專利名稱：一種具有高深寬比梳齒間隙硅微慣性器件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微慣性器件，尤其是涉及一種具有高深寬比梳齒間隙硅微慣性器件的制備方法。
背景技術(shù)：
在微米/納米技術(shù)這一引人注目的前沿技術(shù)背景下，慣性技術(shù)領(lǐng)域也經(jīng)歷著深刻的變化，以集成電路工藝和微機(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)制作的各種微器件和微機(jī)電系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，微型慣性測(cè)量組合成為其中典型性、代表性的成果。在微慣性器件中，以梳狀結(jié)構(gòu)最為典型，如懸浮結(jié)構(gòu)的梳狀制動(dòng)器，利用靜電力驅(qū)動(dòng)使得懸浮結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，以作為其他微結(jié)構(gòu)的動(dòng)力源。另一例，如加速度計(jì)，因外力使得懸浮的質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移而改變電極板間原有的電荷量，進(jìn)而測(cè)得加速度計(jì)所處系統(tǒng)的加速度。這些組件的特征之一都是利用梳狀微機(jī)電器件。微執(zhí)行器和者微傳感器要求較低的驅(qū)動(dòng)電壓或者較大的檢測(cè)信號(hào)，而減小兩電極間距是在保證高輸出力或者較大的電荷變化的同時(shí)降低驅(qū)動(dòng)電壓最有效地方法，因此，高深寬比梳齒間隙的獲得對(duì)微慣性器件的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。目前公知的工藝技術(shù)中已經(jīng)公開了較多制備具有高深寬比梳齒間隙微慣性器件的方法。如:通過生長(zhǎng)材料的方法。該方法是在梳狀結(jié)構(gòu)加工完成之后，將器件置于一定的環(huán)境之中，在梳齒上生長(zhǎng)一種導(dǎo)電材料,減小溝道間距,從而達(dá)到獲得高深寬比的方法。還有一種是通過濺射導(dǎo)電材料的方法，在梳齒上濺射導(dǎo)電材料，降低溝道間距，獲得高深寬比間隙。這兩種得到高深寬比間隙的方法比較簡(jiǎn)單，但是生長(zhǎng)和濺射的均勻性很難保證，這會(huì)導(dǎo)致梳齒間距的均勻性降低，從而影響梳齒間的電容變化的均勻性，最終影響器件的電學(xué)特性。還有一種方法是通過重復(fù)生長(zhǎng)刻蝕的方法(參見中國(guó)專利200510052957.1)，這種方法雖然可以獲得很高的深寬比，但是工藝步驟繁雜，加工成本很高，而且多次離子刻蝕會(huì)使梳齒工作面傾斜，同樣影響電學(xué)特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是克服生長(zhǎng)材料、濺射材料和重復(fù)刻蝕等方法制備具有高深寬比梳齒間隙的硅微慣性器件所存在的復(fù)雜、昂貴、電學(xué)特性難保證等缺點(diǎn)，提供簡(jiǎn)單、可保證電學(xué)特性且成本低的一種具有高深寬比梳齒間隙硅微慣性器件的制備方法。本發(fā)明包括以下步驟:I)加工梳狀結(jié)構(gòu)的硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)利用硅加工工藝在SOI片上加工梳狀結(jié)構(gòu)的硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)；硅微慣性器件主體結(jié)構(gòu)包括底座、懸浮梁、彈性懸浮梁連接梁、活動(dòng)梁、彈性活動(dòng)梁連接梁、卡勾和吸引電極；懸浮梁端部設(shè)有彈性懸浮梁連接梁，活動(dòng)梁端部設(shè)有彈性活動(dòng)梁連接梁，所述彈性懸浮梁連接梁、彈性活動(dòng)梁連接梁、卡勾和吸引電極均與底座制為一體，懸浮梁和活動(dòng)梁均設(shè)有梳齒，懸浮梁梳齒與活動(dòng)梁梳齒相互交替相嵌，相鄰的懸浮梁梳齒與活動(dòng)梁梳齒之間具有梳齒間隙；懸浮梁一端設(shè)有卡齒，卡齒面對(duì)卡勾，吸引電極位于懸浮梁的卡齒前方；2)加工與硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)配合的帶凹槽的封裝蓋；3)制備高深寬比的梳齒間隙在吸引電極和懸浮梁上施加相反電壓，在靜電吸合的作用下，懸浮梁通過彈性懸浮梁連接梁的變形向吸引電極的方向移動(dòng)，直至被卡勾卡住，然后去除電壓，懸浮梁被卡勾卡住定位不能彈回，在沿懸浮梁移動(dòng)方向一側(cè)的梳齒間隙被減小，從而形成高深寬比的梳齒間隙；4)制備硅微慣性器件成品利用鍵合或粘接工藝，使被卡勾卡住定位的懸浮梁與步驟2)所制備的封裝蓋的邊緣固接，從而使懸浮梁成為固定梁，而活動(dòng)梁不與封裝蓋固接，活動(dòng)梁仍可通過彈性活動(dòng)梁連接梁的變形而實(shí)現(xiàn)微慣性動(dòng)作；至此，則制備出具有高深寬比梳齒間隙硅微慣性器件。