CN1333542A - 水银式微机械惯性开关制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水银式微机械惯性开关制造方法,涉及传感器领域中的一种微机械开关器件装置的制造。它采用水银腔体中的水银珠在承受加速度时,当加速度达到一定阀值,水银珠通过沟道运动到空腔体中,接通电极,达到开关作用。本发明还具有无源工作,性能可靠,工艺简单成熟,制造成本低廉,采用微电子加工技术,便于批量生产,该方法生产的器件还具有体积小、重量轻,使用方便等特点。特别适用于炮弹、导弹引信上作引信惯性保险开关装置及作民用产品惯件开关装置的制造方法。

Description

水银式微机械惯性开关制造方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域中的一种水银式微机械惯性开关器件制造方法，特别适用于炮弹、导弹引信上作引信保险开关及作民用产品惯性开关装置的制造。

背景技术

在军事及汽车、照相机、玩具、鼠标等民用产品领域都需要大量应用惯性开关。研制性能更好、可靠性更高、价格更低的惯性开关一直是人们追求的目标。目前特别在炮弹、导弹上常采用惯性开关作为引信的保险开关，现在炮弹、导弹上的引信保险惯性开关采用由质量块、挂钩、弹簧等机械结构组合的无源惯性开关，这种机械结构式无源惯性开关其主要不足是体积大、结构复杂、可靠性能差，制造困难，生产成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种半导体无源结构的水银式微机械惯性开关制造方法，该方法工艺简单成熟，制造成本低廉，使用方便，该方法制造的惯性开关装置还具有结构简单，可靠性好，体积小，重量轻等特点。

本发明所要解决的技术问题由下列技术方案实现的，它包括的步骤：

在底晶片1衬底面上淀积一层绝缘层5，绝缘层5上涂一层光刻胶，用电极掩膜版放在光刻胶上曝光显影光刻出电极13、14光刻胶窗口形状，露出绝缘层，对电极13、14光刻胶面及胶窗口用溅射工艺覆盖金属，用剥离工艺将光刻胶及光刻胶上的金属去掉，加工成金属电极13、14结构形状，用砂轮划片机加工成底晶片1管芯；

在顶晶片4衬底面上淀积一层绝缘层8，用砂轮划片机加工成顶晶片4管芯；

在中间下晶片2、中间上晶片3衬底面上各淀积一层绝缘层6、7，用砂轮划片机加工成中间下晶片2、中间上晶片3管芯；

中间下晶片2、中间上晶片3各绝缘层6、7面上涂一层光刻胶，用一块水银腔体9、空腔体10、沟道11掩膜版放在光刻胶上曝光显影光刻出水银腔体9、空腔体10、沟道11的光刻胶窗口形状，露出绝缘层；在中间下晶片2、中间上晶片3背面淀积一层绝缘胶，涂一层光刻胶，用一块水银腔体9、空腔体10、沟道11掩膜版放在背面光刻胶上采用双面光刻工艺曝光显影光刻出水银腔体9、空腔体10、沟道11的光刻腔窗口形状，露出绝缘层；用氢氟酸缓冲液腐蚀掉中间下晶片2、中间上晶片3光刻胶窗口形状露出的绝缘层，用热硫酸腐蚀掉上下面光刻胶，用EPW腐蚀液腐蚀掉中间下晶片2、中间上晶片3中水银腔体9、空腔体10、沟道11光刻窗口内的单晶硅，加工成水银腔体9、空腔体10和沟道11结构；

在水银腔体9中灌注水银珠12，加工成水银腔体结构。

底晶片1管芯、中间下晶片2管芯、中间上晶片3管芯、顶晶片4管芯依次装配安装在半导体器件管壳内，电极13、14一端裸露在空腔体10内，侧面涂覆环氧树脂，把各芯片粘合；

用金丝超声键合与底晶片1上金属电极13、14另一端连接，通过键合的金丝电极把电极13、14与半导体器件管壳上电极引线连接，用硅胶粘合密封封帽。

上述微机械惯性开关制造方法，设所述水银珠12在沟道中的表面高度为H、静态时水银珠12的曲率半径为r₀、水银珠12承受加速度时进入沟道11后的曲率半径为r、预先设置的加速度为a，则它们之间应满足如下公式： $\mathrm{\ρHa}=\frac{2\mathrm{\σ}}{r}-\frac{2\mathrm{\σ}}{r_0}--\left(1\right)$

式(1)中，a为承受的加速度值，ρ为水银密度，σ为水银的表面张力系数。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1.本发明采用水银珠12在水银腔体9中承受设定的加速度时运动，使开关动作，具有传感器的作用，无源工作，使用方便，性能可靠。

