一种抗高g值冲击的梳齿微加速度计及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器设计制备技术及抗冲击技术领域,涉及一种抗高g值冲击的梳齿微加速度计及其制备方法。
背景技术
微机械加速度计是MEMS惯性传感器中一个重要的组成部分,与传统加速度计相比,微加速度计有着体积小、重量轻、成本低、与集成电路工艺兼容等优势,因此被广泛应用于汽车及消费电子等领域,但在国内军用武器及制导领域,加速度计应用过程中,往往存在精度不高、工作稳定性不够好、抗冲击较差等方面的不足,这严重制约了军工弹药武器系统的质量和效率。与其他类型微加速度计相比,电容式加速度计有着灵敏度高、分辨率高、稳定性好、可靠性高等优点,并且可实现差分形式,因此更适合于军用武器及制导领域加速度的测量。通过对梳齿电容式加速度计的结构进行设计及优化改良,将进一步提升其稳定性及抗高g值冲击能力。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供了一种抗高g值冲击的梳齿微加速度计及其制备方法,该加速度计具有高稳定性及抗高g值冲击能力,且制备过程较为简单。
为达到上述目的,本发明所述的抗高g值冲击的梳齿微加速度计包括底面层、基底以及设置于基底上的硅微加速度计器件层,其中,所述硅微加速度计器件层包括第一固定锚块、可动质量块及第二固定锚块;
第一固定锚块位于可动质量块的左侧,第二固定锚块位于可动质量块的右侧,其中,第一固定锚块与可动质量块之间设置有第一止档块及第一支撑梁,第二固定锚块与可动质量块之间设置有第二止档块及第二支撑梁;
第一支撑梁及第二支撑梁均为U型折叠结构,其中,第一支撑梁的一端固定于第一固定锚块上,第一支撑梁的另一端固定于可动质量块的左侧面上,第二支撑梁的一端固定于第二固定锚块上,第二支撑梁的另一端固定于可动质量块的右侧面上,第一止挡块固定于第一固定锚块上,且第一止挡块与可动质量块之间有间隙,第二止挡块固定于第二固定锚块上,且第二止档块与可动质量块之间有间隙。
第一支撑梁的数目为两根,其中,第一止挡块位于两根第一支撑梁之间。
第二支撑梁的数目为两根,其中,第二止档块位于两根第二支撑梁之间。
还包括第三固定锚块、第四固定锚块、第五固定锚块及第六固定锚块,其中,可动质量块的前侧固定有若干第一可动梳齿及若干第二可动梳齿,可动质量块的后侧固定有若干第三可动梳齿及第四可动梳齿,第三固定锚块及第四固定锚块位于可动质量块的后侧,第五固定锚块及第六固定锚块位于可动质量块的前侧,第三固定锚块上固定有第一固定梳齿,第四固定锚块上设置有第二固定梳齿,第五固定锚块上设置有第三固定梳齿,第六固定锚块上设置有第四固定梳齿,一个第一可动梳齿与一个第一固定梳齿相配合,一个第二可动梳齿与一个第二固定梳齿相配合,一个第三可动梳齿与一个第三固定梳齿相配合,一个第四可动梳齿与一个第四固定梳齿相配合;
第一止挡块与可动质量块之间的间距小于第一可动梳齿与第一固定梳齿之间的间距、第二可动梳齿与第二固定梳齿之间的间距、第三可动梳齿与第三固定梳齿之间的间距、第四可动梳齿与第四固定梳齿之间的间距;
第二止挡块与可动质量块之间的间距小于第一可动梳齿与第一固定梳齿之间的间距、第二可动梳齿与第二固定梳齿之间的间距、第三可动梳齿与第三固定梳齿之间的间距、第四可动梳齿与第四固定梳齿之间的间距。
第一止挡块与可动质量块之间的间距为14μm。
第二止挡块与可动质量块之间的间距为14μm。
第一固定锚块正对第三固定锚块,第二固定锚块正对第四固定锚块。
第一支撑梁的长度及第二支撑梁的长度均为550μm,第一支撑梁的宽度及第二支撑梁的宽度均为10μm,第一支撑梁两侧之间的距离及第二支撑梁两侧之间的距离均为20μm。
可动质量块上开设有若干通孔。
