CN110887977A - 一种纳米级压阻式加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，所述纳米级压阻式加速度传感器包括矩形外框、设于所述矩形外框中心的质量块、与所述矩形外框的边部平行的敏感梁、与所述矩形外框的边部垂直的内支撑梁、和设于所述敏感梁上的压敏电阻；制备过程中以5层SOI硅片为基础，采用电子束光刻法直接画出压敏电阻图形，从而压敏电阻的大小缩小到了纳米级范围。与现有技术相比，本发明具有传感器体积小重量轻可靠性高等优点，为更加紧凑、轻便和高性能的三轴加速度传感器。

Description

一种纳米级压阻式加速度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种纳米级压阻式加速度传感器及其制备方法。
背景技术
加速度传感器通过附着到要测量的物体来测量加速度。作为一般应用，已经开发了用于汽车安全气囊的单轴和双轴加速度传感器。在运动领域还有许多其他应用领域中也有应用，例如：在高尔夫挥杆评估系统中、产品出厂时的振动测量以及乘坐舒适性评估中。另外，由于微机械加工技术的发展，通过使用硅的半导体工艺已经促进了诸如低成本，轻量化和改进的可靠性的高性能的发展。并且随着这一发展，正在进行三轴加速度计的研究以进一步小型化。但是，将来还需要将更加超小型传感器安装在集成设备或精细信息收集设备上。因此使用基于半导体工艺技术的精细加工技术，使压阻3轴加速度计超小且高度灵敏，显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的尺寸不够微型化、灵敏度不够的缺陷而提供一种纳米级压阻式加速度传感器及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，上述纳米级压阻式加速度传感器包括矩形外框、设于所述矩形外框中心的质量块、与所述矩形外框的边部平行的敏感梁、与所述矩形外框的边部垂直的内支撑梁、和设于所述敏感梁上的压敏电阻，包括以下步骤：
步骤S1：提供5层SOI硅片；
步骤S2：对所述SOI硅片进行双边热氧化，使SOI硅片的正面和背面均生成热氧二氧化硅层；
步骤S3：在步骤S2得到的SOI硅片上旋涂光刻胶，用电子束在光刻胶上画出压敏电阻图形；
步骤S4：在步骤S3得到的SOI硅片的二氧化硅层上刻蚀除去压敏电阻图形对应区域的二氧化硅，暴露出硅层，在暴露的硅层表面进行硼离子掺杂，掺杂完成后在暴露的硅层表面形成二氧化硅保护层，并除去表面光刻胶；
步骤S5：在步骤S4得到的SOI硅片表面旋涂光刻胶，显影后用反离子刻蚀工艺刻蚀二氧化硅保护层暴露出压敏电阻的连接部；
步骤S6：在步骤S5得到的SOI硅片上真空沉积金属层，并且金属层与压敏电阻的连接部接触，光刻出金属引线的形状，作为电极；
步骤S7：对步骤S6得到的SOI硅片烧结处理使压敏电阻的Si和铝之间形成欧姆连接；
步骤S8：在步骤S7得到的SOI硅片进行刻蚀释放出质量块、敏感梁、支撑梁和矩形外框，得到所述纳米级压阻式加速度传感器。
所述步骤S3具体为：
将步骤S2得到的SOI硅片清洗、烘干处理，旋涂光刻胶，一次烘烤后采用电子束进行曝光，曝光后进行二次烘烤，曝光完成后使用显影液浸泡SOI硅片，显影完成后清洗SOI硅片，进行三次烘烤。
所述光刻胶为使用SAL601-SR2光刻胶，旋涂光刻胶时分步旋涂光刻胶，第一次在900rpm～1000rpm的转速下旋涂4～6秒，第二次在4500rpm～5500rpm的转速下旋涂20～30秒；所述电子束的产生条件为电流值为-45pA～-55pA，表面电荷为110μC/cm2～130μC/cm2，线电荷为5μC/cm2～15μC/cm2，物镜孔径为1，所述显影液为SAL显影液，将二次烘烤的SOI硅片在显影液中分步浸泡，第一次浸泡1～2分钟，取出SOI硅片等待5～6分钟，进行第二次浸泡5～6分钟。
