專利名稱：差分式抗高過載微型隧道加速度計(jì)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)加工領(lǐng)域，尤其涉及一種差分式抗高過載微型隧道加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)作為新興的高新技術(shù)領(lǐng)域，采用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，將整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)集成在一塊芯片中，在軍事、生物醫(yī)學(xué)、汽車等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。這些器件主要以硅材料為基礎(chǔ)加工成各種結(jié)構(gòu)。近年來，干法深槽刻蝕技術(shù)、聚焦離子束技術(shù)等微細(xì)加工手段的逐漸成熟，為研制高精度，新原理的MEMS器件提供了基礎(chǔ)技術(shù)儲備。
隧道加速度計(jì)是基于量子隧道效應(yīng)的新型器件，1986年美國科學(xué)家G.Binnig H.Rohrer等人因設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于量子隧道效應(yīng)的掃描顯微鏡而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)之后，許多科學(xué)家對量子隧道效應(yīng)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。在利用MEMS技術(shù)進(jìn)行隧道式加速度計(jì)研制方面，斯坦福大學(xué)的Thoms W.Kenny等人(Cheng-Hsien Liu andThomas W.Kenny A high-precision，wide-bandwith micromachinedtunneling accelerometr，Journal of Microelectromechenical Systems，vol.10，No.3，September 2001 pp425-433)和美國密西根大學(xué)KhalilNajafi等人(Chingwen Yeh and Khalil Najafi，A Low-VoltageTunneling-Based Silicon Microaccelerometer IEEE TRANSACTIONSON ELECTRON DEVICES，VOL.44，NO.11，NOVEMBER 1997pp1875-1882)對隧道加速度計(jì)做了大量研究，制備出具有一定性能的隧道加速度計(jì)。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)隧道式傳感器低頻噪聲和漂移較大，這就限制了其應(yīng)用范圍，差分檢測是一種很好的抑制漂移和噪聲的方法，但由于隧道加速度計(jì)需要反饋電路控制隧尖與對應(yīng)電極的距離，實(shí)現(xiàn)差分檢測需要在正反兩面加工隧尖、電極和引線，采用目前的結(jié)構(gòu)和工藝難以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種差分式隧道加速度計(jì)，具體公開該差分式隧道加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)，該加速度計(jì)具有微型化、精度高、可批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。
本發(fā)明的另一目的是提供所述差分式隧道加速度計(jì)的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種差分式抗高過載隧道加速度計(jì)，包括玻璃襯底，玻璃襯底上電信號連接引線，玻璃襯底通過錨點(diǎn)(anchor)與支撐梁，固定梳齒電極和隧尖相連接。支撐梁與質(zhì)量塊、可動(dòng)梳齒電極相連。其特點(diǎn)是敏感結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，輔以差分式反饋控制電路，實(shí)現(xiàn)了差分式隧道加速度計(jì)；隧尖與玻璃襯底之間的連接為彈性連接而不是剛性連接，該結(jié)構(gòu)提高了器件的抗高過載能力；在制備方法上，設(shè)計(jì)了成套的差分式隧道加速度計(jì)制備方法，其中主要包括陽極鍵合、電感耦合等離子體刻蝕工藝(ICP)和聚焦離子束工藝(FIB)等工藝。