2.本发明采用现有半导体晶片及半导体微加工工艺技术的生产方法，因此生产工艺简单成熟，大大降低成本，便于批量生产。

3.本发明制作的惯性开关装置，体积小，重量轻，价格低廉，使用场合广泛。

4.本发明加速度阀值a可以通过腐蚀沟道11的宽度、长度、形状进行控制，便于制作多种型号规格结构的惯性开关。

附图说明

图1是本发明主视剖面结构示意图。

图2是本发明俯视剖面结构示意图。

图3是本发明水银式微机械开关原理示意图。

具体实施方式

参照图1、图2、图3，本发明加工制造步骤是：底晶片1的制造方法，首先在底晶片1衬底面上淀积一层绝缘层5，实施例底晶片1采用市售晶体切割的单晶硅片制作，绝缘层5采用二氧化硅材料制作，制造时采用市场上通用的氧化炉进行表面氧化生长绝缘层。绝缘层5上涂一层光刻胶，用电极掩膜版放在光刻胶上曝光显影光刻出电极13、14光刻胶窗口形状，露出绝缘层。实施例采用市售AZ1500型光刻胶，涂胶厚度一般为1微米，放在通用的EM5609型光刻机中光刻出电极13、14形状。然后采用ES—26C型磁控溅射台对底晶片1上电极13、14光刻胶面及胶窗口蒸发溅射覆盖金属，一般溅射覆盖的金属采用多层金属材料，采用剥离工艺用H66025型超声波发生器剥离掉底晶片1上光刻胶及光刻胶上的金属，形成电极13、14形状结构，用市售通用的砂轮划片机将整片底晶片1的单晶硅片切成管芯。

顶晶片4的制造方法，首先在顶晶片4衬底面上用氧化炉进行表面氧化生长一层二氧化硅材料绝缘层8，实施例顶晶片4采用市售单晶硅片制作，同时采用市售通用的砂轮划片机将整片顶晶片4的单晶硅片切成管芯。

本发明中间下晶片2、中间上晶片3的制造方法如下：中间下晶片2、中间上晶片3均采用市售晶体切割的单晶硅片材料制作，在中间下晶片2、中间上晶片3衬底面上用氧化炉分别氧化生长一层二氧化硅材料的绝缘层6、7，在绝缘层6、7面上涂一层AZ1500型光刻胶，用一块水银腔体9、空腔体10、沟道11掩膜版放在光刻胶面上，然后放在通用的EM5026A型光刻机中曝光显影光刻出水银腔体9、空腔体10、沟道11的光刻胶窗口形状，露出绝缘层。采用同样方法在中间下晶片2、中间上晶片3背面衬底面上分别氧化生长一层二氧化硅绝缘层和涂一层AZ1500型光刻胶，用一块水银腔体9、空腔体10、沟道11掩膜版放在背面光刻胶上，采用双面光刻技术对准正面光刻胶窗口放在光刻机中在硅晶片背面曝光显影光刻出水银腔体9、空腔体10、沟道11的光刻胶窗口形状，露出绝缘层。把中间上晶片2、中间下晶片3放入氢氟酸缓冲液中腐蚀掉光刻胶窗口形状露出的绝缘层，用热硫酸腐蚀掉晶片上下表面上光刻胶，再用EPW腐蚀液腐蚀掉中间下晶片2、中间上晶片3中水银腔体9、空腔体10、沟道11光刻窗口内的单晶硅，一直腐蚀到单晶硅腐蚀干净，加工成水银腔体9、空腔10和沟道11结构。采用市售通用砂轮划片机将整片中间上下晶体3、2的单晶硅片切割成管芯。本发明实施例中间下晶片2、中间上晶片3根据水银腔体9、空腔体10、沟道11设计的深度尺寸大小，可以由多层单晶硅片的中间上下晶片3、2粘合构成，空腔体10的数量可以根据不同的惯性开关规格型号及用途设计成多个空腔体10构成。

本发明在水银腔体9中灌注水银珠12，加工成水银腔体结构。电极13、14一端裸露在空腔体10内，另一端与外接引线连接。

本发明装配方法如下：将底晶片1管芯用环氧树脂绝缘胶黏附在普通半导体器件管壳内，将中间下晶片2、中间上晶片3对准后用环氧树脂绝缘胶依次黏附在底晶片1上，使电极13、14一端裸露在空腔体10内、水银珠12灌注充满水银腔体9内，用环氧树脂绝缘胶将顶晶片4黏附在中间上晶片3上，用金丝超声键合与电极13、14另一端连接，通过键合的金丝电极把电极13、14与半导体器件管壳上电极引线连接，用硅胶将整个管壳内结构和键合金丝包裹封装，再通过封帽工艺将管壳封帽密封，制作成本发明惯性开关器件。本发明采用的氧化绝缘层、光刻胶窗口、腐蚀光刻胶及二氧化硅绝缘层、溅射金属、金属剥离、划片管芯、封装等加工工艺均可采用普通半导体晶体管微加工技术制作工艺及设备制作，因此生产工艺简单成熟，采用常规的设备就能实现批量生产，使成本大大降低。