一次烘烤的条件为100℃～110℃预烤50～70秒，二次烘烤的条件为95℃～100℃烘烤50～60秒，三次烘烤的条件为130℃～150℃烘烤3～7分钟；清洗SOI硅片时采用去离子水冲洗SOI硅片2～4分钟。
要在显影后得到所要的压敏电阻图形，关键在于第二次烘烤的时间和温度，尽量保持温度在95℃～100℃之间，烘烤时间为50～60秒，可以通过逐步改变温度和时间来获得最佳的条件。因为温度的过高、时间的过长，都可能会因为邻近效应而产生热扩散从而导致显影剂无法去除光刻胶。
优选为：第一次在1000rpm的转速下旋涂5秒，第二次在5000rpm的转速下旋涂25秒；所述电子束的产生条件为电流值为-50pA，表面电荷为120μC/cm2，线电荷为10μC/cm2，物镜孔径为1，所述显影液为SAL显影液，将二次烘烤的SOI硅片在显影液中分步浸泡，第一次浸泡1分钟，取出SOI硅片等待5分钟，进行第二次浸泡6分钟。
一次烘烤的条件为105℃预烤5秒，二次烘烤的条件为97℃烘烤50秒，三次烘烤的条件为140℃预烤5分钟；清洗SOI硅片时采用去离子水冲洗SOI硅片2分钟
所述步骤S5中，反离子刻蚀工艺中刻蚀气体为SF6，刻蚀气体的流量为20ml/min～50ml/min，压强为0.03～0.1托，刻蚀电压为90V～110V，刻蚀时间为20～40秒。
优选地，刻蚀气体的流量为30ml/min，压强为0.05托，刻蚀电压为100V，刻蚀时间为30秒。
所述步骤S6具体为：
采用真空蒸发工艺将金属气相沉积在SOI硅片的表面形成金属层；
将OFPR800 20cp旋涂在SOI硅片设有压敏电阻一侧的表面上，第一次在900rpm～1100rpm的转速下旋涂3～7秒，第二次在3500rpm～4500rpm的转速下旋涂20～40秒；旋涂完成后在100℃～120℃预烤80～100秒；采用UV曝光1～2秒，用显影液NMD3浸泡显像1～3分钟，最后用去离子水冲洗后烘干处理，光刻胶上形成金属引线图案；
步骤S6的优选工艺参数为：将OFPR800 20cp旋涂在SOI硅片设有压敏电阻一侧的表面上，第一次在1000rpm的转速下旋涂5秒，第二次在4000rpm的转速下旋涂30秒；旋涂完成后在110℃预烤90秒；采用UV曝光1.3秒，用显影液NMD3浸泡显像2分钟，最后用去离子水冲洗2分钟。
采用金属蚀刻剂对表面具有金属引线图案的SOI硅片进行刻蚀，用水冲洗后将光刻胶剥离，加工出金属引线。
所述金属层为铝层，所述金属蚀刻剂为磷酸，硝酸和乙酸混合而成的铝蚀刻剂。
所述步骤S7中烧结处理的条件为在N2气氛中400℃～500℃下烧结8-12分钟，形成Al-Si合金。
优选地，烧结处理的条件为在N2气氛中450℃下烧结10分钟，形成Al-Si合金。
采用上述制备方法得到的纳米级压阻式加速度传感器中所述敏感梁的两端与所述矩形外框连接，所述内支撑梁的两端分别与所述质量块和敏感梁连接，所述敏感梁和质量块之间、敏感梁和矩形外框之间形成镂空结构；所述敏感梁包括与X方向平行的两个第一敏感梁和与Y方向平行的两个第二敏感梁；其中，X方向和Y方向相互垂直并且与所述矩形外框所在的平面平行，Z方向与矩形外框所在的平面垂直；
所述第一敏感梁的两端分别设有两个并排放置压敏电阻，其中与所述质量块边部距离相等的四个压敏构成惠斯通全桥电路用于测量X方向加速度，另外四个压敏电阻分别与构成两个惠斯通半桥电路用于测量Z方向加速度；
所述第二敏感梁的两端分别设有一个压敏电阻，位于第二敏感梁上的四个压敏电阻构成惠斯通全桥电路测量Y方向加速度。
