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石英MEMS传感器工作原理结构及加工工艺

时间:2021-06-03 点击次数:

石英MEMS传感器的工作原理、敏感芯片结构和加工工艺,着重阐述了石英晶体各向异性蚀刻机理和湿法蚀刻工艺,影响湿法蚀刻石英晶体形状结构的溶液浓度、溶液流场、反应气泡等因素,结合设备制造安全性重点论述了湿法蚀刻设备整体结构工艺、溶液浓度控制工艺、晶片旋转控制工艺等设备制造的重要工艺。关键词:石英MEMS传感器石英晶体各向异性湿法蚀刻MEMS是指微机电系统,是指采用微机电加工工艺,根据功能要求将机器元器件、电子元器件和传感器实行元器件整合到微米级芯片上形成的独立智能系统。单晶石英材料具有压电效果,具有优良的温度、机械性能、高品质因素等特性,因此采用单晶石英制作的石英MEMS加速度传感器、压力传感器和石英MEMS陀螺仪等具有高精度、高稳定性、高清晰度等特性,在微型惯性导航系统、姿态测量和控制、航空宇宙、汽车电子、仪表等领域得到广泛应用,其加工技术和设备制造技术研究对促进产业发展具有技术支撑的重要意义。1石英MEMS传感器敏感芯片结构石英MEMS传感器主要应用于振动惯性构件,是通过振动原理测量运动物体的各种运动参数(包括角速、角度、线速等)的惯性构件。石英MEMS振动惯性器件主要包括石英微机械振动陀螺、石英振梁加速度计等,其敏感结构采用石英晶体,根据石英晶体的压电效果原理,采用微电子加工技术,是振动惯性技术与微机械加工技术的有机结合。石英微机械振动陀螺是音叉结构的哥氏振动陀螺,是MEMS角速度传感器。其敏感芯片结构为双端叉结构,包括驱动叉、读取叉和支撑结构。石英微机械振动陀螺的工作原理和敏感芯片结构如图1所示。驱动叉受自然频率左右振动,石英MEMS陀螺旋转垂直轴时,驱动叉受到哥力(Coriolis)的作用,产生垂直于叉平面的振动,该哥力运动传递到读音叉,使读音叉垂直于叉平面的方向振动,振动幅度与驱动叉的速度和外加速度相比敏感芯片结构是以石英晶体为基体材料的一体式叉结构,具有双端叉、单端叉等结构形式。双端叉结构分离驱动叉与读出叉,有利于减少耦合误差,灵敏度高,但体积大的单端叉结构驱动叉与读出叉共用叉,体积小,但信号相互干扰,灵敏度低。

石英微机械振动陀螺的工作原理和敏感芯片结构石英MEMS加速度计,即石英振梁加速度计,根据石英振梁的谐振频率随外力变化的特性检测运动体的加速度。一对一压电石英振梁和质量块通过柔性系统支撑形成一体化。石英振动梁与外电路组成两种不同频率的自激振动器,当其敏感轴方向有加速度输入时,一个振动梁受到张力,另一个振动梁受到压力,相应的振动频率逐一增加减少,其频率差可以测量输入加速度的大小。石英振动梁加速度计敏感芯片结构采用集石英振动梁、质量块、柔性支撑等一体化单片结构,通常有分体式和一体式两种形式。分体结构由两端固定石英振梁、柔性支撑结构等构成。其优点是石英振梁、柔性支撑结构单独加工,工艺比较简单,但组装工艺复杂。集成结构是在石英基片上完成振梁、柔性支撑和隔离框架的制作,其优点是避免材料不同引起的热匹配问题,精度高,体积小,容易集成组装。但缺点是芯片制作工艺难度大,成品率低。

石英振梁加速度计的工作原理和敏感芯片结构2石英MEMS传感器敏感芯片加工工艺石英MEMS传感器敏感芯片结构采用石英晶体材料。石英通常的加工方法有机械加工、激光加工、干法蚀刻和湿法蚀刻等。机械加工、激光加工由于加工质量和尺寸精度有限,不适合石英MEMS传感器敏感芯片复杂细小结构;干法蚀刻结构尺寸控制,可得到石英晶体表面平坦的高深宽比结构,但其加工成本高,效率低,目前石英干法蚀刻设备尚不成熟;湿法蚀刻通过光法,加工尺寸小,尺寸精度高,可批量加工,效率高,成本低,适合石英MEMS传感器敏感芯片复杂细小结构加工的技术。石英MEMS传感器敏感芯片工艺流程如图3所示。石英晶片清洗干燥后,进行晶片双面镀膜,形成湿法浸蚀的保护膜,然后通过双面光刻技术,在晶片金属膜上形成敏感的晶片结构形状,然后进行石英晶片湿法浸蚀,形成必要的三维晶片结构,然后在晶片结构上形成电极,形成完整的敏感晶片。石英湿法蚀刻液是一种具有很强腐蚀性的HF溶液,对包括光刻胶在内的大部分物质都有腐蚀性,所以一般选用金属作为口罩层,黄金的化学性质比较稳定,不会与HF酸反应,黄金口罩层的致密性能会很好的阻止蚀刻液的渗透,但是黄金和石英的附着性比较差,长时间浸泡在蚀刻液中很容易与石英脱落,导致口罩无效。因此,通常在黄金和石英之间溅射或蒸镀石英附着性强的铬和钛,有效避免口罩层故障。

石英MEMS传感器敏感芯片加工工艺流程3湿法蚀刻工艺石英在常压下,伴随着溫度的变化,低温石英(α石英)、高温石英(β石英)、磷石英、方石英和石英玻璃等5种变体。其中石英玻璃是晶体型二氧化硅变为非晶体型的玻璃熔体,又称熔体石英,各向同性,无压电效果。石英晶体通常是指低温石英(α石英),α石英晶体具有典型的压电效应、良好的绝缘性和显著的各向异性。适用于石英不规则复杂结构加工,如尖角、空腔、高深宽比侧壁、悬臂梁等,是石英MEMS传感器敏感芯片复杂三维结构的重要晶体材料。由于石英晶体原子结构的排列有方向性,不同方向的晶体原子排列结构和原子密度不同,晶体化学反应(蚀刻速度)不同,表现出不同方向的异性特性。石英MEMS传感器敏感芯片湿法蚀刻技术,利用石英晶体各向异性蚀刻特性,通过化学蚀刻液与蚀刻晶体之间的非等向化学反应去除蚀刻部分,实现敏感芯片的微纳米图形结构。为了获得预期稳定的蚀刻结构和良好的石英表面加工质量,需要严格控制蚀刻时间和蚀刻速度。为了达到这目的,通常通过选择适当的腐蚀液配比和控制腐蚀液温度和浓度来改变各晶面的腐蚀速度,减少侧腐蚀量,达到预期的形状结构。通常,腐蚀液在HF溶液中加入适量的NH4F溶液或饱和的NH4HF2溶液,温度范围(40~90℃)±1℃。化学反应方法:

SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O。

SiO2+4NH4F+2H2O→SiF4↑+4NH3H2O。

太阳集团5493con专业研发生产高品质、高精度力传感器。产品可广泛应用于多种新型和智能化高端领域,包括工业自动化生产线、3C、新能源、机器人、机械制造、医疗、纺织、汽车、冶金以及交通等领域。

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