在步驟2)中，所述加工與硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)配合的帶凹槽的封裝蓋，可采用腐蝕或刻蝕的方法在硅片或玻璃片上加工與硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)配合的帶凹槽的封裝蓋。與現(xiàn)有生長(zhǎng)材料、濺射材料和重復(fù)刻蝕等方法制備具有高深寬比梳齒間隙的硅微慣性器件比較，本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點(diǎn):現(xiàn)有方法都是先制備出固定式梁，然后通過方法生長(zhǎng)材料、濺射材料和重復(fù)刻蝕等方法來達(dá)到高深寬比梳齒間隙。而本發(fā)明是先將原本的固定梁制備成懸浮梁，然后通過施加反向電壓，在靜電吸合的作用下，使懸浮梁移動(dòng)定位，自熱形成高深寬比梳齒間隙。本發(fā)明簡(jiǎn)單易操作，而且加工中所需的刻蝕、鍵合等工藝已非常成熟，不需要高精密的刻蝕儀器或者繁雜的沉積方法就可以獲得高深寬比的梳齒間隙，而且因?yàn)椴恍枰貜?fù)刻蝕等步驟，梳齒間隙的均勻性可以很好地保證。目前，普通深反應(yīng)離子刻蝕的機(jī)器一般可實(shí)現(xiàn)深寬比為1: 20的梳齒間隙，而本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)深寬比超過1: 60的梳齒間隙，由于梳齒間隙的均勻性可保證，因此電學(xué)特性易保證。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例所制備的硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)示意圖(未含封裝蓋)。圖2為本發(fā)明實(shí)施例所制備的硅微慣性器件中的封裝蓋結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例在施加電壓后懸浮梁移動(dòng)狀態(tài)示意圖(體現(xiàn)了圖1中A區(qū)域范圍的I根懸浮梁移動(dòng)后的狀態(tài)示意圖)。圖4為本發(fā)明實(shí)施例所制備的硅微慣性器件成品結(jié)構(gòu)外觀示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。參見圖1 4，具有高深寬比梳齒間隙的硅微慣性器件的制備方法如下:I)加工梳狀結(jié)構(gòu)的硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)利用硅加工工藝在SOI片上加工對(duì)稱梳狀結(jié)構(gòu)的硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)；硅微慣性器件主體結(jié)構(gòu)包括底座7、對(duì)稱的4根懸浮梁41 44、活動(dòng)梁8、4個(gè)卡勾2和4個(gè)吸引電極I ;懸浮梁41兩端部分別設(shè)有彈性懸浮梁連接梁3和5，活動(dòng)梁8兩端部均設(shè)有彈性活動(dòng)梁連接梁9。所述彈性懸浮梁連接梁3、彈性活動(dòng)梁連接梁9、卡勾2和吸引電極I均與底座7制為一體，各懸浮梁一側(cè)均設(shè)有梳齒10，活動(dòng)梁8兩側(cè)設(shè)有梳齒11，懸浮梁梳齒10與活動(dòng)梁梳齒11相互交替相嵌，相鄰的懸浮梁梳齒10與活動(dòng)梁梳齒11之間具有梳齒間隙P ;各懸浮梁一端設(shè)有卡齒40，卡齒40面對(duì)卡勾2，吸引電極I位于懸浮梁的卡齒40前方。圖1中的標(biāo)記A表示A區(qū)域。2)如圖2所示，利用腐蝕或刻蝕的方法在硅片或玻璃片上加工與硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)配合的帶凹槽13的封裝蓋12。3)制備高深寬比的梳齒間隙如圖3所示，在吸引電極I和各懸浮梁上施加相反電壓，在靜電吸合的作用下，各懸浮梁通過彈性懸浮梁連接梁3和5的變形向吸引電極I的方向移動(dòng)，直至被卡勾2卡住，然后去除電壓，各懸浮梁被卡勾2卡住不能彈回而得到定位，從而改變了所述懸浮梁的梳齒10與活動(dòng)梁的梳齒11之間的梳齒間隙P的大小，在沿懸浮梁移動(dòng)方向一側(cè)的梳齒間隙被減小，從而形成高深寬比的梳齒間隙。