且刻蚀时间长，刻蚀成本高；而传统的湿法腐蚀存在着腐蚀精度不高，难以腐蚀较小的结构，且腐蚀液对人体伤害较大等问题。因此目前的石英谐振器件大多采用的是异质结构装配完成，即敏感结构采用石英材料，其他部分采用硅或者金属等易加工材料，分别加工完成后组装到一起，这种方法虽然降低了加工难度，但由此会增加装配难度，带来装配误差，导致结构的精度、灵敏度等下降。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片及其加工工艺，芯片具有体积小，精度高，可操作性强等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片，包括键合的石英结构1和硅基结构2；
所述的石英结构1为石英框架3、惯性力输入端4、柔性杠杆5、石英音叉6、柔性铰链7、质量块8、连接杆9和刻蚀间隙10组成的同平面差动式石英振梁芯片结构；其中石英框架3位于结构的最外侧，为固定部分，其他结构为可动部分；惯性力输入端4、柔性杠杆5、柔性铰链7和连接杆9共同组成了杠杆放大机构，其中惯性力输入端4一端与质量块8相连，另一端与杠杆5的输入端相连，杠杆5的输出端通过连接杆9与石英音叉6相连，并在杠杆5的末端通过柔性铰链7与石英框架3固定到一起，其中石英音叉6为双端固支石英音叉；
所述的硅基结构2包括硅基框架11和释放槽12，硅基框架11为固定部分，释放槽12为硅基框架11内部的空槽；
所述的石英框架3和硅基框架11相互键合到一起；所述的惯性力输入端4、柔性杠杆5、石英音叉6、柔性铰链7、质量块8、连接杆9和刻蚀间隙10完全悬空于释放槽12上。
所述的硅基结构2整体长*宽大小与石英结构1相同，硅基框架11的尺寸大小与石英框架3相同。
所述的石英结构1整体长*宽在10000mm*10000mm以内，厚度为20-50um，石英框架3宽度在500-800um范围内，石英音叉6的长度在1600-3000mm范围内，石英音叉6的每根振梁宽度在30-70um范围内，柔性杠杆5的宽度在100-400um范围内，石英刻蚀间隙10的宽度在100-300um范围内，石英结构1上的其他结构大小视已确定尺寸而定。
所述的加速度计芯片整体结构厚度方向完全中心对称，敏感方向为沿石英振梁长度方向。
所述的基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片的加工工艺，包括以下步骤：
第一步，对完整的硅片进行硅基结构2的释放槽12加工，获得带有结构的硅片13；
第二步，带有结构的硅片13和石英片14的键合，采用直接键合的方式，包括以下步骤：
2.1)表面洁净处理，首先去离子水冲洗，丙酮超声清洗10min，然后去离子水冲洗；浓硫酸和双氧水按照H2SO4：H2O2＝2：1的体积比在90℃清洗20min；
2.2)表面活化处理，采用连续活化的方式进行硅片和石英片表面的活化；湿法活化，RCA-1水(NH4OH：H2O2：H2O＝1：1：5)，75℃，水浴加热15min，去离子水清洗，90℃烘台烘干样片；干法活化，放入等离子干法去胶机中，氧等离子轰击30s，功率200w，流量为60sccm，压力为50Pa；
2.3)键合，活化过后放入去离子水中，浸泡，然后在水中使两片贴合，用镊子夹出片子，用滤纸把多余的水吸干；
2.4)加压，用纸质空心滚子滚压初步键合的片子，使里面多余的水排出，使两片片子充分靠近，分子间作用力充分作用；然后在把两片加压静置数小时；
2.5)热处理，在烘箱中，梯度升温，从室温升至140℃，保温8h，然后随炉冷却；
第三步，进行石英片14的减薄和抛光，石英片14从100um研磨减薄到20-50um厚度，进行抛光，最终获得20-50um厚度的表面粗糙度为几个纳米以下级别的抛光石英片15；
第四步，进行抛光石英片15上电极17的制作和掩膜16的制作；
第五步，抛光石英片15由干法刻蚀完成获得带有结构的石英片18，将整片划片，完成整个芯片的制作。
本发明的有益效果为：
首先，解决了石英片难以做到很薄(100um以下)的难题；其次，可以使石英干法刻蚀单面刻穿，且节省时间，降低成本；再次，结构部分为纯石英结构，避免了异质材料带来的温度影响；在结构中增加了柔性杠杆，放大了质量块带来的惯性力，提高了加速度计的灵敏度；连接杆充分解决了杠杆对于音叉梁应力匹配不一致的问题，使得两根振梁内应力差别大大减小；且结构为差动结构，降低了交叉干扰，可以有效的进行加速的测量，结构较小。
附图说明
图1为本发明加速度计芯片整体结构示意图。
图2为本发明石英结构示意图。
图3为本发明硅基结构示意图。
图4为本发明加速度计芯片整体加工工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
