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三明治式电容加速度传感器是一种重要的微机械惯性器件,具有分辨率高、动态范围大、温度特性好和噪声低等优点。在航天航空导航、导弹制导、石油勘探等领域具有广泛的应用。
本论文提出了一种利用SOI微机械和体硅微机械相结合的工艺技术制作三明治电容式加速度传感器。本工艺用SOI硅片的顶层硅制作梁和表面极板结构,用衬底制作敏感可动质量块结构。采用DRIE刻蚀穿通硅片形成释放孔结构,用TMAH各向异性腐蚀实现质量块和框架的释放。在TMAH腐蚀过程中,采用金硅原电池保护梁和表面极板结构。同时为了降低漏电流对金硅原电池保护的影响,用未击穿的反镕丝实现顶层硅和衬底硅的电学隔离,腐蚀完成后击穿反熔丝实现梁和质量块的电学连接。采用部分封装后释放的工艺,避免封装对可动结构的影响,并且用封装基板上的金电极作为金硅原电池的金电极。
此工艺流程有如下特点:首先,加速度传感器的梁的厚度由SOI硅片的顶层硅厚度控制,可以精确控制;其次,加速度传感器的电容间隙由SOI硅片的埋层厚度精确控制;第三,可以制作大的质量块;第四,先部分封装再释放的工艺技术提高了成品率。最后,基于金硅原电池保护的加速度传感器制作工艺具有加工精度高、一致性高、重复性好的特点。
本文基于OKMETIC公司的BESOI设计和制作了电容式加速度传感器结构。梁在加速度传感器结构释放前后的宽度均在9.4μm-10μm之间,表明金硅原电池生效。将加速度传感器的两个串联反熔丝击穿,测得了两个串联反熔丝导通电阻在20KΩ-100KΩ之间,理论分析表明对加速度传感器电容检测的影响可以忽略不计。并且测得加速度传感器结构的吸合电压为32V。
本文同时研究了金硅原电池保护和反熔丝等关键工艺。通过测量了在25%TMAH腐蚀溶液中金和硅的极化特性曲线,得出了金硅暴露面积比大于5:1时会发生金硅原电池腐蚀自停止现象。制作了具有30nm二氧化硅的反熔丝层的反熔丝。在-10V到10V范围内,反铬丝的漏电流在-9pA到7pA之间。反熔丝的击穿电压在48V-50V之间,击穿后的反熔丝电阻在3KΩ-7KΩ之间。