所述矩形外框的长度为150μm、宽度为150μm；所述质量块的长度为100μm、宽度为100μm、厚度为400μm；所述敏感梁的长度为100μm、宽度为5μm、厚度为2μm；所述压敏电阻为U型电阻，该U型电阻的两个端部之间间隔200nm，端部的实心部分长度为100nm；所述压敏电阻为U型电阻，该U型电阻的两个端部之间间隔200nm，端部的实心部分长度为100nm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的制备方法中采用电子束直接画出压敏电阻，采用电子束光刻技术，该技术精度高，这样把压敏电阻的大小缩小到了纳米级范围，大大缩小了传感器的体积，从最终传感器的尺寸可以看出，本申请最终的传感器矩形外框仅为150μm，直接将传感器的尺寸由毫米级缩小为微米级；本发明的传感器体积小重量轻可靠性高；
(2)通过使用多层SOI硅片并结合MEMS技术来制备三轴加速度传感器，这样的传感器不仅能够测量三个方向上的加速度，并且具有比较良好的灵敏度，这是因为该传感器为纳米级别，可以检测得到很微小的加速度，因此其灵敏度较高；
(3)发明开发了紧凑、轻便和高性能的三轴加速度传感器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的压敏电阻分布位置示意图；
图3为本发明中压敏电阻和金属引线构成的压敏电阻元件的结构示意图；
图4为本发明中压敏电阻的结构示意图；
图5为本发明的制备过程示意图；
图中，1为矩形外框，2为压敏电阻元件，3为质量块，4为敏感梁，4-1为第一敏感梁，4-2为第二敏感梁，5为内支撑梁，6为镂空部分，7为压敏电阻，7-1为压敏电阻一，7-7为压敏电阻二，7-3为压敏电阻三，7-4为压敏电阻四，7-5为压敏电阻五，7-6为压敏电阻六，7-7为压敏电阻七，7-8为压敏电阻八，7-9为压敏电阻九，7-10为压敏电阻十，7-11为压敏电阻十一，7-17为压敏电阻十二，8为金属引线，9为SOI硅片，10为热氧二氧化硅层，11为光刻胶，12为压敏电阻图形，13为二氧化硅保护层，14为压敏电阻的连接部。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种纳米级压阻式加速度传感器，如图1所示，包括矩形外框1、设于矩形外框1中心的质量块3、与矩形外框1的边部平行的敏感梁4、与矩形外框1的边部垂直的内支撑梁5、和设于敏感梁4上的压敏电阻元件，压敏电阻元件包括压敏电阻7和金属引线8，敏感梁4的两端与矩形外框1连接，内支撑梁5的两端分别与质量块3和敏感梁4连接，敏感梁4和质量块3之间、敏感梁4和矩形外框1之间形成镂空结构6；定义X方向和Y方向相互垂直并且与矩形外框1所在的平面平行，Z方向与矩形外框1所在的平面垂直；敏感梁4包括与X方向平行的两个第一敏感梁4-1和与Y方向平行的两个第二敏感梁4-2；其中，如图2所示，黑色的矩形部分就是压敏电阻元件的放置具体位置，第一敏感梁4-1的两端分别设有两个并排放置压敏电阻7，第一敏感梁4-1上一共设有八个压敏电阻，分别为压敏电阻五7-5，压敏电阻六7-6，压敏电阻七7-7，压敏电阻八7-8，压敏电阻九7-9，压敏电阻十7-10，第压敏电阻十一7-11，压敏电阻十二7-12，其中压敏电阻五7-5、压敏电阻八7-8、压敏电阻九7-9、压敏电阻十二7-12构成惠斯通全桥电路用于测量X方向加速度，另外四个压敏电阻中，7-7和7-10串联，7-6与7-11串联，分别串联起来后再构成惠斯通半桥电路，用于测量Z方向加速度；第二敏感梁4-2的两端分别设有一个压敏电阻7，位于第二敏感梁4-2上的四个压敏电阻7，即压敏电阻一7-1，压敏电阻二7-2，压敏电阻三7-3，压敏电阻四7-4构成惠斯通全桥电路用于测量Y方向加速度。本发明是三轴加速度传感器，所以可以测量X.Y.Z方向上的加速度，因此在三个方向上都配备有四个电阻，其中X.Y方向的电阻构成惠斯通全桥电路，Z方向的构成惠斯通半桥电路来进行测量。