圖3顯示了圖1的A區(qū)域中I根懸浮梁移動(dòng)并定位后的狀態(tài)示意圖，其他懸浮梁也同理移動(dòng)并定位。4)制備硅微慣性器件成品利用鍵合或粘接工藝，使被卡勾2卡住定位的各懸浮梁與步驟2)所制備的封裝蓋12的邊緣固接，從而使各懸浮梁成為固定梁，而活動(dòng)梁8不與封裝蓋12固接，活動(dòng)梁8仍可通過彈性活動(dòng)梁連接梁9的變形而實(shí)現(xiàn)微慣性動(dòng)作。至此，則制備出具有高深寬比梳齒間隙硅微慣性器件。本發(fā)明所述具有高深寬比梳齒間隙硅微慣性器件工作時(shí)，由于各懸浮梁被固定，而活動(dòng)梁8仍可實(shí)現(xiàn)微慣性動(dòng)作，這樣可引起所述梳齒間隙的變化，進(jìn)而引起梳齒間的電容變化，通過檢查電容變化引起的電信號(hào)變化即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)量(如測(cè)量加速度等物理量)。
權(quán)利要求
1.一種具有高深寬比梳齒間隙硅微慣性器件的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)加工梳狀結(jié)構(gòu)的硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu) 利用硅加工工藝在SOI片上加工梳狀結(jié)構(gòu)的硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)；硅微慣性器件主體結(jié)構(gòu)包括底座、懸浮梁、彈性懸浮梁連接梁、活動(dòng)梁、彈性活動(dòng)梁連接梁、卡勾和吸引電極；懸浮梁端部設(shè)有彈性懸浮梁連接梁，活動(dòng)梁端部設(shè)有彈性活動(dòng)梁連接梁，所述彈性懸浮梁連接梁、彈性活動(dòng)梁連接梁、卡勾和吸引電極均與底座制為一體，懸浮梁和活動(dòng)梁均設(shè)有梳齒，懸浮梁梳齒與活動(dòng)梁梳齒相互交替相嵌，相鄰的懸浮梁梳齒與活動(dòng)梁梳齒之間具有梳齒間隙；懸浮梁一端設(shè)有卡齒，卡齒面對(duì)卡勾，吸引電極位于懸浮梁的卡齒前方； 2)加工與硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)配合的帶凹槽的封裝蓋； 3)制備高深寬比的梳齒間隙 在吸引電極和懸浮梁上施加相反電壓，在靜電吸合的作用下，懸浮梁通過彈性懸浮梁連接梁的變形向吸引電極的方向移動(dòng)，直至被卡勾卡住，然后去除電壓，懸浮梁被卡勾卡住定位不能彈回，在沿懸浮梁移動(dòng)方向一側(cè)的梳齒間隙被減小，從而形成高深寬比的梳齒間隙； 4)制備硅微慣性器件成品 利用鍵合或粘接工藝，使被卡勾卡住定位的懸浮梁與步驟2)所制備的封裝蓋的邊緣固接，從而使懸浮梁成為固定梁，而活動(dòng)梁不與封裝蓋固接，活動(dòng)梁仍可通過彈性活動(dòng)梁連接梁的變形而實(shí)現(xiàn)微慣性動(dòng)作；至此，則制備出具有高深寬比梳齒間隙硅微慣性器件。
2.如權(quán)利要求1所述一種具有高深寬比梳齒間隙硅微慣性器件的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述加工與硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)配合的帶凹槽的封裝蓋，是采用腐蝕或刻蝕的方法在硅片或玻璃片上加工與硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)配合的帶凹槽的封裝蓋。
全文摘要
一種具有高深寬比梳齒間隙硅微慣性器件的制備方法，涉及微慣性器件。提供簡(jiǎn)單、可保證電學(xué)特性且成本低的一種具有高深寬比梳齒間隙硅微慣性器件的制備方法。加工梳狀結(jié)構(gòu)的硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)；加工與硅微慣性器件半成品主體結(jié)構(gòu)配合的帶凹槽的封裝蓋；制備高深寬比的梳齒間隙；制備硅微慣性器件成品。先將原本的固定梁制備成懸浮梁，然后通過施加反向電壓，在靜電吸合的作用下，使懸浮梁移動(dòng)定位，自熱形成高深寬比梳齒間隙。簡(jiǎn)單易操作，而且加工中所需的刻蝕、鍵合等工藝已非常成熟，不需要高精密的刻蝕儀器或者繁雜的沉積方法就可以獲得高深寬比的梳齒間隙，而且因?yàn)椴恍枰貜?fù)刻蝕等步驟，梳齒間隙的均勻性可以很好地保證。
文檔編號(hào)B81C1/00GK103145093SQ20131008508
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者孫道恒, 杜曉輝, 占瞻, 何杰, 周如海, 蔡建法, 王凌云 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)