参照图1，基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片，包括键合的石英结构1和硅基结构2；
参照图2，所述的石英结构1为石英框架3、惯性力输入端4、柔性杠杆5、石英音叉6、柔性铰链7、质量块8、连接杆9和刻蚀间隙10组成的同平面差动式石英振梁芯片结构；其中石英框架3位于结构的最外侧，为固定部分，其他结构为可动部分；惯性力输入端4、柔性杠杆5、柔性铰链7和连接杆9共同组成了杠杆放大机构，其中惯性力输入端4一端与质量块8相连，另一端与杠杆5相连，杠杆5在输出端通过连接杆9与石英音叉6相连，并在杠杆5末端通过柔性铰链7与石英框架3固定到一起，在加速度作用于惯性质量块8时，杠杆放大机构接收并放大该惯性力到连接杆9，连接杆9集中柔性杠杆5传递的惯性力，然后再均分到石英音叉6的两根振梁上，避免了石英音叉6因直接连接在杠杆上两根振梁位置的差异带来的两根振梁内应力差别巨大的问题，有效的降低了两根振梁的应力大小的差异；石英音叉6为双端固支石英音叉；
参照图3，所述的硅基结构2包括硅基框架11和释放槽12，硅基框架11为固定部分，释放槽12为硅基框架11内部的空槽；
所述的石英框架3和硅基框架11相互键合到一起；所述的惯性力输入端4、柔性杠杆5、石英音叉6、柔性铰链7、质量块8、连接杆9和刻蚀间隙10完全悬空于释放槽12上，以保证石英音叉6、质量块8等可动结构能够自由的振动。
所述的硅基结构2整体长*宽大小与石英结构1相同，硅基框架11的尺寸大小与石英框架3相同。
所述的石英结构1整体长*宽在10000mm*10000mm以内，厚度为20-50um，石英框架3宽度在500-800um范围内，石英音叉6的长度在1600-3000mm范围内，石英音叉6的每根振梁宽度在30-70um范围内，柔性杠杆5的宽度在100-400um范围内，石英刻蚀间隙10的宽度在100-300um范围内，石英结构1上的其他结构大小视已确定尺寸而定。
所述的加速度计芯片整体结构厚度方向完全中心对称，敏感方向为沿石英振梁长度方向。
本发明加速度计芯片的工作原理为：
当质量块8受到加速度影响时，产生的惯性力由惯性力输入端4传递到柔性杠杆5，然后经过柔性杠杆5的放大作用，力传递到连接杆9，由连接杆9把力进行集中再分配，使得石英音叉6的两根振梁上受到相同的拉(压)应力作用，结构中心对称的另一侧石英音叉6受到的压(拉)相反，使得结构对称两边的振梁一侧频率升高，一侧频率降低，所产生的频率差与加速度成比例，故而测得加速度大小。
参照图4，所述的基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片的加工工艺，包括以下步骤：
第一步，对完整的硅片进行硅基结构2的释放槽12加工，获得带有结构的硅片13；
第二步，带有结构的硅片13和石英片14的键合，采用直接键合的方式，包括以下步骤：
2.1)表面洁净处理，表面的污染物会使表面不平影响两键合片之间的紧密结合且造成疏水表面，首先去离子水冲洗，丙酮超声清洗10min，然后去离子水冲洗；浓硫酸和双氧水按照H2SO4：H2O2＝2：1的体积比在90℃清洗20min，硫酸使有机物脱水而碳化，双氧水将碳化产物氧化成CO1或者CO2气体，经过上述一系列的清洗可以很好的去除表面的各种污染物；
2.2)表面活化处理，采用连续活化的方式进行硅片和石英片表面的活化；湿法活化，RCA-1水(NH4OH：H2O2：H2O＝1：1：5)，75℃，水浴加热15min，去离子水清洗，90℃烘台烘干样片；干法活化，放入等离子干法去胶机中，氧等离子轰击30s，功率200w，流量为60sccm，压力为50Pa，主要用于去除表面的残留污渍，改善表面的粗糙度，增加表面的-OH，使表面由原来的疏水状态转为亲水状态；
2.3)键合，活化过后放入去离子水中，浸泡，然后在水中使两片贴合，用镊子夹出片子，用滤纸把多余的水吸干，一方面是为了给键合表面提供充分的水，另一方面为了减小空气中的污染物对于键合界面的影响；
2.4)加压，用纸质空心滚子滚压初步键合的片子，使里面多余的水排出，使两片片子充分靠近，分子间作用力充分作用；然后在把两片加压静置数小时，一方面使两键合片之间充分的脱水，形成硅氧键，另一方面，使两片之间多余的水分自然蒸发；
2.5)热处理，在烘箱中，梯度升温，从室温升至140℃，保温8h，然后随炉冷却，促进硅氧键的形成，使键合牢固；
第三步，进行石英片14的减薄和抛光，以带有结构的硅片13作为辅助材料支持石英片，防止石英片因为厚度减薄而破碎，石英片14从100um研磨减薄到20-50um厚度，进行抛光，最终获得20-50um厚度的表面粗糙度为几个纳米以下级别的抛光石英片15；
