專利名稱：三維mems地震檢波器芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震勘探裝置配件，特別是一種三維MEMS地震 檢波器芯片及其制備方法。
背景技術(shù)：
地震檢波器是石油和天然氣地震勘探中大量使用的傳感器， 它的用途就是檢測(cè)地震中人工激發(fā)的地震信號(hào)。
傳統(tǒng)的地震檢波器(動(dòng)圈式機(jī)電感應(yīng)傳感器)進(jìn)行三分量地 震勘探中獲得的波數(shù)據(jù)(特別是S波)質(zhì)量不理想，如無(wú)法檢測(cè) 10Hz以下的深層低頻地震信號(hào)；動(dòng)態(tài)范圍??；三維信號(hào)之間串?dāng)_ 大；靈敏度差等，為后期處理效果大打折扣。使用MEMS技術(shù)的 檢波器所接收到的地震數(shù)據(jù)可以在最終疊加數(shù)據(jù)上保留至3Hz的 地震信號(hào)，高頻分量也有明顯的提升，其動(dòng)態(tài)范圍大于100dB, 在三分量地震勘探中，能更好地分離P波和S波。但目前三分量 數(shù)字傳感器是用三個(gè)MEMS加速度傳感器正交直角安裝成的三分 量數(shù)字傳感器，這樣不便于檢測(cè)同點(diǎn)的三維地震信號(hào)，且也不經(jīng) 濟(jì)，其分辨率、義精度、保真度低頻響應(yīng)能力等有待進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有的地震檢波器的不足之處，提 供一種三維MEMS地震檢波器芯片及其制備方法。本發(fā)明通過(guò)下 述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明包括基底B,基底A, X軸懸臂梁， X軸固定電極，X軸質(zhì)量塊及活動(dòng)電極，其特征在于在同一個(gè)芯
4片上它還設(shè)有與X軸相同的Y、 Z軸向的懸臂梁、固定電極、質(zhì) 量塊及活動(dòng)電極構(gòu)成的電容性機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)。
釆用本發(fā)明的MEMS地震檢波器芯片具有高分辨率、高保真、
精度高、低頻響應(yīng)能力好、動(dòng)態(tài)范圍大便于檢測(cè)同點(diǎn)的三維信號(hào) 等特點(diǎn)。
所說(shuō)的基底A、 B釆用氧化鋁陶瓷片、氮化硅等絕緣材料。 所說(shuō)的懸臂梁釆用硅或氮化硅高強(qiáng)度材料。 所說(shuō)的導(dǎo)線及電極釆用金或銀或銷導(dǎo)電性能好的金屬材料。 本發(fā)明的三維MEMS地震檢波器芯片的制備方法，其特征是 分別對(duì)兩塊硅基底A、 B分別加工，再對(duì)準(zhǔn)鍵合封裝；其步驟如下 制作A基片
步驟l釆用光刻法在基底上刻蝕出三個(gè)凹槽，三個(gè)凹槽呈X、 Y、 Z正交排列;
步驟2通過(guò)磁控濺射在A基片上沉積一層金、銀或鉑等導(dǎo)電 性能良好的金屬，并用丙酮浸泡剝離形成導(dǎo)線和固定電極；
步驟3釆用旋涂微機(jī)械用有機(jī)犧牲層聚酰亞胺，釆用光刻法 在犧牲層上形成懸臂梁模型，并通過(guò)磁控濺射法沉積硅或氮化硅 等懸臂梁材料，去除犧牲層后形成懸臂梁及質(zhì)量塊；
步驟4通過(guò)磁控濺射沉積一層金、銀或銷等導(dǎo)電性能良好的
金屬，并用丙酮浸泡剝離形成懸臂梁上的活動(dòng)電極；
制作B基片
步驟1釆用光刻法在基底B上刻蝕出三個(gè)凹槽，三個(gè)凹槽與 A基片上的三個(gè)凹槽相對(duì)應(yīng)；步驟2通過(guò)磁控濺射在B基片沉積一層金、銀或鉑等導(dǎo)電性
能良好的金屬，并用丙酮浸泡剝離形成導(dǎo)線和固定電極等；
步驟3通過(guò)氣態(tài)腐蝕或等離子體刻蝕的方法形成X軸和Z軸
上的懸臂梁；
步驟4通過(guò)磁控濺射法沉積硅或氮化硅等懸臂梁材料，加高 X軸和Z軸的懸臂梁；
步驟5通過(guò)磁控濺射沉積一層金、銀或鋁等導(dǎo)電性能良好的
金屬，并用丙酮浸泡剝離形成懸臂梁上的活動(dòng)電極；
步驟6將基片A、 B鍵合封裝。
經(jīng)過(guò)上述步驟后，就可以制備出本發(fā)明的三維MEMS地震檢 波器芯片。
