CN1595173A - 硅玻璃键合的栅型高冲击加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅玻璃键合的栅型高冲击加速度计，它涉及微电子机械工艺加工技术领域中的微电子机械系统结构器件。它由玻璃衬底、差动电极、可动电极、可动电极引线、硅台阶、可动硅片、固定硅片、悬臂梁、硅片构成。本发明在玻璃衬底上制备差动电极，在硅片上制备可动电极，键合为硅玻璃键合片，使差动电极和可动电极之间形成改变面积方式的差动可变电容结构，达到对加速度变化的测量。并且本发明还具有检测电容信号大、灵敏度高；结构简单、可重复性强、成品率高、容易批量加工、成本低廉及能在恶劣环境和高冲击、高过载的条件下使用等优点。特别适用于作各种高冲击、高过载环境下加速度信号和角加速度信号检测的可动微电子机械结构器件。

Description

硅玻璃键合的栅型高冲击加速度计

技术领域

本发明涉及微电子机械系统加工技术领域中的一种硅玻璃键合的栅型高冲击加速度计，特别适用于作各种高冲击、高过载环境下加速度信号和角加速度信号检测的可动微电子机械结构的器件。

背景技术

微电子机械系统又称MEMS，它是指大小在厘米量级以下，特征尺寸在微米量级，可控制、可运动的微型机电装置，它是在毫微米尺寸上来实现许多宏观规模上存在的机械构件，并和微电子有机的结合构成具有特定功能的系统，它具有重量轻、体积小、成本低和集成化等优点。微电子机械系统技术兴起于80年代中期，90年代初得到迅猛发展。目前世界上许多发达国家都把微电子机械系统技术放在优先发展的地位。美国把微电子机械系统技术与航天技术和信息技术列为21世纪的三大关键技术。微电子机械系统既可以集传感器、执行器和数字电路于一块半导体芯片上，实现整个系统集成，又可以将传感器、执行器和电路分别制造再混合集成。微电子机械系统的主要应用领域有：制导、导航、微型卫星、兵器、雷达、光通信、微波通信、医学等。在国外微电子机械系统技术飞速发展，研发成果向产品转化的速度极快。由于它符合人类技术发展的总趋势，即以更少的资源实现更多的功能，在过去10年间得到快速发展，和纳米技术并列为微/纳米技术，被称为二十一世纪的关键技术之一。

目前在微电子机械系统中应用的梳齿电容式加速度计具有结构简单、容易批量加工、检测灵敏度高的优点，但是由于采用改变间隙方式工作，容易造成贴片而失效，工作可靠性低，不能在恶劣环境及高冲击、高过载的条件下使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种能改变面积方式的差动可变电容结构的硅玻璃键合的栅型高冲击加速度计，并且本发明器件还具有能避免动极板和定极板贴片失效，因此可靠性高；检测电容信号大、灵敏度高；结构简单、可重复性强、成品率高、容易批量加工、成本低廉及能在恶劣环境和高冲击、高过载的条件下使用等优点。

本发明所要解决的技术问题由下列技术方案实现的：

本发明它包括玻璃衬底1、差动电极2、可动电极3、可动电极引线4、硅台阶5、可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8、硅片9，其中在玻璃衬底1上采用光刻工艺形成差动电极2、可动电极引线4图形结构，采用氢氟酸腐蚀液腐蚀差动电极2、可动电极引线4图形结构形成浅槽结构，在玻璃衬底1上磁控溅射覆盖铬、铂、金金属层，采用剥离工艺剥离掉差动电极2、可动电极引线4图形结构以外的金属层，形成差动电极2、可动电极引线4结构；在硅片9上采用光刻工艺形成硅台阶5图形结构，采用反应等离子体刻蚀法刻蚀硅片9，硅片9上刻蚀成硅台阶5结构，在硅片9上磁控溅射覆盖铬、铂、金金属层，采用光刻工艺形成可动电极3图形结构，用铬金腐蚀液腐蚀可动电极3图形结构，形成可动电极3结构；在硅片9上采用光刻工艺形成可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8图形结构，用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8图形结构，形成可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8结构；把硅片9上硅台阶5的一面与玻璃衬底1上露出差动电极2、可动电极引线4的一面相互对位，键合成硅玻璃键合片，差动电极2和可动电极3之间形成改变面积方式的差动可变电容结构；把硅玻璃键合片放入硅各向异性腐蚀液湿法腐蚀，形成可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8悬空结构；差动电极2、可动电极引线4用金丝与管壳的管脚连接，封帽，制成硅玻璃键合的栅型高冲击加速度计。