本发明的纳米级压阻式加速度传感器为正方形结构，外框的尺寸为长×宽＝150μm×150μm，质量块的尺寸长×宽×厚度＝100×100×400[μm3]，竖直悬臂梁的尺寸长×宽×厚度＝100×5×2[μm3]。
如图3所示，压敏电阻元件2为总边长为21μm的正方形，包括压敏电阻7和与压敏电阻拦截的金属引线8，如图4所示，压敏电阻7为U形结构，U形电阻边长为400nm，中间U形镂空部分为200nm，U形梁部分为100nm，因此用电子束所绘制出来的电阻是在纳米级别的，因此也可以很好地降低我们所设计的传感器的体积和质量。
如图5所示，本实施例的纳米级压阻式加速度传感器加工方法包括以下步骤：
步骤S1：如图5(a)所示，提供一个5层方形SOI硅片9作为传感器本体的基板，并且对基板洗净，方形SOI的硅片厚度为8.65μm，；
步骤S2：如图5(b)所示，对步骤S1中的SOI硅片9对SOI硅片9进行双面热氧化，使SOI硅片9的正面和背面均生成热氧二氧化硅层10，热氧化是进行的干式氧化，热氧化条件：所通气体为氧气，流量为3.2l/min，温度为1100℃，时间为120min；
步骤S3：如图5(c)所示，在步骤S2中所形成的SOI硅片9旋涂光刻胶11，用电子束(EB)在光刻胶上直接画出压敏电阻图形12，具体为将步骤S2中所形成的硅片清洗烘干处理，首先使用SAL601-SR2光刻胶，第一次在1000rpm的转速下旋涂5秒，第二次在5000rpm的转速下旋涂25秒，并在105℃中预烤60秒，之后在电流值为-50pA，表面电荷为120μC/cm2，线电荷为10μC/cm2，物镜孔径为1的条件下对电阻元件所在的位置进行曝光，曝光后在97℃下烘烤50秒，曝光完成后再使用SAL专用显影液浸泡硅片，第一次浸泡1分钟，第二次浸泡6分钟，显影完成后用纯净水冲洗2分钟，最后在140℃洗烘烤5分钟；；
步骤S4：如图5(d)所示，在步骤S3中形成的硅片上刻蚀掉对应压敏电阻图形区域的二氧化硅层，然后在露出的硅面上进行硼离子掺杂，并在此处理后还给硅面形成一层二氧化硅保护层13，具体为二氧化硅薄膜保护层；
步骤S5：如图5(e)所示，在步骤S5所形成的硅片上旋涂光刻胶，用RIE(反离子刻蚀)技术，在气体为SF6，流量为30ml/min，电压为100V，压强为0.05托的环境下，处理30秒将压敏电阻的连接部14刻蚀出来5；
步骤S6：如图5(f)所示，在步骤S6所形成的硅片上真空沉积(Al铝)，通过UV(紫外线)来曝光光刻胶，接着通过使用光刻胶上的图案作为掩模蚀刻出铝的金属引线8图案，形成电极；
具体为：首先用真空蒸发系统将铝沉积在多层基板上，将直径为0.05mm，纯度为99.98％的铝线在20cm下在65A下气相沉积1分钟，接着再用光刻法形成电极光刻胶图案，在基板洗净烘干的条件下使用OFPR800 20cp旋涂在基板表面上，第一次在1000rpm的转速下旋涂5秒，第二次在4000rpm的转速下旋涂30秒，接着在110℃预烤90秒后用UV曝光1.3秒，曝光时使用的双面掩膜对准器为PEM-800，再用显像液NMD3显像2分钟，最后用纯水冲洗2分钟后烘干，形成光刻胶图案；形成光刻胶图案后再用将磷酸(H3PO4)，硝酸(HNO3)和乙酸(CH3COOH)的混合物作为蚀刻剂放入铝蚀刻剂中10分钟，然后用纯水冲洗10分钟。接下来，将光刻胶剥离溶液106加热至90℃，并且在5分钟的条件下剥离光刻胶图案。