本發(fā)明的差分式抗高過載隧道加速度計(jì)，利用反饋控制電路自適應(yīng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓，使隧尖和對應(yīng)電極的距離始終保持1nm左右，通過反饋電壓的變化讀取輸入加速度的大小。本發(fā)明不僅實(shí)現(xiàn)了敏感結(jié)構(gòu)的對稱，而且在反饋控制電路中，采用單一分壓電路方案對差分結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和偏置，采用對稱電路方案進(jìn)行濾波和反饋，從而抑制了噪聲和漂移，提高了隧道加速度計(jì)的精度。
差分式抗高過載隧道加速度計(jì)的制備方法，依次包括以下步驟
1.起始材料為硅片，在硅片上刻蝕淺槽，以便在最后的刻蝕中釋放結(jié)構(gòu)。刻蝕方法可以采用氫氧化鉀(KOH)腐蝕工藝，也可以采用其他鄰苯二酚乙烯二胺(EDP)、氫氧化四甲基銨(TMAH)等其他腐蝕方法。
2.在玻璃襯底上制備驅(qū)動(dòng)電極和隧尖對應(yīng)電極，首先在玻璃襯底上腐蝕出潛槽，然后在潛槽內(nèi)淀積金屬，以實(shí)現(xiàn)好的鍵合質(zhì)量和電連接。
3.陽極鍵合，實(shí)現(xiàn)玻璃襯底和硅片的對準(zhǔn)和粘合。
4.采用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕硅片背面，得到差分式敏感結(jié)構(gòu)，包括質(zhì)量塊、固定梳齒、活動(dòng)梳齒，支撐梁和彈性隧尖，但不刻穿，余9-11μm左右。
5.采用聚焦離子束技術(shù)在硅結(jié)構(gòu)上刻蝕出淀積隧尖的臺階，然后再淀積金屬鉑隧尖。
6.再次采用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕硅片背面，刻穿硅片，釋放結(jié)構(gòu)，即完成所述隧道加速度計(jì)的加工。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明的差分式抗高過載隧道加速度計(jì)，由于設(shè)計(jì)了差分式的敏感結(jié)構(gòu)，同時(shí)輔以差分式的反饋控制電路，因而可以大幅度降低器件的噪聲和漂移，提高器件的性能，拓展其應(yīng)用范圍。本發(fā)明設(shè)計(jì)了彈性隧尖結(jié)構(gòu)，在不影響器件動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的情況下有效地提高了隧道加速度計(jì)的抗過載性能，進(jìn)一步拓寬了隧道加速度計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域。
本發(fā)明采用的制備方法采用常規(guī)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝設(shè)備和先進(jìn)的聚焦離子束技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大批量制造，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了隧道加速度計(jì)的微型化。制備方法中，先在硅片上刻蝕出結(jié)構(gòu)，但不釋放，再進(jìn)行聚焦離子束刻蝕和淀積，這樣就避免了由于導(dǎo)電性引起的成像漂移，難以進(jìn)行精確定位的問題。采用聚焦離子束技術(shù)的另一個(gè)好處是克服了常規(guī)淀積工藝難以實(shí)現(xiàn)大的隔離電阻的問題。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)地說明圖1為本發(fā)明隧道加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明隧道加速度計(jì)的彈性隧尖結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明隧道加速度計(jì)的反饋控制電路原理圖。
圖4(a)～圖4(g)示出了本發(fā)明隧道加速度計(jì)的主要制備過程。
圖中1-玻璃襯底，2-固定梳齒電極，3-隧尖，4、4′、4″-鍵合錨點(diǎn)，5-檢測質(zhì)量塊，6-支撐梁，7-可動(dòng)梳齒電極，8-電引線，9-壓焊電極，10-彈性梁，11-硅襯底最佳實(shí)施例詳細(xì)描述下面參照本發(fā)明的附圖，更詳細(xì)的描述出本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
實(shí)施例1差分式隧道加速度計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，為差分式隧道加速度計(jì)的示意圖。包括玻璃襯底1，玻璃襯底1上有電連接引線8和壓焊電極9，為Ti/Pt/Au三層結(jié)構(gòu)或者Cr/Au雙層結(jié)構(gòu)等，玻璃襯底1通過鍵合錨點(diǎn)4與支撐梁6固定連接，檢測質(zhì)量塊5與支撐梁6固定連接，可動(dòng)電極7與質(zhì)量塊6固定連接，可動(dòng)電極7通過質(zhì)量塊5、支撐梁6、鍵合錨點(diǎn)4、相鄰的電連接引線8與對應(yīng)的對應(yīng)的壓焊電極9實(shí)現(xiàn)電連接。