通過(guò)上述的情況說(shuō)明，可知本發(fā)明用一個(gè)MEMS芯片就可以 感知地震波的三維信息，尤其是同點(diǎn)三維信息，并分別轉(zhuǎn)化為X、 Y、 Z三方向的電信號(hào)。本發(fā)明的三維MEMS地震檢波器芯片具有 高分辨率、高保真、精度高、低頻響應(yīng)能力好等特別，適合數(shù)字 化地震勘探系統(tǒng)作接收地震波傳感器使用，使用時(shí)固定電極與電 源及C-V (電容-電壓)轉(zhuǎn)換電路連接，當(dāng)MEMS芯片感受到地震
的信號(hào)，懸臂梁發(fā)生撓動(dòng)，使懸臂梁兩邊的固定電極與懸臂梁之 間的電容發(fā)生變化，通過(guò)"電容-電壓"變換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、 信號(hào)放大電路等處理獲得地震波三維信息。


圖1本發(fā)明的三維MEMS地震檢波器分離結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為三維MEMS地震檢波器結(jié)構(gòu)剖視圖；1-基底B, 2-基底A, 3-Z軸電容性機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)，4-Y 軸電容性機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)，5-X軸電容性機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)微結(jié) 構(gòu)，6-X軸懸臂梁，7-X軸固定電極，8-X軸質(zhì)量塊及活動(dòng)電極。
圖3本發(fā)明三維MEMS地震檢波器制備工藝流程所得產(chǎn)品示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
如圖1、 2所示，在兩塊20 x 20 x 0. 5鵬2的硅片1、 2上制作 三維MEMS地震檢波器芯片陣列
(1) 采用一塊20 x 20 x 0.5mm2的硅片作為基底A2,經(jīng)清洗 后光刻形成三個(gè)凹槽，三個(gè)凹槽呈直角正交排列，其中X、 Z軸 方向凹槽深20-40 um，本實(shí)施例選用20ym, Y軸方向凹槽深 3ym,如圖3中的a所示；再濺射形成一層0. 5um金，經(jīng)剝離 形成的導(dǎo)線及固定電極7，如圖3中的b所示；
(2) 通過(guò)旋涂微機(jī)械用有機(jī)犧牲層聚酰亞胺3ym，釆用光 刻法在犧牲層上形成懸臂梁模型，并通過(guò)磁控濺射法沉積2. 5 um 厚的硅懸臂梁材料，去除犧牲層后形成懸臂梁6及質(zhì)量塊8，如 圖3中的c所示；
(3) 通過(guò)磁控濺射沉積一層0. 5um厚的金，并用丙酮浸泡 剝離形成懸臂梁6上的活動(dòng)電極8，如圖3中的d所示；
(4) 釆用一塊20 x 20 x 0. 5mn^的硅片作為基底B1,經(jīng)清洗 后光刻形成形成三個(gè)凹槽，三個(gè)凹槽與A基片的三個(gè)凹槽相對(duì)應(yīng)， 其中X、 Z軸方向凹槽深20-40 um,本實(shí)施例選用20|jm, Y軸方 向凹槽深3um，如圖3中的e所示；濺射沉積一層0. 5 y m厚的金，并用丙酮浸泡剝離形成導(dǎo)線和固定電極7;
(5) 采用旋涂微機(jī)械用有機(jī)犧牲層聚酰亞胺3Um,釆用光 刻法在犧牲層上形成懸臂梁模型，并通過(guò)磁控濺射法沉積2.5|jm 厚的硅材料，去除犧牲層后形成X軸5和Z軸3電容性機(jī)械振動(dòng) 系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)的懸臂梁6及質(zhì)量塊8，如圖3中的g所示；
(6) 通過(guò)磁控濺射法沉積硅懸臂梁材料，加高X軸和Z軸 的懸臂梁10um,如圖3中的h所示；并通過(guò)磁控濺射沉積一層 0. 5 u m厚的金，用丙酮浸泡剝離形成懸臂梁6上的活動(dòng)電極8, 如圖3中的i所示；
(7) 將基片A、 B鍵合封裝，如圖3中的j所示。 關(guān)鍵尺寸Y軸方向電容性機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)4的懸臂梁
100 x 50|jm2;質(zhì)量塊60 x 50 ym2 ; X和Z軸方向懸臂梁80x 30 um2;質(zhì)量塊40 x 30 ym2。 實(shí)施例2:
