專利名稱：一種微慣性開關芯片及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微控制開關技術領域，具體涉及一種微慣性開關芯片及其制備方法。
背景技術：
慣性開關是用于感知慣性加速度信號，將傳感與執(zhí)行融為一體的精密慣性器件， 其閉合閾值的設計范圍為Ig 30g (g:標準重力加速度)，主要應用于飛行器系統(tǒng)，要求具 有無源、小體積、“彈簧-質量”系統(tǒng)的一階自然頻率小于IOOHz等特點。慣性開關大多采用 典型的“彈簧_質量-阻尼”結構，當檢測到超過閉合閾值的慣性加速度信號時，以可動質 量塊與固定電極接觸的方式提供開關閉合信號?，F(xiàn)有成熟應用的慣性開關大多采用精密機械加工方式完成生產(chǎn)、裝配和調試，很 難實現(xiàn)微型化。因此采用MEMS微制造技術實現(xiàn)慣性開關，具有重要的研究價值。中國2009 年6月出版的《光學精密工程》第17卷第6期雜志中“Low-g micro inertial switch based on Archimedes' spiral”(P1257-1261)—文公開了一種基于阿基米德螺旋線的微 慣性開關，采用紫外線厚膠光刻LIGA技術制作出了厚度在20 μ m 40 μ m的螺旋梁，成功 實現(xiàn)了慣性開關的微型化和低頻設計要求，同時微電鑄工藝選用導電性好的金屬鎳作為螺 旋梁材料，簡化了慣性開關設計環(huán)節(jié)中的電極問題。但是，紫外線厚膠光刻LIGA技術存在 兩個問題
1)紫外線厚膠光刻LIGA工藝最常用的光刻膠SU-8存在較大的張應力，很難形成高精 度的厚膠模，以及烘烤量大時在工藝的后段難以去除。2)受光刻膠膠模圖形和具體工藝參數(shù)的影響，微電鑄制作的螺旋梁的表面平整性 和厚度均勻性差，存在針孔和積瘤等缺陷，以及結構的機械強度和內應力等問題，造成成品 率較低、產(chǎn)品性能的分散性較大。為了獲得高性能的螺旋梁結構，需開展大量的工藝試驗對微電鑄的具體工藝參數(shù) 進行優(yōu)化。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種微慣性開關芯片，本發(fā)明同時提供一種微慣 性開關芯片的制備方法。本發(fā)明的微慣性開關芯片，芯片中的玻璃封帽、硅管芯、硅框架和玻璃基底依次連 接形成一個封閉體系；在硅管芯內部設置有感知慣性加速度的方形質量塊，在方形質量塊 的一對對角頂點設置有兩根結構相同的、環(huán)繞方形質量塊的、位于方形質量塊厚度方向中 心平面的平面矩形螺旋梁；方形質量塊的底面設置有用于導電的金屬層；硅框架用于形成 方形質量塊和玻璃基底的初始間距；玻璃基底上設置有兩個金屬電極；玻璃封帽用于保護 硅管芯內部的方形質量塊和平面矩形螺旋梁結構。所述的硅框架與硅管芯設置在同一個基片上。所述的玻璃封帽采用硅封帽替代。 所述的硅框架采用玻璃框架替代。所述的玻璃基底采用硅基底替代。
本發(fā)明的微慣性開關芯片的制備方法，依次包括下列步驟
(a)在硅片上光刻出圖形，然后采用KOH溶液腐蝕方法腐蝕形成方形質量塊；
(b)在KOH溶液腐蝕形成的深槽里光刻出圖形，然后采用ICP刻蝕方法形成平面矩形螺 旋梁結構；
(c)采用剝離方法在方形質量塊底面上形成一金屬層；
(d)采用ICP刻蝕方法刻蝕穿通硅片，形成硅管芯；