固定電極2通過鍵合錨點(diǎn)4″與玻璃襯底固定連接，同時(shí)通過相鄰的電連接引線8與對應(yīng)的壓焊電極9實(shí)現(xiàn)電連接，固定電極2與可動(dòng)電極7是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)對應(yīng)電極，可以是平板電極，也可以是梳齒電極。
隧尖3位于結(jié)構(gòu)正中央，隧尖3包括左右對稱的兩個(gè)隧尖。隧尖通過鍵合錨點(diǎn)4′與玻璃襯底固定連接，同時(shí)通過相鄰的電連接引線8與對應(yīng)的壓焊電極9實(shí)現(xiàn)電連接。
整個(gè)結(jié)構(gòu)左右對稱。
圖2所示為本發(fā)明隧道加速度計(jì)的彈性隧尖結(jié)構(gòu)示意圖，隧尖可為彈性隧尖。
實(shí)施例2差分式隧道加速度計(jì)檢測電路如圖3所示，為差分式隧道加速度計(jì)檢測電路原理圖，圖中兩個(gè)隧尖的電位完全相同，且共用一套偏置和基準(zhǔn)分壓電路，由電阻R1、R2、R3、Vcc、地提供，其中接隧尖的電壓為偏置電壓，調(diào)整R1、R2、R3使其等于100mV，保證工作狀態(tài)下隧尖與對應(yīng)電極之間的電流為隧道電流，調(diào)整R1、R2、R3使基準(zhǔn)電壓等于10mV，用于后續(xù)比較電路，R8的作用是將隧道電流轉(zhuǎn)換為隧道電壓，也可采用電流-電壓轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，隧道電壓和基準(zhǔn)電壓通過A1、A1′比較后，由R4、C2、A2、R4′、C2′、A2′組成的對稱電路進(jìn)行濾波和跟隨處理，之后進(jìn)入反饋控制環(huán)節(jié)，由電阻R5、R6、R7、R5′、R6′、R7′、Vcc、地組成，也采用完全對稱的電路，與對稱敏感結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，這種差分式的反饋控制電路抑制了電路中產(chǎn)生的噪聲和漂移，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，從而同時(shí)也抑制了結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的噪聲和漂移。輸出為兩個(gè)對稱敏感單元的差分，靈敏度比單個(gè)單元提高了一倍。
差分式隧道加速度計(jì)的制備方法圖4所示為差分式隧道加速度計(jì)的制備工藝。
1.起始材料為雙拋N型(100)硅片9，厚度為400±10微米，電阻率2～4Ωcm；2.KOH腐蝕潛槽，濃度30％，溫度80℃，制備結(jié)構(gòu)的活動(dòng)空間，厚度為3～4μm，如圖4(a)所示；3.制備電引線和壓焊電極，首先在玻璃上用HF溶液腐蝕深1000的潛槽，然后淀積光刻膠，采用同一張掩膜版進(jìn)行光刻、顯影后，采用濺射工藝淀積Ti/Pt/Au(厚度為400/300/900)，最后采用丙酮超聲工藝剝離，在玻璃襯底1上制備出電引線和壓焊電極，包括隧尖電極、質(zhì)量塊1連接電極、質(zhì)量塊2連接電極、固定電極1、固定電極2，如圖4(b)所示；4.陽極鍵合，首先在雙面對準(zhǔn)光刻機(jī)(型號KarlSuss MA6/BA6)上將玻璃襯底襯底1和硅片9的對準(zhǔn)，然后在鍵合機(jī)(型號KSSB6)上進(jìn)行陽極鍵合，鍵合溫度380℃、鍵合電壓1500V，常壓鍵合，如圖4(c)所示；5.第一次電感耦合等離子體刻蝕工藝，控制刻蝕時(shí)間和鈍化時(shí)間分別為7秒/9秒，氣壓小于150毫乇，生成質(zhì)量塊、支撐梁和隧尖的基本結(jié)構(gòu)，其側(cè)壁保持垂直，不刻穿，留余厚9-11μm，如圖4(d)所示；6.聚焦粒子束工藝刻蝕出淀積隧尖的臺階，如圖4(e)所示；7.聚焦粒子束工藝生成Pt隧尖，如圖4(f)所示；8.第二次電感耦合等離子體刻蝕工藝，控制刻蝕時(shí)間和鈍化時(shí)間分別為8秒/9秒，氣壓小于150毫乇，釋放結(jié)構(gòu)，如圖4(g)所示；9.裂片，完成隧道加速度計(jì)的加工。
