CN112034203B - 一种高精度隧道式加速度计及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高精度隧道式加速度计及其制备方法。本发明的隧道式加速度计，包括玻璃衬底、硅片和石墨烯，其中硅片上有反馈电极、质量块和隧道结，反馈电极位于质量块左侧，质量块与弹簧固定连接，隧道结位于质量块右侧。其制备方法包含的步骤为：在硅片背面刻蚀限位槽，使质量块处于自由移动的状态；阳极键合玻璃衬底与硅片；溅射金属，在硅片正面标记位置制备反馈电极和隧道电流发射电极；深刻蚀，生成弹簧和质量块；制备隧道结，在隧道电流发射电极上集成石墨烯，通过电致燃烧法形成隧道结。本发明的隧道式加速度计，采用石墨烯电致燃烧法制备隧道结，既避免了传统工艺的限制，又确保了隧道间距的可控性，从而提高了加速度计的测试精度。

Description

一种高精度隧道式加速度计及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子机械系统加工领域，涉及一种高精度隧道式加速度计的结构设计及制备方法。
背景技术
随着硅微加工技术的不断成熟，硅加速度计在传感器市场占据越来越重要的地位。小型化、智能化、集成化已成为加速度传感器的发展方向，其应用也逐步扩展到导航、微重力测量、水声测量以及地震学等方面。传统的机械式加速度计存在体积大、精度低的问题，因此，研制一款新型的高精度微加速度计是目前亟待解决的问题。
自1986年美国科学家G.Bining和H.Rohrer等人因成功开发基于量子隧道效应的扫描显微镜而获得诺贝尔物理学奖后，基于量子隧道效应的应用成为研究的热点。其中第一个力平衡式隧道效应加速度计产生于美国NASA旗下的JPL实验室。之后美国Stanford大学在NASA资助下成功将该加速度计应用于水下潜艇探测和太空机器人惯性控制；MIT研究的隧道式加速度计采用体硅工艺加工，电极隧尖距离变化为5.5埃至8.5埃，但其线性度较差，仅为0.1％；美国明尼苏达大学研制了一种新型的基于高分子聚合物的隧道式加速度计，初步验证了隧道效应。国内北京大学、清华大学、东南大学和信息产业部十三所等单位均开展了隧道式加速度计的研究和制作，并成功观测到了隧道效应。现有的研究均通过微加工工艺制作隧道间距，但由于工艺的限制，器件制作完毕后，隧道间距无法达到1nm(已有研究表明：隧道间距小于1nm时才可产生隧道电流)，通常的做法是在偏转下拉电极上加载电压，将隧尖间距拉至1nm的范围内，直至产生隧道效应，并将此状态作为器件的平衡点。这种方式存在以下弊端：
(1)目前制备隧尖基本采用KOH腐蚀获得，由于凸角快速腐蚀，导致隧尖高度和初始间距难以控制，器件重复性较差，不利于大批量制造；
(2)隧道电流和隧道间隙之间存在非线性指数衰减关系，必须通过反馈控制系统来抑制各种低频噪声，以提高加速度计的精度。但由于微加工工艺限制，初始隧道间距难以达到1nm，因此，需额外增加电路控制模块使加速度计达到初始隧道电流状态，这将势必增大器件的功耗，增加噪声引入源，影响加速度计的测试精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的高精度隧道式加速度计结构，该加速度计结合石墨烯制备出纳米级的隧道间距，具有微型化、精度高的特点。
本发明的另一目的是提供所述高精度隧道式加速度计的制备方法。
本发明的技术解决方案：一种高精度隧道式加速度计，包括玻璃衬底、硅片和石墨烯，玻璃衬底和硅通过阳极键合连接，其中在硅片上有反馈电极、质量块和隧道结，反馈电极位于质量块左侧，质量块与弹簧固定连接，隧道结位于质量块右侧，通过对石墨烯电致燃烧形成纳米级隧道间隙。
所述质量块和悬臂梁采用单晶硅。
本发明的高精度隧道式加速度计，上电后，由石墨烯制备的隧道结(隧道间隙≤1nm)产生隧道电流，隧道电流与隧道间距呈指数关系，将该状态作为初始平衡状态，当施加外界加速度时，质量块发生偏移，隧道间距变化，隧道电流随之发生改变，初始平衡状态被打破，反馈电压发生变化，反馈电极通过静电力将质量块拉回至初始平衡状态。该过程中反馈电压的变化实时反映了外界加速度的大小。通过对反馈电压的检测可获取加速度的值。
