CN109855791A - 基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件的结构及制作方法，属于微电子机械系统领域。真空检测器件由多折叠梁(1)、固定梳齿(2)和(3)、可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)、阻尼墙(7)、衬底(8)、锚点(9)和焊盘(10)组成。固定梳齿(2)和(3)、阻尼墙(7)竖立在衬底(8)上。可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)、多折叠梁(1)悬浮在衬底(8)上方，并通过多折叠梁(1)上的锚点(9)支撑在衬底(8)上。阻尼墙(7)布置在多折叠梁(1)附近以增强压膜阻尼，使得这种基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件具有较高的测量灵敏度。

Description

基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件

技术领域

本发明涉及一种真空检测器件，特别是一种基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件的结构及制作方法，属于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)领域。

背景技术

MEMS器件真空封装是在真空环境下采用适当的方法将微小腔体密封起来，从而提供局部的真空环境，使运动部件受到尽量小的空气阻尼。MEMS绝压传感器需要真空封装形成局部真空来作为绝对压力的近似零点。基于谐振结构的微陀螺仪、微加速度计、微振荡器、微滤波器、微超声波传感器、微生物分子质量检测仪等器件需要采用真空封装降低机械运动部件运动时气体的阻尼，提高器件的品质因数，从而提高器件的性能，降低系统消耗的能量。基于热传导原理的非制冷红外探测与成像仪、流量计、微型色谱仪等器件需要真空封装来延长自由粒子的分子平均自由程，抑制热传导，提高器件的灵敏度。

真空封装是在真空环境中进行的，但是封装时的真空度并不等于封装后真空腔体的真空度。任何真空封装的器件都不可能是绝对密封的，都存在一定的泄漏。因此真空封装完成后要对真空腔体内部的压力和漏率进行检测。但是，MEMS器件体积小，常规的真空规管无法对微型真空腔内部的真空度进行测量。

目前常用的MEMS器件真空度检测方法主要有氦气检漏仪、微谐振器Q值检测法和微型皮拉尼规。氦气检漏仪的最小检测漏率为5×10^-13Pa·m³/s，不足以检测MEMS器件的微小腔体的真空度。因为对于体积为10^-4cm³的真空腔体，当漏率等于5×10^-13Pa·m³/s时在4个小时内气压就可以上升到133.3Pa。此外，氦气检漏仪价格昂贵，不能对腔体内部的真空度实时在线检测。微型皮拉尼规内部的薄膜电阻与周围空气的对流换热和腔体内的气体压强有关。当气体压强发生变化时，薄膜电阻与周围空气的对流换热不同，从而改变薄膜电阻的温度。皮拉尼规易于校准、检测灵敏度高，可以检测的最小压强0.1333Pa，最小检测漏率10×10^-18Pa·m³/s。但微型皮拉尼规与某些MEMS器件的制作工艺兼容性差。

微谐振器Q值检测法是通过采用测量真空封装腔体内微谐振器的Q值，反推腔体内的真空度。常用的梳齿谐振器，按支撑梁结构可分为双端固支音叉型、直角型、蟹腿型、弓型和多折叠型。RobN.Candler 等人采用基于双端固支音叉梁的梳齿谐振器检测测量真空度。Yu-T.Cheng等人采用基于直角型支撑梁的梳齿谐振器检测测量真空度。Mu Chiao等人采用基于蟹腿型梁的梳齿谐振器测量真空度。上述梳齿谐振器的阻尼主要是滑膜阻尼，压膜阻尼较小，因此测量真空度时灵敏度较小。

发明内容

本发明的目的在于发明一种高灵敏度真空检测器件以检测真空封装腔体内的真空度。

为实现上述目的，本发明提出一种基于多折叠梁的梳齿谐振器来检测真空封装腔体内的真空度，真空检测器件由多折叠梁(1)、固定梳齿(2)和(3)、可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)、阻尼墙(7)、衬底(8)、锚点(9)和焊盘(10)组成。固定梳齿(2)和可动梳齿(4)组成驱动梳齿，固定梳齿(3) 和可动梳齿(5)组成检测梳齿。传动梁(6)连接可动梳齿(4)、(5)和多折叠梁(1)。多折叠梁(1) 位于传动梁(6)的两侧。阻尼墙(7)布置在多折叠梁(1)附近以增强压膜阻尼。固定梳齿(2)和(3)、阻尼墙(7)竖立在衬底(8)上。可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)、多折叠梁(1)悬浮在衬底(8) 上方，并通过多折叠梁(1)上的锚点(9)支撑在衬底(8)上。

本发明所涉及的基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件的检测机理：当在驱动梳齿上施加交流电信号时，在固定梳齿(2)和可动梳齿(4)间产生交变的静电力。在静电力的驱动下，多折叠梁(1)、可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)组成的活动部分在面内往返运动。当输入交流电压的频率达到一定值时梳齿谐振器发生谐振。不同真空度下，多折叠梁梳齿谐振器的品质因数不同，通过测量品质因数，可获得真空封装腔体内的真空度。