本发明所述抗高g值冲击的梳齿微加速度计的制备方法包括以下步骤:
1)对硅片进行清洗,将硅片进行酸洗并冲水去除有机物,然后用氢氟酸漂洗并冲水去除硅片表面的氧化层,最后再烘干;
2)将EPI680光刻胶均匀涂抹在硅片的背面,然后烘干;
3)将烘干好的硅片的背面与物理掩模版在光刻机上进行对准并进行光刻;
4)将光刻好的硅片在TMAH显影液中浸泡,烘干后利用显微镜检查硅片背面光刻图案;
5)利用ICP刻蚀机对硅片背面进行刻蚀,其中,刻蚀厚度为5μm,然后将刻蚀完成的硅片在丙酮溶液中浸泡,去除光刻胶,完成硅片背面凹槽的加工,然后通过去离子水冲洗干净,最后再烘干;
6)以BF44玻璃片作为基底,清洗BF44玻璃片,利用阳极键合技术将硅片的背面与BF44玻璃的正面键合,得硅-玻璃片;
7)对硅-玻璃片进行清洗,去除硅-玻璃片表面的杂质,并进行烘干;
8)利用PVD镀膜技术在硅片正面溅射15nm厚度的Cr及200nm厚度的Au,再用氮气吹扫清理硅-玻璃片;
9)将EPI680光刻胶均匀涂抹在硅片正面的金属层上,再烘干;
10)将烘干后的硅-玻璃片正面的金属层与物理掩模版在光刻机上进行对准并进行光刻;
11)将光刻好的硅-玻璃片在TMAH显影液中浸泡,烘干后利用显微镜检查硅-玻璃片正面光刻图案;
12)使用金腐蚀液将多余的Au腐蚀并用水冲洗,然后用Cr腐蚀液将多余的Cr腐蚀并用水冲洗,其中,仅保留引出触点上层的金属,再用氮气轻吹干;
13)将腐蚀完成的硅-玻璃片在丙酮溶液中浸泡,去除光刻胶,完成硅片正面引出触点镀金的加工,再使用去离子水冲洗,然后烘干,最后用显微镜检查触点镀金结果;
14)将AZ4620光刻胶均匀涂抹在硅-玻璃片的正面,再进行烘干;
15)将硅-玻璃片的正面与物理掩模版在光刻机上进行对准并进行光刻;
16)将光刻好的硅-玻璃片在正胶显影液中浸泡,烘干后利用显微镜检查硅-玻璃片正面光刻图案;
17)对硅-玻璃片的正面进行深硅刻蚀直至刻穿,以形成通孔;
18)将刻蚀完成的硅-玻璃片在丙酮溶液中浸泡并结合干法去胶工艺去除光刻胶,再用去离子水冲洗干净,然后烘干,再在显微镜下检查刻蚀最终结果;
19)利用PVD镀膜技术在硅-玻璃片背面溅射15nm厚度的Cr与200nm厚度的Au,然后用氮气吹扫清理硅-玻璃片,得抗高g值冲击的梳齿微加速度计。
本发明具有以下有益效果:
本发明所述的抗高g值冲击的梳齿微加速度计及其制备方法在具体操作时,可动质量块与第一支撑梁及第二支撑梁形成弹簧-振子可动结构,该弹簧-振子可动结构能够在加速度的作用下发生位移,同时第一固定锚块与可动质量块之间设置有第一止档块,第二固定锚块与可动质量块之间设置有第二止档块,其中,第一止挡块固定于第一固定锚块上,且第一止挡块与可动质量块之间有间隙,第二止挡块固定于第二固定锚块上,且第二止档块与可动质量块之间有间隙,通过第一止挡块及第二止挡块提高梳齿微加速度计的抗冲击能力,有效防止出现梳齿间的粘附问题,具有体积微小、具备应力释放能力、灵敏度高、与集成电路兼容等优点,在制备时,采用光刻技术制备而成,制备方法较为简单,易于实现。
进一步,可动质量块上开设有若干通孔,以减少可动质量块的质量,增加整个结构的固有频率,有助于提高系统的品质因素。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明中硅微加速度计器件层的结构示意图;
图3为图2中A出的放大图;
图4为第一支撑梁的结构示意图;
图5为可动梳齿与固定梳齿之间的位置关系图;
图6为用于硅片背面刻蚀凹槽的掩膜版的示意图;
图7为用于硅片正面制作欧姆接触的掩膜版的示意图;
图8为用于深硅刻蚀制作加速度计整体结构的掩膜版的示意图。