本发明每片可动电极3与玻璃衬底1上相对应的两片差动电极2之间形成改变面积方式的差动可变电容结构，可动电极3与对应的差动电极2之间形成的相对面积的差动改变随加速度变化而改变。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1、本发明由于采用玻璃衬底1上形成差动电极2，在硅片9上形成可动硅片6、可动电极3和悬臂梁8，从而实现可动电极3和差动电极2之间形成的差动电容以改变面积方式工作，避免动极板和定极板贴片失效，提高了可靠性，而且检测电容信号大、灵敏度高，能满足在恶劣环境和高冲击、高过载的条件下工作的性能。

2、本发明由于采用微电子机械工艺技术制造，因此它具有结构简单、可重复性强、成品率高、容易批量加工、成本低廉等优点。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图。

图2是本发明的俯视结构示意图。

具体实施方式

参照图1、图2，本发明它包括玻璃衬底1、差动电极2、可动电极3、可动电极引线4、硅台阶5、可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8、硅片9，其中在玻璃衬底1上采用光刻工艺形成差动电极2、可动电极引线4图形结构，实施例采用市售通用的光刻设备在双面抛光的7740型玻璃衬底1上面层制备一层光刻胶，厚度为1um，并用烘箱在温度100℃烘烤15分钟，光刻胶采用AZ1500型光刻胶制作。用一块差动电极2、可动电极引线4掩膜版放在光刻胶上，在常规曝光机上对位曝光10秒钟，再放到四甲基氢氧化铵比水等于1∶3的显影液中显影10至60秒，在光刻胶上得到差动电极2、可动电极引线4的图形结构，露出玻璃衬底1表面，采用市售的氢氟酸腐蚀液腐蚀差动电极2、可动电极引线4图形结构1分钟，形成浅槽结构。在玻璃衬底1上用市售通用的磁控溅射设备覆盖铬、铂、金金属层，采用市售的超声波发生器用剥离工艺，剥离掉差动电极2、可动电极引线4图形结构以外的光刻胶及光刻胶上的金属层，形成差动电极2、可动电极引线4结构。

在硅片9上采用光刻工艺形成硅台阶5图形结构，实施例采用在硅片9上涂一层市售的AZ1500光刻胶，厚度为2um，并用烘箱在温度100℃烘烤15分钟，用一块硅台阶5掩膜版放在光刻胶上，在常规曝光机上对位曝光10秒钟，再放到四甲基氢氧化铵比水等于1∶3的显影液中显影10至60秒，光刻胶上显影出硅台阶5图形结构。采用市售的反应等离子体刻蚀设备刻蚀出硅台阶5图形结构，采用市售的硫酸腐蚀液腐蚀掉剩余的光刻胶，露出硅台阶5结构。在硅片9上采用市售通用的磁控溅射设备覆盖铬、铂、金金属层。采用光刻工艺形成可动电极3图形结构，实施例在铬、铂、金金属层上涂一层AZ1500光刻胶，厚度为2um，并用烘箱在温度100℃烘烤15分钟，用一块可动电极3掩膜版放在光刻胶上，在常规曝光机上对位曝光10秒钟，再放到四甲基氢氧化铵比水等于1∶3的显影液中显影10至60秒，光刻胶上显影出可动电极3图形结构。用市售的铬金腐蚀液腐蚀可动电极3图形结构，实施例腐蚀时间30秒，形成可动电极3结构。在硅片9上采用光刻工艺形成可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8图形结构，实施例在硅片9上光刻工艺采用市售的AZ1500光刻胶，厚度为2um，并用烘箱在温度100℃烘烤15分钟，用一块可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8图形结构掩膜版放在光刻胶上，在常规曝光机上对位曝光20秒钟，再放到四甲基氢氧化铵比水等于1∶3的显影液中显影10至60秒对位曝光显影，光刻胶上显影出可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8图形结构。用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8图形结构，实施例采用市售的感应耦合等离子体设备刻蚀可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8图形结构，刻蚀深度为60um，用市售的硫酸腐蚀液腐蚀掉剩余的光刻胶，形成可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8结构。