高精度隧道式加速度计的制备方法，包括以下步骤：
1、选用7740玻璃作为衬底。
2、在硅片背面光刻刻蚀限位槽，高度为1μm，确保质量块处于自由可移动状态。
3、阳极键合，将玻璃衬底与硅片背面进行对准和粘合。
4、将硅片KOH减薄至所需厚度。
5、继续在硅片正面标记位置刻蚀浅槽，并溅射金属腐蚀形成反馈电极和隧道电流发射电极。
6、在硅片正面深度刻蚀，并刻穿硅片，生成可自由移动的弹簧和质量块。
7、划片后，在两个隧道电流发射电极上集成石墨烯，通过施加电压，进行电致燃烧，在其中心位置形成隧道结(间距1nm)。
本发明的优点和积极效果：
本发明的高精度隧道式加速度计，与传统的纵向式加速度计不同，采用横向敏感方式感应外界微加速度，质量块通过弹簧与固定面连接，四个弹簧的设置确保质量块可单维度移动，且灵敏度得到提高。此外，隧道结采用石墨烯电致燃烧而成，既避免了传统工艺的限制，又确保了隧道间距的可控性(一般隧道间距范围为0.5nm～1nm)，进而提高加速度计的测试精度。
附图说明
图1为本发明隧道式加速度计的结构示意图。
图2为本发明隧道式加速度计的主要制备过程。
图中：
1-玻璃衬底，2-硅片，3-反馈电极，4-隧道电极，5-弹簧，6-质量块，7-隧道结，8-石墨烯，9-Ti/Pt/Au
具体实施方式
实施例1：新型高精度隧道式加速度计结构
图1所示为新型高精度隧道式加速度计的结构示意图。包括玻璃衬底1，硅片2与玻璃衬底1阳极键合连接，硅片2上有反馈电极3和隧道电极4，石墨烯8集成在隧道电极4上，形成隧道结7。对硅片2中间位置深刻蚀，形成质量块6和弹簧5，质量块6通过弹簧5与固定面连接。
实施例2：高精度隧道式加速度计的制备方法
图2所示为高精度隧道式加速度计的主要制备工艺。
1.选用玻璃片作为衬底，光刻，并溅射Ti/Pt/Au 9，然后剥离，作为加速度计的玻璃衬底1，如图2(a)所示；
2.光刻，在硅片2背面光刻刻蚀形成限位槽，高度1μm，并在背面做键合对准标记，如图2(b)所示；
3.阳极键合，实现玻璃衬底1和硅片2的对准和粘合，如图2(c)所示；
4.KOH减薄硅片2至60μm；
5.在硅片2正面刻蚀浅槽，溅射金属Ti/Au，制备反馈电极3和隧道电极4，如图2(d)所示；
6.溅射AI作为结构释放的掩膜；
7.深刻蚀硅片2，生成可自由移动的质量块6，如图2(e)所示；
8.干法去胶、腐蚀AI；
9.划片，裂片，生成加速度计结构样品；
10.集成石墨烯，在隧道电极上集成石墨烯8，并采用电致燃烧(即利用大电流密度或者电流流过金属线，导致金属的原子发生电迁移，最终使金属线断裂)的方式形成nm级隧道结，完成隧道式加速度计的加工，如图2(f)所示。
采用上述方法制备的高精度隧道式加速度计，具体的内部结构设计为：其下部分为玻璃衬底1，上部分为硅片2制备的硅结构，质量块6位于硅片中间位置，通过四组弹簧5与固定面连接，反馈电极3位于硅片2左侧，用于驱动质量块，使其处于初始平衡位置；隧道电极4位于硅片2右侧，在电极上集成石墨烯8，经电致燃烧生成隧道间隙为1nm的原子隧道结7。

Claims (2)

1.一种高精度隧道式加速度计，包括玻璃衬底、硅片和石墨烯，玻璃衬底和硅通过阳极键合连接，其中在硅片上有反馈电极、质量块和隧道结，反馈电极位于质量块左侧，质量块与弹簧固定连接，隧道结位于质量块右侧，通过对石墨烯图形化，以施加电流的方式，使石墨烯内原子发生电迁移，最终使石墨烯中心位置发生断裂，形成纳米级隧道间隙。
2.权利要求1所述的高精度隧道式加速度计的制备方法，依次包括以下步骤：
(1)选用7740玻璃作为衬底；
(2)在硅片背面光刻刻蚀限位槽，高度为1μm，确保质量块处于自由可移动状态；
(3)阳极键合，将玻璃衬底与硅片背面进行对准和粘合；
(4)将硅片KOH减薄至2至60μm；
(5)继续在硅片正面标记位置刻蚀浅槽，并溅射金属腐蚀形成反馈电极和隧道电流发射电极；
(6)在硅片正面深度刻蚀，并刻穿硅片，生成可自由移动的弹簧和质量块；
(7)划片后，在两个隧道电流发射电极上集成石墨烯，通过施加电压，进行电致燃烧，在其中心位置形成隧道结。
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