如圖1、 2所示，在兩塊20 x 20 x 0.5mr^的硅片1、 2上制作 三維MEMS地震檢波器陣列-:
(1) 釆用一塊20x 20x 0.5mi^的硅片作為基底A2，經(jīng)清洗 后光刻形成三個(gè)凹槽，其中X、 Z軸方向凹槽深30|jm, Y軸方向 凹槽深3um,如圖3中的a所示；再濺射形成一層0. 5 u m金， 經(jīng)剝離形成的導(dǎo)線及固定電極7，如圖3中的b所示；
(2) 通過(guò)旋涂微機(jī)械用有機(jī)犧牲層(聚酰亞胺)4ijm,釆 用光刻法在犧牲層上形成懸臂梁模型，并通過(guò)磁控濺射法沉積 2. 5 u m厚的硅懸臂梁材料，去除犧牲層后形成懸臂梁6及質(zhì)量塊8,如圖3中的c所示；
(3) 通過(guò)磁控濺射沉積一層0. 5um厚的金，并用丙酮浸泡 剝離形成懸臂梁6上的活動(dòng)電極8，如圖3中的d所示；
(4) 釆用一塊20 x 20 x 0.5mm2的硅片作為基底Bl，經(jīng)清洗 后光刻形成形成三個(gè)凹槽，其中X、 Z軸方向凹槽深30um， Y軸 方向凹槽深3um,如圖3中的e所示；濺射沉積一層0.5um厚 的金，并用丙酮浸泡剝離形成導(dǎo)線和固定電極7;
(5) 采用旋涂微機(jī)械用有機(jī)犧牲層聚酰亞胺3um,釆用光 刻法在犧牲層上形成懸臂梁模型，并通過(guò)磁控濺射法沉積2. 5 um 厚的硅材料，去除犧牲層后形成X軸5和Z軸3電容性機(jī)械振動(dòng) 系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)的懸臂梁6及質(zhì)量塊8，如圖3中的g所示；
(6) 通過(guò)磁控濺射法沉積硅懸臂梁材料，加高X軸和Z軸 的懸臂梁10um，如圖3中的h所示；并通過(guò)磁控濺射沉積一層 0. 5 y m厚的金，用丙酮浸泡剝離形成懸臂梁6上的活動(dòng)電極8, 如圖3中的i所示；
(7) 將基片A、 B鍵合封裝，如圖3中的j所示。 關(guān)鍵尺寸Y軸方向的電容性機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)4懸臂梁
110x60|jm2;質(zhì)量塊80 x 80|jm2 ; X和Z軸方向懸臂梁100 x 40 ym2;質(zhì)量塊50x4Oum2。 實(shí)施例3:
如圖1、 2所示，在兩塊20 x 20 x 0. 5腿2的硅片1、 2上制作 三維MEMS地震檢波器陣列
(1)釆用一塊20 x 20 x 0,5m^的硅片作為基底A2,經(jīng)清洗后光刻形成三個(gè)凹槽，其中X、 Z軸方向凹槽深40um， Y軸方向 凹槽深3um，如圖3中的a所示；再濺射形成一層0. 5 y m金， 經(jīng)剝離形成的導(dǎo)線及固定電極7，如圖3中的b所示； -
(2) 通過(guò)旋涂微機(jī)械用有機(jī)犧牲層聚酰亞胺4jjm，采用光 刻法在犧牲層上形成懸臂梁模型，并通過(guò)磁控濺射法沉積2. 5 um 厚的硅懸臂梁材料，去除犧牲層后形成懸臂梁6及質(zhì)量塊8，如 圖3中的c所示；
(3) 通過(guò)磁控濺射沉積一層0.5um厚的金，并用丙酮浸泡 剝離形成懸臂梁6上的活動(dòng)電極8，如圖3中的d所示；
(4) 釆用一塊20 x 20 x 0. 5咖2的硅片作為基底B，經(jīng)清洗 后光刻形成形成三個(gè)凹槽，其中X、 Z軸方向凹槽深40um, Y軸 方向凹槽深3(jm,如圖3中的e所示；濺射沉積一層0.5ym厚 的金，并用丙酮浸泡剝離形成導(dǎo)線和固定電極7;
(5) 釆用旋涂微機(jī)械用有機(jī)犧牲層聚酰亞胺3um,釆用光 刻法在犧牲層上形成懸臂梁模型，并通過(guò)磁控濺射法沉積2. 5 y m 厚的硅材料，去除犧牲層后形成X軸5和Z軸3電容性機(jī)械振動(dòng) 系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)的懸臂梁6及質(zhì)量塊8，如圖3中的g所示；
(6) 通過(guò)磁控濺射法沉積硅懸臂梁材料，.加高X軸和Z軸 的懸臂梁10um,如圖3中的h所示；并通過(guò)磁控濺射沉積一層 0. 5 u m厚的金，用丙酮浸泡剝離形成懸臂梁6上的活動(dòng)電極8, 如圖3中的i所示；