为提高测量灵敏度，减小可检测的最小压力和漏率，本发明所采用的技术方案是：在多折叠梁(1) 附近设置阻尼墙(7)，增加了梳齿谐振器的压膜阻尼，提高检测灵敏度。

本发明所涉及的基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件通过以下基本工艺步骤实现：

1)原始材料是双面抛光硅片，在硅片表面制作绝缘层(11)。

2)在绝缘层(11)上制作二氧化硅或磷硅玻璃，作为牺牲层(12)。

3)光刻固定梳齿(2)和(3)、阻尼墙(7)、锚点(9)以及焊盘(10)图形，刻蚀图形区的牺牲层(12)，暴露出绝缘层(11)。

4)沉积多晶硅，掺杂，形成结构层(13)。

5)光刻，刻蚀出多折叠梁(1)、固定梳齿(2)和(3)、可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)、阻尼墙(7)、锚点(9)以及焊盘(10)结构。

6)氢氟酸腐蚀牺牲层(12)，释放多折叠梁(1)、可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)，使其悬浮在衬底(8)上方。

本发明所涉及基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件结构及其制作方法的优点在于：在多折叠梁 (1)附近布置的阻尼墙(7)增大了梳齿谐振器的压膜阻尼，从而提高了测量灵敏度，减小可检测的最小压力和漏率。

附图说明

图1为本发明所涉及的基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件的结构示意图。

图2为本发明所涉及的基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件沿图1中AA′视角的制作工艺流程图。

1-多折叠支撑梁 2，3-固定梳齿 4，5-可动梳齿

6-传动梁 7-阻尼墙 8-衬底

9-锚点 10-焊盘 11-绝缘层

12-牺牲层 13-结构层

具体实施方式

下面结合附图2和实施例1对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。

实施例1：利用本发明所提供的制作工艺步骤制作一种基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件，其制作工艺步骤如下：

1)原始材料是(100)面、双面抛光硅片。热氧化法制作厚度为1.0微米的二氧化硅薄膜，低压化学气相沉积法在二氧化硅薄膜上制作厚度为0.3微米的氮化硅薄膜，二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜组成绝缘层 (11)。(见附图2[1])

2)在绝缘层(11)上通过低压化学气相沉积法制作厚度为2微米的二氧化硅，作为牺牲层(12)。(见附图2[2])

3)光刻固定梳齿(2)和(3)、阻尼墙(7)、锚点(9)以及焊盘(10)图形，感应耦合等离子刻蚀牺牲层(12)直至绝缘层(11)。(见附图2[3])

4)低压化学气相沉积法沉积一层厚度为15微米的多晶硅，掺杂，形成结构层(13)。(见附图2[4])

5)光刻，感应耦合等离子刻蚀出多折叠梁(1)、固定梳齿(2)和(3)、可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)、阻尼墙(7)、锚点(9)以及焊盘(10)结构。(见附图2[5])

6)氢氟酸腐蚀牺牲层(12)，释放多折叠梁(1)、可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)，使其悬浮在衬底(8)上方。(见附图2[6])。

Claims (3)

1.一种基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件结构及制作方法，其特征在于：所述的基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件由多折叠梁(1)、固定梳齿(2)和(3)、可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)、阻尼墙(7)、衬底(8)、锚点(9)和焊盘(10)组成，固定梳齿(2)和可动梳齿(4)组成驱动梳齿，固定梳齿(3)和可动梳齿(5)组成检测梳齿，传动梁(6)连接可动梳齿(4)、(5)和多折叠梁(1)，多折叠梁(1)位于传动梁(6)的两侧，阻尼墙(7)位于多折叠梁(1)附近，固定梳齿(2)和(3)、阻尼墙(7)竖立在衬底(8)上，可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)、多折叠梁(1)悬浮在衬底(8)上方，并通过多折叠梁(1)上的锚点(9)支撑在衬底(8)上。

2.根据权利要求1所述的基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件结构及制作方法，其特征在于：在多折叠梁(1)附近布置的阻尼墙(7)增大了梳齿谐振器的压膜阻尼，从而提高了测量真空度的灵敏度。

3.根据权利要求1所述的基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件结构及制作方法，其特征在于：基于多折叠梁梳齿谐振器的真空检测器件通过以下基本工艺步骤制作：

1)原始材料是双面抛光硅片，在硅片表面制作绝缘层(11)；

2)在绝缘层(11)上制作二氧化硅或磷硅玻璃，作为牺牲层(12)；

3)光刻固定梳齿(2)和(3)、阻尼墙(7)、锚点(9)以及焊盘(10)图形，刻蚀图形区的牺牲层(12)，暴露出绝缘层(11)；

4)沉积多晶硅，掺杂，形成结构层(13)；

5)光刻，刻蚀出多折叠梁(1)、固定梳齿(2)和(3)、可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)、阻尼墙(7)、锚点(9)以及焊盘(10)结构；

6)氢氟酸腐蚀牺牲层(12)，释放多折叠梁(1)、可动梳齿(4)和(5)、传动梁(6)，使其悬浮在衬底(8)上方。