步骤S7：烧结铝，通过在N2气氛中在450℃下烧结10分钟来形成Al-Si合金，以使铝和Si之间形成欧姆接触；
步骤S8：在步骤S7中形成的SOI硅片9上，进行正面刻蚀直至刻蚀至SOI埋氧层(从上数第1个埋氧层)的正面，从而释放出质量块、敏感梁、支撑梁和外框的正面结构；
步骤S9：在步骤S8中形成的SOI硅片9上，进行背面刻蚀直至刻蚀至SOI埋氧层(从上数第2个埋氧层)的背面，从而释放出质量块、敏感梁、支撑梁和外框的背面结构；
步骤S10：如图5(g)所示，在步骤S9中形成的SOI硅片9上，将质量块、敏感梁、支撑梁和外框对应以外的埋氧层刻蚀掉，得到上述结构的纳米级压阻式加速度传感器。
实施例2
一种纳米级压阻式加速度传感器，该传感器的结构与实施例1相同，不同之处在于制备过程的具体工艺参数：
本实施例的纳米级压阻式加速度传感器加工方法包括以下步骤：
步骤S1：如图5(a)所示，提供一个5层方形SOI硅片9作为传感器本体的基板，并且对基板洗净，方形SOI的硅片厚度为8.65μm，；
步骤S2：如图5(b)所示，对步骤S1中的SOI硅片9对SOI硅片9进行双面热氧化，使SOI硅片9的正面和背面均生成热氧二氧化硅层10，热氧化是进行的干式氧化，热氧化条件：所通气体为氧气，流量为3.2l/min，温度为1100℃，时间为120min；
步骤S3：如图5(c)所示，在步骤S2中所形成的SOI硅片9旋涂光刻胶11，用电子束(EB)在光刻胶上直接画出压敏电阻图形12，具体为将步骤S2中所形成的硅片清洗烘干处理，首先使用SAL601-SR2光刻胶，第一次在900rpm的转速下旋涂4秒，第二次在4500rpm的转速下旋涂20秒，并在100℃中预烤50秒，之后在电流值为-45pA，表面电荷为110μC/cm2，线电荷为5μC/cm2，物镜孔径为1的条件下对电阻元件所在的位置进行曝光，曝光后在95℃下烘烤50秒，曝光完成后再使用SAL专用显影液浸泡硅片，第一次浸泡1分钟，取出SOI硅片等待5分钟，第二次浸泡5分钟，显影完成后用纯净水冲洗2分钟，最后在140℃洗烘烤5分钟；；
步骤S4：如图5(d)所示，在步骤S3中形成的硅片上刻蚀掉对应压敏电阻图形区域的二氧化硅层，然后在露出的硅面上进行硼离子掺杂，并在此处理后还给硅面形成一层二氧化硅保护层13，具体为二氧化硅薄膜保护层；
步骤S5：如图5(e)所示，在步骤S5所形成的硅片上旋涂光刻胶，用RIE(反离子刻蚀)技术，在气体为SF6，流量为20ml/min，电压为90V，压强为0.03托的环境下，处理20秒将压敏电阻的连接部14刻蚀出来5；
步骤S6：如图5(f)所示，在步骤S6所形成的硅片上真空沉积(Al铝)，通过UV(紫外线)来曝光光刻胶，接着通过使用光刻胶上的图案作为掩模蚀刻出铝的金属引线8图案，形成电极；
具体为：首先用真空蒸发系统将铝沉积在多层基板上，将直径为0.05mm，纯度为99.98％的铝线在20cm下在65A下气相沉积1分钟，接着再用光刻法形成电极光刻胶图案，在基板洗净烘干的条件下使用OFPR800 20cp旋涂在基板表面上，第一次在900rpm的转速下旋涂3秒，第二次在3500rpm的转速下旋涂20秒，接着在100℃预烤80秒后用UV曝光1秒，曝光时使用的双面掩膜对准器为PEM-800，再用显像液NMD3显像1分钟，最后用纯水冲洗2分钟后烘干，形成光刻胶图案；形成光刻胶图案后再用将磷酸(H3PO4)，硝酸(HNO3)和乙酸(CH3COOH)的混合物作为蚀刻剂放入铝蚀刻剂中10分钟，然后用纯水冲洗10分钟。接下来，将光刻胶剥离溶液106加热至90℃，并且在5分钟的条件下剥离光刻胶图案。