(e)將玻璃封帽和硅管芯、硅框架和玻璃基底分別進行陽極鍵合，然后將硅管芯和硅框 架進行共晶鍵合，形成微慣性開關芯片。本發(fā)明的微慣性開關芯片的制備方法步驟(a)中的硅片為雙埋層SOI硅片。本發(fā)明的微慣性開關芯片的制備方法步驟(a)中KOH溶液腐蝕方法采用ICP刻蝕 方法替代。本發(fā)明的微慣性開關芯片的制備方法步驟(d)中ICP刻蝕方法采用KOH溶液腐蝕 方法替代。本發(fā)明的微慣性開關芯片的制備方法步驟(e)中的硅管芯和硅框架的共晶鍵合采 用熔融鍵合方式替代。本發(fā)明的微慣性開關的工作原理為在慣性加速度作用下，方形質量塊向玻璃基 底運動，當慣性加速度達到閉合閾值時，方形質量塊上的金屬層與玻璃基底上的兩個金屬 電極同時接觸，從而提供開關閉合信號。本發(fā)明的微慣性開關芯片根據(jù)MEMS微制造技術的特點，采用“平面矩形螺旋 梁_方形質量塊”微結構，解決了 MEMS低頻“彈簧-質量”結構的制備問題；本發(fā)明采用缺 陷較少的單晶硅作為梁的結構材料，提高了梁的質量。本發(fā)明采用雙埋層SOI硅片和MEMS 微制造技術，基于二氧化硅埋層具有KOH溶液腐蝕/ICP刻蝕自停止的特點，解決了高性能 梁結構的制備問題，實現(xiàn)了微慣性開關的低應力一體化微加工，提高了產(chǎn)品的成品率和性 能一致性。本發(fā)明能夠有效地提高微慣性開關抗橫向干擾、抗縱向振動或沖擊干擾的性能， 具有結構精巧、加工精度高、批量制備、成本低等特點。
圖1為本發(fā)明的微慣性開關芯片的剖面結構示意圖。圖2為本發(fā)明中的硅管芯結構示意圖。圖3 (a)為本發(fā)明中的方形質量塊剖面結構示意圖。圖3 (b)為本發(fā)明中的方形質量塊剖面結構示意圖。圖3 (C)為本發(fā)明中的方形質量塊剖面結構示意圖。圖3 (d)為本發(fā)明中的方形質量塊剖面結構示意圖。圖4 (a)為本發(fā)明中的在帶有金屬和厚膠的硼硅玻璃基片上光刻出圖形后的剖面 結構示意圖。圖4 (b)為本發(fā)明中的帶有深槽的玻璃封帽剖面結構示意圖。圖5為本發(fā)明中的雙埋層SOI硅片剖面結構示意圖。圖6 (a)為本發(fā)明中的采用KOH溶液腐蝕方法腐蝕形成的方形質量塊剖面結構示 意圖。
圖6 (b)為本發(fā)明中的采用ICP刻蝕方法刻蝕形成的平面矩形螺旋梁剖面結構示 意圖。圖6 (C)為本發(fā)明中的采用ICP刻蝕方法刻蝕穿通硅片形成的硅管芯剖面結構示 意圖。圖7為本發(fā)明中的硅框架剖面結構示意圖。圖8 (a)為本發(fā)明中的在硼硅玻璃基片上光刻出圖形后的剖面結構示意圖。圖8 (b)為本發(fā)明中的帶有金屬電極的玻璃基底剖面結構示意圖。圖中，1.玻璃封帽 2.硅管芯 3.硅框架 4.玻璃基底 21.平面 矩形螺旋梁 22.方形質量塊 221.方形質量塊結構I 222.方形質量塊結 構II 223.方形質量塊結構III 224.方形質量塊結構IV 100.硼硅玻璃基片 101.金屬掩膜 102.光刻膠 103.金屬電極 201.單晶硅 202. 二氧化硅 203.金屬層。