第四步，进行抛光石英片15上电极17的制作和石英结构1的掩膜16的制作；
第五步，抛光石英片由干法刻蚀完成获得带有结构的石英片18，将整片划片，完成整个芯片的制作。
从工艺上讲，键合硅片和石英片带来的好处是，提供有效的保护可以进行石英的减薄和抛光，且硅基框架11也可以为后续的石英结构提供支撑和保护。

Claims (5)

1.基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片，其特征在于：包括键合的石英结构(1)和硅基结构(2)；
所述的石英结构(1)为石英框架(3)、惯性力输入端(4)、柔性杠杆(5)、石英音叉(6)、柔性铰链(7)、质量块(8)、连接杆(9)和刻蚀间隙(10)组成的同平面差动式石英振梁芯片结构；其中石英框架(3)位于结构的最外侧，为固定部分，其他结构为可动部分；惯性力输入端(4)、柔性杠杆(5)、柔性铰链(7)和连接杆(9)共同组成了杠杆放大机构，其中惯性力输入端(4)一端与质量块(8)相连，另一端与杠杆(5)的输入端相连，杠杆(5)的输出端通过连接杆(9)与石英音叉(6)相连，并在杠杆(5)末端通过柔性铰链(7)与石英框架(3)固定到一起，其中石英音叉(6)为双端固支石英音叉；
所述的硅基结构(2)包括硅基框架(11)和释放槽(12)，硅基框架(11)为固定部分，释放槽(12)为硅基框架(11)内部的空槽；
所述的石英框架(3)和硅基框架(11)相互键合到一起；所述的惯性力输入端(4)、柔性杠杆(5)、石英音叉(6)、柔性铰链(7)、质量块(8)、连接杆(9)和刻蚀间隙(10)完全悬空于释放槽(12)上。
2.根据权利要求1所述的基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片，其特征在于：所述的硅基结构(2)整体长*宽大小与石英结构(1)相同，硅基框架(11)的尺寸大小与石英框架(3)相同。
3.根据权利要求1所述的基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片，其特征在于：所述的石英结构(1)整体长*宽在10000mm*10000mm以内，厚度为20-50um，石英框架(3)宽度在500-800um范围内，石英音叉(6)的长度在1600-3000mm范围内，石英音叉(6)的每根振梁宽度在30-70um范围内，柔性杠杆(5)的宽度在100-400um范围内，刻蚀间隙(10)的宽度在100-300um范围内，石英结构(1)上的其他结构大小视已确定尺寸而定。
4.根据权利要求1所述的基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片，其特征在于：所述的加速度计芯片以整体结构厚度方向完全中心对称，敏感方向为沿石英振梁长度方向。
5.根据权利要求1所述的基于SOQ的柔性杠杆放大振梁加速度计芯片的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，对完整的硅片进行硅基结构(2)的释放槽(12)加工，获得带有结构的硅片(13)；
第二步，带有结构的硅片(13)和石英片(14)的键合，采用直接键合的方式，包括以下步骤：
2.1)表面洁净处理，首先去离子水冲洗，丙酮超声清洗10min，然后去离子水冲洗；浓硫酸和双氧水按照H2SO4：H2O2＝2：1的体积比在90℃清洗20min；
2.2)表面活化处理，采用连续活化的方式进行硅片和石英片表面的活化；湿法活化，RCA-1水(NH4OH：H2O2：H2O＝1：1：5)，75℃，水浴加热15min，去离子水清洗，90℃烘台烘干样片；干法活化，放入等离子干法去胶机中，氧等离子轰击30s，功率200w，流量为60sccm，压力为50Pa；
2.3)键合，活化过后放入去离子水中，浸泡，然后在水中使两片贴合，用镊子夹出片子，用滤纸把多余的水吸干；
2.4)加压，用纸质空心滚子滚压初步键合的片子，使里面多余的水排出，使两片片子充分靠近，分子间作用力充分作用；然后在把两片加压静置数小时；
2.5)热处理，在烘箱中，梯度升温，从室温升至140℃，保温8h，然后随炉冷却；
第三步，进行石英片(14)的减薄和抛光，石英片(14)从100um研磨减薄到20-50um厚度，进行抛光，最终获得20-50um厚度的表面粗糙度为几个纳米以下级别的抛光石英片(15)；
第四步，进行抛光石英片(15)上电极(17)的制作和掩膜(16)的制作；
第五步，抛光石英片(15)由干法刻蚀完成获得带有结构的石英片(18)，将整片划片，完成整个芯片的制作。
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