步骤S7：烧结铝，通过在N2气氛中在400℃下烧结12分钟来形成Al-Si合金，以使铝和Si之间形成欧姆接触；
步骤S8：在步骤S7中形成的SOI硅片9上，进行正面刻蚀直至刻蚀至SOI埋氧层(从上数第1个埋氧层)的正面，从而释放出质量块、敏感梁、支撑梁和外框的正面结构；
步骤S9：在步骤S8中形成的SOI硅片9上，进行背面刻蚀直至刻蚀至SOI埋氧层(从上数第2个埋氧层)的背面，从而释放出质量块、敏感梁、支撑梁和外框的背面结构；
步骤S10：如图5(g)所示，在步骤S9中形成的SOI硅片9上，将质量块、敏感梁、支撑梁和外框对应以外的埋氧层刻蚀掉，得到上述结构的纳米级压阻式加速度传感器。
实施例3
一种纳米级压阻式加速度传感器，该传感器的结构与实施例1相同，不同之处在于制备过程的具体工艺参数：
本实施例的纳米级压阻式加速度传感器加工方法包括以下步骤：
步骤S1：如图5(a)所示，提供一个5层方形SOI硅片9作为传感器本体的基板，并且对基板洗净，方形SOI的硅片厚度为8.65μm，；
步骤S2：如图5(b)所示，对步骤S1中的SOI硅片9对SOI硅片9进行双面热氧化，使SOI硅片9的正面和背面均生成热氧二氧化硅层10，热氧化是进行的干式氧化，热氧化条件：所通气体为氧气，流量为3.2l/min，温度为1100℃，时间为120min；
步骤S3：如图5(c)所示，在步骤S2中所形成的SOI硅片9旋涂光刻胶11，用电子束(EB)在光刻胶上直接画出压敏电阻图形12，具体为将步骤S2中所形成的硅片清洗烘干处理，首先使用SAL601-SR2光刻胶，第一次在1000rpm的转速下旋涂6秒，第二次在5500rpm的转速下旋涂30秒，并在110℃中预烤70秒，之后在电流值为-55pA，表面电荷为130μC/cm2，线电荷为15μC/cm2，物镜孔径为1的条件下对电阻元件所在的位置进行曝光，曝光后在100℃下烘烤60秒，曝光完成后再使用SAL专用显影液浸泡硅片，第一次浸泡2分钟，取出SOI硅片等待6分钟，第二次浸泡6分钟，显影完成后用纯净水冲洗4分钟，最后在140℃洗烘烤5分钟；；
步骤S4：如图5(d)所示，在步骤S3中形成的硅片上刻蚀掉对应压敏电阻图形区域的二氧化硅层，然后在露出的硅面上进行硼离子掺杂，并在此处理后还给硅面形成一层二氧化硅保护层13，具体为二氧化硅薄膜保护层；
步骤S5：如图5(e)所示，在步骤S5所形成的硅片上旋涂光刻胶，用RIE(反离子刻蚀)技术，在气体为SF6，流量为50ml/min，电压为110V，压强为0.1托的环境下，处理40秒将压敏电阻的连接部14刻蚀出来5；
步骤S6：如图5(f)所示，在步骤S6所形成的硅片上真空沉积(Al铝)，通过UV(紫外线)来曝光光刻胶，接着通过使用光刻胶上的图案作为掩模蚀刻出铝的金属引线8图案，形成电极；
具体为：首先用真空蒸发系统将铝沉积在多层基板上，将直径为0.05mm，纯度为99.98％的铝线在20cm下在65A下气相沉积1分钟，接着再用光刻法形成电极光刻胶图案，在基板洗净烘干的条件下使用OFPR800 20cp旋涂在基板表面上，第一次在1100rpm的转速下旋涂7秒，第二次在4500rpm的转速下旋涂40秒，接着在120℃预烤100秒后用UV曝光2秒，曝光时使用的双面掩膜对准器为PEM-800，再用显像液NMD3显像3分钟，最后用纯水冲洗2分钟后烘干，形成光刻胶图案；形成光刻胶图案后再用将磷酸(H3PO4)，硝酸(HNO3)和乙酸(CH3COOH)的混合物作为蚀刻剂放入铝蚀刻剂中10分钟，然后用纯水冲洗10分钟。接下来，将光刻胶剥离溶液106加热至90℃，并且在5分钟的条件下剥离光刻胶图案。
步骤S7：烧结铝，通过在N2气氛中在500℃下烧结8分钟来形成Al-Si合金，以使铝和Si之间形成欧姆接触；