具體實施例方式圖1為本發(fā)明的微慣性開關芯片的剖面結構示意圖，微慣性開關芯片包括玻璃封 帽1、硅管芯2、硅框架3和玻璃基底4，通過鍵合實現(xiàn)芯片的圓片級封裝。圖2為本發(fā)明中的硅管芯結構示意圖，硅管芯包括平面矩形螺旋梁21和方形質量 塊22兩部分。圖3為沿圖2 A-A剖線的剖面結構示意圖。根據(jù)微慣性開關芯片的制備方法中的 步驟(a)、(b)、(c)和(d)，采用KOH溶液腐蝕和ICP刻蝕方法進行處理得到四種方形質量 塊如圖3 (a)所示的方形質量塊結構I 221、如圖3 (b)所示的方形質量塊結構II 222、如 圖3 (c)所示的方形質量塊結構III 223、如圖3 (d)所示的方形質量塊結構IV 224。下面結合圖3 (c)所示的方形質量塊結構III 223，對微慣性開關芯片的制備過程作 進一步詳細說明。圖4 (a)為本發(fā)明中的在帶有金屬和厚膠的硼硅玻璃基片上光刻出圖形后的剖面 結構示意圖。圖4 (b)為本發(fā)明中的帶有深槽的玻璃封帽剖面結構示意圖。玻璃封帽的制備過程
1)選取硼硅玻璃基片100，雙面濺射金屬掩膜101，然后雙面旋途光刻膠102。單 面光刻出圖形后腐蝕去除圖形區(qū)域的金屬，形成金屬-光刻膠的復合掩膜層，如圖4 (a)所 示；
2)以HF/HC1溶液腐蝕玻璃，然后依次腐蝕去除光刻膠和金屬掩膜，得到玻璃封帽 1，如圖4 (b)所示。圖5為本發(fā)明中的雙埋層SOI硅片剖面結構示意圖。圖6 (a)為本發(fā)明中的采用KOH溶液腐蝕方法腐蝕形成的方形質量塊剖面結構示 意圖。圖6 (b)為本發(fā)明中的采用ICP刻蝕方法刻蝕形成的平面矩形螺旋梁剖面結構示意 圖。圖6(c)為本發(fā)明中的采用ICP刻蝕方法刻蝕穿通硅片形成的硅管芯剖面結構示意圖。硅管芯的制備過程
1)選取雙埋層SOI硅片，由三層單晶硅和兩層二氧化硅組成，如圖5所示；
2)采用常規(guī)氧化工藝，生成二氧化硅氧化層。單面光刻出圖形后以HF溶液漂洗SiO2 ；
3)以二氧化硅氧化層為掩膜層，采用KOH溶液腐蝕方法腐蝕至雙埋層SOI硅片的 二氧化硅202時，腐蝕自停止，形成質量塊22。以HF溶液腐蝕去除深槽內的二氧化硅202 ；
4)在KOH溶液腐蝕形成的深槽里光刻出圖形后采用剝離方法形成金屬層203，如 圖6 (a)所示；
5)在KOH溶液腐蝕形成的深槽里光刻出圖形后采用ICP刻蝕方法刻蝕至雙埋層 SOI硅片的二氧化硅202時，刻蝕自停止，形成平面矩形螺旋梁結構。然后采用RIE刻蝕方 法刻蝕去除深槽內的二氧化硅202，如圖6 (b )所示；
6)對基片另一面光刻出圖形，采用ICP刻蝕方法刻蝕穿通，然后采用RIE刻蝕方法 刻蝕去除平面矩形螺旋梁21上的二氧化硅202，得到硅管芯，如圖6 (c)所示，其中方形質 量塊為方形質量塊結構III 223。圖7為本發(fā)明中的硅框架剖面結構示意圖。硅框架的制備過程
選取雙面拋光硅片，采用常規(guī)氧化工藝，在單晶硅201表面生成二氧化硅202 ；光刻出 圖形后以HF溶液腐蝕形成二氧化硅掩膜層，然后采用KOH溶液腐蝕方法腐蝕穿通，得到硅 框架，如圖7所示。圖8 (a)為本發(fā)明中的在硼硅玻璃基片上光刻出圖形后的剖面結構示意圖。圖8 (b)為本發(fā)明中的帶有金屬電極的玻璃基底剖面結構示意圖。玻璃基底的制備過程
1) 選取硼硅玻璃基片100，旋途光刻膠102，光刻出圖形后再以HF溶液腐蝕出淺 槽，如圖8 (a)所示。2) 采用剝離方法在硼硅玻璃基片100上制備金屬電極103，得到玻璃基底，如 圖8 (b)所示。在微慣性開關芯片制備過程中，采用KOH溶液腐蝕會出現(xiàn)一個側壁坡度為 57.74°的錐型結構，而采用ICP刻蝕得到的是帶有垂直側壁的深槽，因此可獲得四種不同 結構的質量塊。當硅框架的基片厚度< 200μπι時，加工存在較大的困難，可以通過在雙埋 層SOI硅片上先制作出框架，然后在進行管芯的制備，這樣即可以在一個雙埋層SOI硅片上 制備出硅框架和硅管芯結構。