其中,1为第三固定锚块、2为第四固定锚块、3为第一固定锚块、4为第五固定锚块、5为第六固定锚块、6为可动质量块、7为第二固定锚块、8为第二支撑梁、9为第二止档块、10为底面层、11为基底。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
参考图1至图5,本发明所述的抗高g值冲击的梳齿微加速度计包括底面层10、基底11以及设置于基底11上的硅微加速度计器件层,其中,所述硅微加速度计器件层包括第一固定锚块3、可动质量块6及第二固定锚块7;第一固定锚块3位于可动质量块6的左侧,第二固定锚块7位于可动质量块6的右侧,其中,第一固定锚块3与可动质量块6之间设置有第一止档块及第一支撑梁,第二固定锚块7与可动质量块6之间设置有第二止档块9及第二支撑梁8;第一支撑梁及第二支撑梁8均为U型折叠结构,其中,第一支撑梁的一端固定于第一固定锚块3上,第一支撑梁的另一端固定于可动质量块6的左侧面上,第二支撑梁8的一端固定于第二固定锚块7上,第二支撑梁8的另一端固定于可动质量块6的右侧面上,第一止挡块固定于第一固定锚块3上,且第一止挡块与可动质量块6之间有间隙,第二止挡块固定于第二固定锚块7上,且第二止档块9与可动质量块6之间有间隙。
第一支撑梁的数目为两根,其中,第一止挡块位于两根第一支撑梁之间;第二支撑梁8的数目为两根,其中,第二止档块9位于两根第二支撑梁8之间,第一止挡块与可动质量块6之间的间距为14μm;第二止挡块与可动质量块6之间的间距为14μm。
本发明还包括第三固定锚块1、第四固定锚块2、第五固定锚块4及第六固定锚块5,其中,可动质量块6的前侧固定有若干第一可动梳齿及若干第二可动梳齿,可动质量块6的后侧固定有若干第三可动梳齿及第四可动梳齿,第三固定锚块1及第四固定锚块2位于可动质量块6的后侧,第五固定锚块4及第六固定锚块5位于可动质量块6的前侧,第三固定锚块1上固定有第一固定梳齿,第四固定锚块2上设置有第二固定梳齿,第五固定锚块4上设置有第三固定梳齿,第六固定锚块5上设置有第四固定梳齿,一个第一可动梳齿与一个第一固定梳齿相配合,一个第二可动梳齿与一个第二固定梳齿相配合,一个第三可动梳齿与一个第三固定梳齿相配合,一个第四可动梳齿与一个第四固定梳齿相配合;第一止挡块与可动质量块6之间的间距小于第一可动梳齿与第一固定梳齿之间的间距、第二可动梳齿与第二固定梳齿之间的间距、第三可动梳齿与第三固定梳齿之间的间距、第四可动梳齿与第四固定梳齿之间的间距;第二止挡块与可动质量块6之间的间距小于第一可动梳齿与第一固定梳齿之间的间距、第二可动梳齿与第二固定梳齿之间的间距、第三可动梳齿与第三固定梳齿之间的间距、第四可动梳齿与第四固定梳齿之间的间距。
考虑到工艺制作条件、工作时结构不被破坏并有较好的稳定性以及满足抗高g值冲击要求,第一支撑梁的长度及第二支撑梁8的长度均为550μm,第一支撑梁的宽度及第二支撑梁8的宽度均为10μm,第一支撑梁两侧之间的距离及第二支撑梁8两侧之间的距离均为20μm,即
表1
折叠梁长度l |
折叠梁宽度b |
折叠梁间距h |
550μm |
10μm |
20μm |
可动质量块6上开设有若干通孔,本发明采用在可动质量块6上进行开孔的方案来减小可动质量块6的质量,结合整体结构及设备深刻蚀及释放的条件,最终可动质量块6及开孔设计参数方案如表2所示。
表2
质量块大小 |
通孔 |
通孔数目 |
通孔间距 |
1200μm×4000μm |
100μm×100μm |
175 |
50μm |
为进一步提升灵敏度,在硅片厚度一定的情况下,需要使梳齿正对面积尽可能大,且间距尽量减小,考虑静电力粘附问题及结合设备深硅刻蚀的条件,最终梳齿设计参数如表3所示:
表3