步骤S8：在步骤S7中形成的SOI硅片9上，进行正面刻蚀直至刻蚀至SOI埋氧层(从上数第1个埋氧层)的正面，从而释放出质量块、敏感梁、支撑梁和外框的正面结构；
步骤S9：在步骤S8中形成的SOI硅片9上，进行背面刻蚀直至刻蚀至SOI埋氧层(从上数第2个埋氧层)的背面，从而释放出质量块、敏感梁、支撑梁和外框的背面结构；
步骤S10：如图5(g)所示，在步骤S9中形成的SOI硅片9上，将质量块、敏感梁、支撑梁和外框对应以外的埋氧层刻蚀掉，得到上述结构的纳米级压阻式加速度传感器。
实施例1～3中，步骤S8和S9中质量块、敏感梁、支撑梁和外框的释放可以参照现有技术中的方法进行，例如中国专利CN 110207864A中的释放过程，属于现有技术，本专利中不再赘述。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，所述纳米级压阻式加速度传感器包括矩形外框(1)、设于所述矩形外框(1)中心的质量块(3)、与所述矩形外框(1)的边部平行的敏感梁(4)、与所述矩形外框(1)的边部垂直的内支撑梁(5)、和设于所述敏感梁(4)上的压敏电阻元件(2)，所述压敏电阻元件(2)包括压敏电阻(7)和金属引线(8)，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供5层SOI硅片(9)；
步骤S2：对所述SOI硅片(9)进行双边热氧化，使SOI硅片(9)的正面和背面均生成热氧二氧化硅层(10)；
步骤S3：在步骤S2得到的SOI硅片(9)上旋涂光刻胶(11)，用电子束在光刻胶(11)上画出压敏电阻图形(12)；
步骤S4：在步骤S3得到的SOI硅片(9)的二氧化硅层上刻蚀除去压敏电阻图形(12)对应区域的二氧化硅，暴露出硅层，在暴露的硅层表面进行硼离子掺杂，掺杂完成后在暴露的硅层表面形成二氧化硅保护层(13)，并除去表面光刻胶(11)；
步骤S5：在步骤S4得到的SOI硅片(9)表面旋涂光刻胶，显影后用反离子刻蚀工艺刻蚀二氧化硅保护层(13)暴露出压敏电阻的连接部(14)；
步骤S6：在步骤S5得到的SOI硅片(9)上真空沉积金属层，并且金属层与压敏电阻的连接部(14)接触，光刻出金属引线(8)的形状，作为电极；
步骤S7：对步骤S6得到的SOI硅片(9)烧结处理使压敏电阻(7)的Si和铝之间形成欧姆连接；
步骤S8：在步骤S7得到的SOI硅片(9)进行刻蚀释放出质量块(3)、敏感梁(4)、支撑梁(5)和矩形外框(1)，得到所述纳米级压阻式加速度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
将步骤S2得到的SOI硅片(9)清洗、烘干处理，旋涂光刻胶，一次烘烤后采用电子束进行曝光，曝光后进行二次烘烤，曝光完成后使用显影液浸泡SOI硅片(9)，显影完成后清洗SOI硅片(9)，进行三次烘烤。
3.根据权利要求2所述的一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述光刻胶为使用SAL601-SR2光刻胶，旋涂光刻胶时分步旋涂光刻胶，第一次在900rpm～1100rpm的转速下旋涂4～6秒，第二次在4800rpm～5100rpm的转速下旋涂20～30秒；所述电子束的产生条件为电流值为-45pA～-55pA，表面电荷为110μC/cm2～130μC/cm2，线电荷为5μC/cm2～15μC/cm2，物镜孔径为1，所述显影液为SAL显影液，将二次烘烤的SOI硅片(9)在显影液中分步浸泡，第一次浸泡1～2分钟，取出SOI硅片(9)等待5～6分钟，进行第二次浸泡5～6分钟。