權利要求
1.一種微慣性開關芯片，其特征在于所述的微慣性開關芯片中的玻璃封帽、硅管芯、 硅框架和玻璃基底依次連接形成一個封閉體系；在硅管芯內部設置有感知慣性加速度的方 形質量塊，在方形質量塊的一對對角頂點設置有兩根結構相同的、環(huán)繞方形質量塊的、位于 方形質量塊厚度方向中心平面的平面矩形螺旋梁；方形質量塊的底面設置有用于導電的金 屬層；硅框架用于形成方形質量塊和玻璃基底的初始間距；玻璃基底上設置有兩個金屬電 極。
2.根據(jù)權利要求1所述的微慣性開關，其特征是所述的硅框架與硅管芯設置在同一 個硅基片上。
3.根據(jù)權利要求1所述的微慣性開關，其特征是所述的玻璃封帽采用硅封帽替代。
4.根據(jù)權利要求1所述的微慣性開關，其特征是所述的硅框架采用玻璃框架替代。
5.根據(jù)權利要求1所述的微慣性開關，其特征是所述的玻璃基底采用硅基底替代。
6.用于權利要求1所述的微慣性開關芯片的制備方法，其特征在于，依次包括下列步驟(a)在硅片上光刻出圖形，然后采用KOH溶液腐蝕方法腐蝕形成方形質量塊；(b)在KOH溶液腐蝕形成的深槽里光刻出圖形，然后采用ICP刻蝕方法形成平面矩形螺 旋梁結構；(c)采用剝離方法在方形質量塊底面上形成一金屬層；(d)采用ICP刻蝕方法刻蝕穿通硅片，形成硅管芯；(e)將玻璃封帽和硅管芯、硅框架和玻璃基底分別進行陽極鍵合，然后將硅管芯和硅框 架進行共晶鍵合，形成微慣性開關芯片。
7.根據(jù)權利要求6所述的微慣性開關芯片的制備方法，其特征是所述步驟(a)中硅片 為雙埋層SOI硅片。
8.根據(jù)權利要求6所述的微慣性開關芯片的制備方法，其特征是所述步驟(a)中KOH 溶液腐蝕方法采用ICP刻蝕方法替代。
9.根據(jù)權利要求6所述的微慣性開關芯片的制備方法，其特征是所述步驟(d)中ICP 刻蝕方法采用KOH溶液腐蝕方法替代。
10.根據(jù)權利要求6所述的微慣性開關芯片的制備方法，其特征是所述步驟(e)中硅 管芯和硅框架的共晶鍵合采用熔融鍵合方式替代。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種微慣性開關芯片及其制備方法。微慣性開關芯片包括玻璃封帽、硅管芯、硅框架和玻璃基底四部分，硅管芯為“平面矩形螺旋梁-方形質量塊”微結構。在慣性加速度作用下，方形質量塊向玻璃基底運動，當慣性加速度達到閉合閾值時，方形質量塊上的金屬層與玻璃基底上的兩個金屬電極同時接觸，從而提供開關閉合信號。本發(fā)明采用“平面矩形螺旋梁-方形質量塊”微結構，解決了微慣性開關低頻“彈簧-質量”結構的設計問題。采用雙埋層SOI硅片和MEMS微制造技術，解決了高性能梁結構的制備問題，實現(xiàn)了微慣性開關的低應力一體化微加工。本發(fā)明具有結構精巧、加工精度高、批量制備、成本低等特點。
文檔編號B81C1/00GK102005330SQ20101058951
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權日2010年12月15日
發(fā)明者吳嘉麗, 施志貴, 武蕊, 王超, 鄭英彬, 陳光焱 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所