(7) 將基片A、 B鍵合封裝，如圖3中的j所示。 關(guān)鍵尺寸Y軸方向電容性機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)4的懸臂梁120 x 60|jm2;質(zhì)量塊80 x 80|jm2 ; X和Z軸方向懸臂梁110x 50 um2;質(zhì)量塊50x5O(jm2。
光刻膠選用AZ-9260微機(jī)械用厚膠，通過(guò)控制甩膠的加速度 和線速度來(lái)控制光刻膠的厚度。
權(quán)利要求
1、一種三維MEMS地震檢波器芯片及其制備方法，包括基底B(1)，基底A(2)，X軸懸臂梁(6)，X軸固定電極(7)，X軸質(zhì)量塊及活動(dòng)電極(8)，其特征在于在同一個(gè)芯片上它還設(shè)有與X軸相同的Y、Z軸向的懸臂梁、固定電極、質(zhì)量塊及活動(dòng)電極構(gòu)成的電容性機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)(3)、(4)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維MEMS地震檢波器芯片， 其特征在于基底A、 B采用氧化鋁陶瓷片或氮化硅絕緣材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所逸的一種三維MEMS地震檢波器芯片， 其特征在于懸臂梁釆用硅或氮化硅高強(qiáng)度材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維MEMS地震檢波器芯片， 其特征在于導(dǎo)線及電極采用金或銀或鉑導(dǎo)電性能好的金屬材 料。
5、 一種三維MEMS地震檢波器芯片的制備方法，其特征在于， 按下列步驟進(jìn)行分別對(duì)兩塊硅基底A、 B分別加工，再對(duì)準(zhǔn)鍵合封裝，其步 驟如下制作A基片步驟l采用光刻法在基底上刻蝕出三個(gè)凹槽，三個(gè)凹槽呈X、 Y、 Z正交排列;步驟2通過(guò)磁控濺射在A基片上沉積一層金、銀或鉤等導(dǎo)電性能良好的金屬，并用丙酮浸泡剝離形成導(dǎo)線和固定電極；步驟3釆用旋涂微機(jī)械用有機(jī)犧牲層(聚酰亞胺)，釆用光刻法在犧牲層上形成懸臂梁模型，并通過(guò)磁控濺射法沉積硅或氮化硅等懸臂梁材料，去除犧牲層后形成懸臂梁及質(zhì)量塊；步驟4通過(guò)磁控濺射沉積一層金、銀或鉑等導(dǎo)電性能良好的金屬，并用丙酮浸泡剝離形成懸臂梁上的活動(dòng)電極； 制作B基片步驟l采用光刻法在基底B上刻蝕出三個(gè)凹槽，三個(gè)凹槽與 A基片上的三個(gè)凹槽相對(duì)應(yīng)；步驟2通過(guò)磁控濺射在B基片沉積一層金、銀或鉑等導(dǎo)電性能良好的金屬，并用丙酮浸泡剝離形成導(dǎo)線和固定電極；步驟3通過(guò)氣態(tài)腐蝕或等離子體刻蝕的方法形成X軸和Z軸上的懸臂梁；步驟4通過(guò)磁控濺射法沉積硅或氮化硅等懸臂梁材料，加高 X軸和Z軸的懸臂梁；步驟5通過(guò)磁控濺射沉積一層金、銀或銷等導(dǎo)電性能良好的金屬，并用丙酮浸泡剝離形成懸臂梁上的活動(dòng)電極；步驟6將基片A、 B鍵合封裝。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三維MEMS地震檢波器芯片及其制備方法，包括基底B(1)，基底A(2)，X軸懸臂梁(6)，X軸固定電極(7)，X軸質(zhì)量塊及活動(dòng)電極(8)，其特征在于在同一個(gè)芯片上它還設(shè)有懸臂梁與X軸相同的Y、Z軸向的懸臂梁、固定電極、質(zhì)量塊及活動(dòng)電極構(gòu)成的電容性機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)(3)、(4)，本發(fā)明的三維MEMS地震檢波器芯片具有高分辨率、高保真、精度高、低頻響應(yīng)能力好，便于檢測(cè)同點(diǎn)三維地震信號(hào)等，特別適合數(shù)字化地震勘探系統(tǒng)作接收地震波傳感器使用。
文檔編號(hào)B81C3/00GK101561510SQ20091005945
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者濤 任, 誠(chéng) 任, 斌 唐, 席建中, 諶貴輝, 趙萬(wàn)民 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)