硅微加速度计器件层的材料选用具备导电能力的硅片,厚度选择200μm,并键合一块厚度为400μm的BF44玻璃作为基底11,在玻璃背面采用金属溅射技术溅射一层15nm的Cr与200nm的Au作为欧姆接触实现接地,从硅片背面刻蚀一个5μm的凹槽来实现可动结构的悬空,硅片正面采用金属溅射技术在引出触点处溅射一层15nm的Cr与200nm的Au作为欧姆接触实现与外部检测电路连接,并利用ICP深硅刻蚀技术将硅片刻穿来实现加速度计的结构。
底面层10由15nm的Cr与200nm的Au组成,本发明以厚度为400μm的BF44玻璃作为基底11,以厚度15nm的Cr与厚度200nm的Au的欧姆接触作为金属电极,金属电极的数目为六块,其中,第一块金属电极与第一固定锚块3相连接,第二块金属电极与第二固定锚块7相连接,第三块金属电极与第三固定锚块1及第六固定锚块5相连接,第四块金属电极与第四固定锚块2及第五固定锚块4相连接,第五块金属电极与第三块金属电极相连接,第六块金属电极与第四块金属电极相连接,金属电极的大小为1mm×1mm。
第一固定锚块3正对第三固定锚块1,第二固定锚块7正对第四固定锚块2,第三固定锚块1与第六固定锚块5的极性相同,第四固定锚块2与第五固定锚块4的极性相同。
参考图6、图7及图8,本发明所述抗高g值冲击的梳齿微加速度计的制备方法包括以下步骤:
1)对硅片进行清洗,将硅片进行酸洗并冲水去除有机物,然后用氢氟酸漂洗并冲水去除硅片表面的氧化层,最后再烘干;
2)将EPI680光刻胶均匀涂抹在硅片的背面,然后烘干;
3)将烘干好的硅片的背面与物理掩模版在光刻机上进行对准并进行光刻;
4)将光刻好的硅片在TMAH显影液中浸泡,烘干后利用显微镜检查硅片背面光刻图案;
5)利用ICP刻蚀机对硅片背面进行刻蚀,其中,刻蚀厚度为5μm,然后将刻蚀完成的硅片在丙酮溶液中浸泡,去除光刻胶,完成硅片背面凹槽的加工,然后通过去离子水冲洗干净,最后再烘干;
6)以BF44玻璃片作为基底11,清洗BF44玻璃片,利用阳极键合技术将硅片的背面与BF44玻璃的正面键合,得硅-玻璃片;
7)对硅-玻璃片进行清洗,去除硅-玻璃片表面的杂质,并进行烘干;
8)利用PVD镀膜技术在硅片正面溅射15nm厚度的Cr及200nm厚度的Au,再用氮气吹扫清理硅-玻璃片;
9)将EPI680光刻胶均匀涂抹在硅片正面的金属层上,再烘干;
10)将烘干后的硅-玻璃片正面的金属层与物理掩模版在光刻机上进行对准并进行光刻;
11)将光刻好的硅-玻璃片在TMAH显影液中浸泡,烘干后利用显微镜检查硅-玻璃片正面光刻图案;
12)使用金腐蚀液将多余的Au腐蚀并用水冲洗,然后用Cr腐蚀液将多余的Cr腐蚀并用水冲洗,其中,仅保留引出触点上层的金属,再用氮气轻吹干;
13)将腐蚀完成的硅-玻璃片在丙酮溶液中浸泡,去除光刻胶,完成硅片正面引出触点镀金的加工,再使用去离子水冲洗,然后烘干,最后用显微镜检查触点镀金结果;
14)将AZ4620光刻胶均匀涂抹在硅-玻璃片的正面,再进行烘干;
15)将硅-玻璃片的正面与物理掩模版在光刻机上进行对准并进行光刻;
16)将光刻好的硅-玻璃片在正胶显影液中浸泡,烘干后利用显微镜检查硅-玻璃片正面光刻图案;
17)对硅-玻璃片的正面进行深硅刻蚀直至刻穿,以形成通孔;
18)将刻蚀完成的硅-玻璃片在丙酮溶液中浸泡并结合干法去胶工艺去除光刻胶,再用去离子水冲洗干净,然后烘干,再在显微镜下检查刻蚀最终结果;
19)利用PVD镀膜技术在硅-玻璃片背面溅射15nm厚度的Cr与200nm厚度的Au,然后用氮气吹扫清理硅-玻璃片,得抗高g值冲击的梳齿微加速度计。
以上所述,仅为本发明的一种具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,熟悉本领域的技术人员,若依据本发明的技术进行简单的结构改变或者工艺变化等改造均应属于本发明专利的保护范围内。