在市售通用的键合设备上，把硅片9上的硅台阶5的一面与玻璃衬底1上露出差动电极2、可动电极引线4的一面相互对位，键合成硅玻璃键合片，差动电极2和可动电极3之间形成改变面积方式的差动可变电容结构。实施例把硅玻璃键合片采用市售通用的介质划片机在玻璃衬底1外层划片，划片形成深度为150um的片槽，使用市售通用的硅片磨片机把硅片9外层磨片，磨片减薄至200um。把硅玻璃键合片放入硅各向异性腐蚀液湿法腐蚀，实施例腐蚀2至4小时，形成可动硅片6、固定硅片7、悬臂梁8悬空结构。实施例对硅玻璃键合片上的玻璃衬底1手动掰片，形成单个栅型高冲击加速度计管芯，管芯用绝缘胶粘接在加速度计管壳上。差动电极2、可动电极引线4用金丝与管壳的管脚连接，实施例采用市售通用的超声键合台用金丝把差动电极2、可动电极引线4的金属层与管壳的管脚连接，封帽，制作成本发明硅玻璃键合的栅型高冲击加速度计。

本发明每片可动电极3与玻璃衬底1上相对应的两片差动电极2之间形成改变面积方式的差动可变电容结构，可动电极3与对应的差动电极2之间形成的相对面积的差动改变随加速度变化而改变。实施例制作成5片可动电极3，每片可动电极3对应两片构成一组的差动电极2，它们之间形成的相对面积成差动改变，每片可动电极3对应两片构成一组的差动电极2之间的相对面积大于80um²。

本发明的简要工作原理如下：当硅玻璃键合的栅型高冲击加速度计敏感到敏感轴向的加速度变化时，悬挂在悬臂梁8上的可动硅片6会有位移的变化，下面的可动电极3随着发生位置的改变，可动电极3与玻璃衬底1上的差动电极2之间由于相对面积的改变产生电容量的变化，通过可动电极引线4导出信号的变化，采用开环检测电路，直接检测出加速度的变化，达到检测加速度变化的目的。

Claims (2)

1、一种硅玻璃键合的栅型高冲击加速度计，它包括玻璃衬底(1)、可动电极引线(4)、硅台阶(5)、固定硅片(7)、硅片(9)，其特征在于还包括差动电极(2)、可动电极(3)、可动硅片(6)、悬臂梁(8)，其中在玻璃衬底(1)上采用光刻工艺形成差动电极(2)、可动电极引线(4)图形结构，采用氢氟酸腐蚀液腐蚀差动电极(2)、可动电极引线(4)图形结构形成浅槽结构，在玻璃衬底(1)上磁控溅射覆盖铬、铂、金金属层，采用剥离工艺剥离掉差动电极(2)、可动电极引线(4)图形结构以外的金属层，形成差动电极(2)、可动电极引线(4)结构；在硅片(9)上采用光刻工艺形成硅台阶(5)图形结构，采用反应等离子体刻蚀法刻蚀硅片(9)，硅片(9)上刻蚀成硅台阶(5)结构，在硅片(9)上磁控溅射覆盖铬、铂、金金属层，采用光刻工艺形成可动电极(3)图形结构，用铬金腐蚀液腐蚀可动电极(3)图形结构，形成可动电极(3)结构；在硅片(9)上采用光刻工艺形成可动硅片(6)、固定硅片(7)、悬臂梁(8)图形结构，用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀可动硅片(6)、固定硅片(7)、悬臂梁(8)图形结构，形成可动硅片(6)、固定硅片(7)、悬臂梁(8)结构；把硅片(9)上硅台阶(5)的一面与玻璃衬底(1)上露出差动电极(2)、可动电极引线(4)的一面相互对位，键合成硅玻璃键合片，差动电极(2)和可动电极(3)之间形成改变面积方式的差动可变电容结构；把硅玻璃键合片放入硅各向异性腐蚀液湿法腐蚀，形成可动硅片(6)、固定硅片(7)、悬臂梁(8)悬空结构；差动电极(2)、可动电极引线(4)用金丝与管壳的管脚连接，封帽，制成硅玻璃键合的栅型高冲击加速度计。

2、根据权利要求1所述的硅玻璃键合的栅型高冲击加速度计，其特征在于每片可动电极(3)与玻璃衬底(1)上相对应的两片差动电极(2)之间形成改变面积方式的差动可变电容结构，可动电极(3)与对应的差动电极(2)之间形成的相对面积的差动改变随加速度变化而改变。

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