4.根据权利要求2所述的一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，其特征在于，一次烘烤的条件为100℃～110℃预烤50～70秒，二次烘烤的条件为95℃～100℃烘烤50～60秒，三次烘烤的条件为130℃～150℃烘烤3～7分钟；清洗SOI硅片(9)时采用去离子水冲洗SOI硅片(9)2～4分钟。
5.根据权利要求1所述的一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，反离子刻蚀工艺中刻蚀气体为SF6，刻蚀气体的流量为20ml/min～50ml/min，压强为0.03～0.1托，刻蚀电压为90V～110V，刻蚀时间为20～40秒。
6.根据权利要求1所述的一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：
采用真空蒸发工艺将金属气相沉积在SOI硅片(9)的表面形成金属层；
将OFPR800 20cp旋涂在SOI硅片(9)设有压敏电阻(7)一侧的表面上，第一次在900rpm～1100rpm的转速下旋涂3～7秒，第二次在3500rpm～4500rpm的转速下旋涂20～40秒；旋涂完成后在100℃～120℃预烤80～100秒；采用UV曝光1～2秒，用显影液NMD3浸泡显像1～3分钟，最后用去离子水冲洗后烘干处理，光刻胶上形成金属引线(8)图案；
采用金属蚀刻剂对表面具有金属引线(8)图案的SOI硅片(9)进行刻蚀，用水冲洗后将光刻胶剥离，加工出金属引线(8)。
7.根据权利要求1所述的一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述金属层为铝层，所述金属蚀刻剂为磷酸，硝酸和乙酸混合而成的铝蚀刻剂。
8.根据权利要求1所述的一种纳米级压阻式加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S7中烧结处理的条件为在N2气氛中400℃～500℃下烧结8-12分钟，形成Al-Si合金。
9.一种采用权利要求1所述制备方法得到的纳米级压阻式加速度传感器，其特征在于，
该纳米级压阻式加速度传感器中所述敏感梁(4)的两端与所述矩形外框(1)连接，所述内支撑梁(5)的两端分别与所述质量块(3)和敏感梁(4)连接，所述敏感梁(4)和质量块(3)之间、敏感梁(4)和矩形外框(1)之间形成镂空结构(6)；所述敏感梁(4)包括与X方向平行的两个第一敏感梁(4-1)和与Y方向平行的两个第二敏感梁(4-2)；其中，X方向和Y方向相互垂直并且与所述矩形外框(1)所在的平面平行，Z方向与矩形外框(1)所在的平面垂直；
所述第一敏感梁(4-1)的两端分别设有两个并排放置压敏电阻(7)，其中与所述质量块(3)边部距离相等的四个压敏构成惠斯通全桥电路用于测量X方向加速度，另外四个压敏电阻(7)构成惠斯通半桥电路用于测量Z方向加速度；
所述第二敏感梁(4-2)的两端分别设有一个压敏电阻(7)，位于第二敏感梁(4-2)上的四个压敏电阻(7)构成惠斯通全桥电路测量Y方向加速度。
10.根据权利要求9所述的一种纳米级压阻式加速度传感器，其特征在于，所述矩形外框(1)的长度为150μm、宽度为150μm；所述质量块(3)的长度为100μm、宽度为100μm、厚度为400μm；所述敏感梁的长度为100μm、宽度为5μm、厚度为2μm；所述压敏电阻(7)为U型电阻，该U型电阻的两个端部之间间隔200nm，端部的实心部分长度为100nm。
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