本发明水银珠12承受加速度时其加速度阀值计算如图3所示，水银珠12在静态时压强平衡满足式： $P_{\mathrm{in}}=\mathrm{Pout}+\frac{2\mathrm{\σ}}{r_0}--\left(2\right)$

式2中：P_in为水银珠内的压强，Pout为水银珠外的压强。水银柱12承受加速度阀值时压强平衡满足式： $P_{\mathrm{in}}+\mathrm{\ρHa}=P_{\mathrm{out}}+\frac{2\mathrm{\σ}}{r}--\left(3\right)$

综合式2和式3，则获得水银珠12加速度阀值计算公式： $\mathrm{\ρHa}=\frac{2\mathrm{\σ}}{r}-\frac{2\mathrm{\σ}}{r_0}--\left(1\right)$

本发明简要工作原理如下：当水银腔9中的水银珠12在该器件承受加速度时，如果加速度达到一定阀值，即满足式1的加速度值时，水银珠12在惯性力作用下离开水银腔体9，通过沟道11运动到空腔体10中，水银珠12将空腔体10中电极13、14接通，达到微机械惯性开关作用的目的。

Claims (2)

1.一种水银式微机械惯性开关制造方法，包括步骤：在底晶片(1)衬底面上淀积一层绝缘层(5)，绝缘层(5)上涂一层光刻胶，用电极掩膜版放在光刻胶上曝光显影光刻出电极(13)、(14)光刻胶窗口形状，露出绝缘层，对电极(13)、(14)光刻胶面及胶窗口用溅射工艺覆盖金属，用剥离工艺将光刻胶及光刻胶上的金属去掉，加工成金属电极(13)、(14)结构形状，用砂轮划片机加工成底晶片(1)管芯；

在顶晶片(4)衬底面上淀积一层绝缘层(8)，用砂轮划片机加工成顶晶片(4)管芯；

在中间下晶片(2)、中间上晶片(3)衬底面上各淀积一层绝缘层(6)、(7)，用砂轮划片机加工成中间下晶片(2)、中间上晶片(3)管芯；

底晶片(1)管芯、中间下晶片(2)管芯、中间上晶片(3)管芯、顶晶片(4)管芯依次装配安装在半导体器件管壳内，电极13、14一端裸露在空腔体(10)内，侧面涂覆环氧树脂，把各芯片粘合；

用金丝超声键合与底晶片(1)上金属电极(13)、(14)另一端连接，通过键合的金丝电极把电极(13)、(14)与半导体器件管壳上电极引线连接，用硅胶粘合密封封帽；

其特征在于还包括以下步骤：

中间下晶片(2)、中间上晶片(3)各绝缘层(6)、(7)面上涂一层光刻胶，用一块水银腔体(9)、空腔体(10)、沟道(11)掩膜版放在光刻胶上曝光显影光刻出水银腔体(9)、空腔体(10)、沟道(11)的光刻胶窗口形状，露出绝缘层；在中间下晶片(2)、中间上晶片(3)背面淀积一层绝缘胶，涂一层光刻胶，用一块水银腔体(9)、空腔体(10)、沟道(11)掩膜版放在背面光刻胶上采用双面光刻工艺曝光显影光刻出水银腔体(9)、空腔体(10)、沟道(11)的光刻腔窗口形状，露出绝缘层；用氢氟酸缓冲液腐蚀掉中间下晶片(2)、中间上晶片(3)光刻胶窗口形状露出的绝缘层，用热硫酸腐蚀掉上下面光刻胶，用EPW腐蚀液腐蚀掉中间下晶片(2)、中间上晶片(3)中水银腔体(9)、空腔体(10)、沟道(11)光刻窗口内的单晶硅，加工成水银腔体(9)、空腔体(10)和沟道(11)结构；

在水银腔体(9)中灌注水银珠(12)，加工成水银腔体结构。

2.根据权利要求1所述的一种水银式微机械惯性开关制造方法，

其特征在于，设所述水银珠(12)在沟道中的表面高度为H、静态时水银珠(12)的曲率半径为r₀、水银珠(12)承受加速度时进入沟道(11)后的曲率半径为r、预先设置的加速度为a，则它们之间应满足如下公式： $\mathrm{\ρHa}=\frac{2\mathrm{\σ}}{r}-\frac{2\mathrm{\σ}}{r_0}$

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