前述方法制得的差分式抗高過載隧道加速度計(jì)，其中下部為玻璃襯底1，上部為硅結(jié)構(gòu)，由八根位于質(zhì)量塊5四周的支撐梁6支撐，隧尖3位于整個(gè)結(jié)構(gòu)的正中央，為左右對稱的兩個(gè)隧尖。隧尖3為圓型，采用聚焦粒子束工藝淀積而成。隧尖3與對應(yīng)質(zhì)量塊之間的初始距離通過第一次電感耦合等離子體刻蝕和聚焦離子束淀積工藝一起控制；支撐梁6和質(zhì)量塊5均通過干法深刻蝕得到，采用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)和聚焦粒子束技術(shù)，得到差分式隧道加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，輔以差分式的反饋控制電路，大幅度降低了隧道加速度計(jì)的噪聲和漂移，提高了器件的精度。
盡管為說明目的公開了本發(fā)明的最佳實(shí)施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種差分式抗高過載微型隧道加速度計(jì)，包括玻璃襯底，玻璃襯底上電信號連接引線，其特征在于采用抗高過載差分式敏感結(jié)構(gòu)和差分式反饋控制電路；差分式敏感結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、固定梳齒、活動(dòng)梳齒，支撐梁和彈性隧尖、電連接引線和壓焊電極；玻璃襯底通過錨點(diǎn)與支撐梁、固定梳齒電極和隧尖相連接，支撐梁與質(zhì)量塊、可動(dòng)梳齒電極相連；隧尖位于結(jié)構(gòu)正中央，隧尖包括左右對稱的兩個(gè)隧尖；隧尖與玻璃襯底之間的連接為彈性連接而不是剛性連接；差分式反饋控制電路包括，共用的偏置和基準(zhǔn)電路，對稱的濾波和反饋電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分式抗高過載微型隧道加速度計(jì)，其特征在于隧尖可為彈性隧尖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分式抗高過載微型隧道加速度計(jì)，其特征在于兩個(gè)隧尖的電位完全相同，且共用一套偏置和基準(zhǔn)分壓電路，而比較、濾波和反饋電路則采用完全對稱的電路實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分式抗高過載微型隧道加速度計(jì)，其特征在于輸出為兩個(gè)對稱敏感單元的差分。
5.一種差分式抗高過載微型隧道加速度計(jì)的制備方法，具體包括以下步驟(1)起始材料為硅片，在硅片上刻蝕淺槽，以便在最后的刻蝕中釋放結(jié)構(gòu)；(2)在玻璃襯底上制備驅(qū)動(dòng)電極和隧尖對應(yīng)電極；(3)陽極鍵合，實(shí)現(xiàn)玻璃襯底和硅片的對準(zhǔn)和粘合；(4)采用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕硅片背面，得到差分式敏感結(jié)構(gòu)，包括質(zhì)量塊、固定梳齒、活動(dòng)梳齒，支撐梁和彈性隧尖，但不刻穿；(5)采用聚焦離子束技術(shù)在隧尖的頂部生成金屬鉑尖；(6)再次采用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕硅片背面，刻穿硅片，釋放結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的差分式抗高過載微型隧道加速度計(jì)的制備方法，其特征在于采用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕硅片背面時(shí)，不刻穿，余9-11um，然后用聚焦粒子束工藝制備隧尖，接下來再用電感耦合等離子體刻蝕工藝釋放結(jié)構(gòu)，得到差分式隧道加速度計(jì)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種差分式隧道加速度計(jì)，具體公開該差分式隧道加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)及其制備方法。本發(fā)明的差分式抗高過載隧道加速度計(jì)，包括玻璃襯底，玻璃襯底上電信號連接引線，玻璃襯底通過錨點(diǎn)與支撐梁，固定梳齒電極和隧尖相連接。支撐梁與質(zhì)量塊、可動(dòng)梳齒電極相連。其特點(diǎn)是敏感結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，輔以差分式反饋控制電路，實(shí)現(xiàn)了差分式隧道加速度計(jì)；隧尖與玻璃襯底之間的連接為彈性連接而不是剛性連接，該結(jié)構(gòu)提高了器件的抗高過載能力；在制備方法上，設(shè)計(jì)了成套的差分式隧道加速度計(jì)制備方法，其中主要包括陽極鍵合、電感耦合等離子體刻蝕工藝和聚焦離子束工藝等工藝。
文檔編號H01L29/84GK1746681SQ20041000952
公開日2006年3月15日 申請日期2004年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月8日
發(fā)明者董海峰, 郝一龍, 賈玉斌, 沈三民, 張文棟 申請人:北京大學(xué)