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，要求具 有無源、小體積、“彈簧-質量”系統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。現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、裝配和調試，很 難實現微型化。因此采用MEMS微制造技術實現慣性開關，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節中的電極問題。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 進行優化。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種微慣性開關芯片，本發明同時提供一種微慣 性開關芯片的制備方法。本發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。本發明的微慣性開關芯片根據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，實現了微慣性開關的低應力一體化微加工，提高了產品的成品率和性 能一致性。本發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為本發明的微慣性開關芯片的剖面結構示意圖。圖2為本發明中的硅管芯結構示意圖。圖3 (a)為本發明中的方形質量塊剖面結構示意圖。圖3 (b)為本發明中的方形質量塊剖面結構示意圖。圖3 (C)為本發明中的方形質量塊剖面結構示意圖。圖3 (d)為本發明中的方形質量塊剖面結構示意圖。圖4 (a)為本發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)為本發明中的帶有深槽的玻璃封帽剖面結構示意圖。圖5為本發明中的雙埋層SOI硅片剖面結構示意圖。圖6 (a)為本發明中的采用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為本發明中的硅框架剖面結構示意圖。圖8 (a)為本發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，通過鍵合實現芯片的圓片級封裝。圖2為本發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為本發明中的雙埋層SOI硅片剖面結構示意圖。圖6 (a)為本發明中的采用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，實現了微慣性開關的低應力一體化微加工。本發明具有結構精巧、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 優先權日2010年12月15日
發明者吳嘉麗, 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