基于SOI 技術(shù)，利用電感耦合等離子體硅深加工，設(shè)計(jì)制備了一種新型平面內(nèi)振動(dòng)高g 值壓阻式加速度計(jì)。該加速度計(jì)包括X 軸向與Y 軸向單元，采用扇形敏感質(zhì)量塊平板內(nèi)振動(dòng)結(jié)構(gòu)。對(duì)稱的布局方式，有效地消除了靈敏度的交叉干擾，提高了傳感器的測(cè)量精度。測(cè)試系統(tǒng)分析出加速度傳感器的靈敏度是1.170 LV/ g 。研究表明該加速度傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)量程高達(dá)25× 10⁴g 加速度的測(cè)量。

　　微機(jī)電系統(tǒng)( MEMS) 加速度傳感器是一種重要的慣性測(cè)量器件，具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、軍事等領(lǐng)域。其中高g 值加速度傳感器在軍事領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，可以感知導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)、硬目標(biāo)侵徹時(shí)產(chǎn)生的沖擊力等。在具有較大慣性載荷的軍用場(chǎng)合，需要測(cè)量的加速度高達(dá)幾萬甚至幾十萬加速度，這就要求加速度計(jì)不僅需要高的靈敏度，還要具有高的諧振頻率與抗沖擊能力。

　　目前中國(guó)在高g 值加速度計(jì)研究方面與國(guó)外還存在較大差距，由于國(guó)外該領(lǐng)域的技術(shù)封鎖,迫切需要研發(fā)出可應(yīng)用于動(dòng)態(tài)撞擊過程及高速運(yùn)動(dòng)過程中沖擊載荷測(cè)量的高g 值加速度傳感器。針對(duì)目前航空航天，特別是導(dǎo)彈引信等軍事領(lǐng)域?qū)Ω遟 值加速度傳感器的迫切需求，充分利用SOI 材料的抗輻射、抗高溫等惡劣環(huán)境以及低功耗的特點(diǎn)，在前期研究的基礎(chǔ)上，本文實(shí)際制備了二維平面內(nèi)振動(dòng)、基于SOI 硅片的高g 值壓阻式加速度傳感器。利用SOI 上層硅制作惠斯通電橋雙U 型梁壓敏電阻，同時(shí)避免了在可動(dòng)部件上布線; 敏感元件、硅基底間采用高溫介質(zhì)層(SiO2 層) 實(shí)現(xiàn)電隔離,解決傳統(tǒng)半導(dǎo)體傳感器因制作過程中寄生PN 結(jié)漏電流而造成的溫漂問題; 利用剛度較大的主懸臂梁和扇形敏感質(zhì)量塊，大大提高了結(jié)構(gòu)的可靠性和靈敏度。前期模擬研究和本文的實(shí)驗(yàn)分析表明，設(shè)計(jì)的加速度計(jì)具有較高的靈敏度與諧振頻率，具有較大的抗沖擊能力，可滿足特種環(huán)境下對(duì)高達(dá)25 ×10⁴g 加速度的測(cè)試需求。

1、高g 值壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與制備

　　本文設(shè)計(jì)的二維平面內(nèi)振動(dòng)SOI 高g 值加速度傳感器包括兩兩對(duì)應(yīng)的四個(gè)單元。每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元由主懸臂梁、兩個(gè)用于支撐U 型壓敏電阻的側(cè)微梁，扇形敏感質(zhì)量塊、兩個(gè)雙U 型壓敏電阻和兩個(gè)參考電阻構(gòu)成惠斯通電橋組成，實(shí)際制備的傳感器如圖1 所示。

圖1 SOI 高g 值壓阻式加速度傳感器

　　制備工藝過程需注意： 高溫工藝的排序遵循： 先高溫工藝，后低溫工藝。金屬化應(yīng)放在所有可能是該金屬融化或與其他材料共融的高溫工藝之后。»光刻前，應(yīng)保證硅片表面沒有高深寬比的臺(tái)階。濕法腐蝕是否引入導(dǎo)致器件失效的雜質(zhì)離子。材料的選擇是否會(huì)造成加工設(shè)備的污染。該加速度傳感器的加工制備只需五塊掩膜板，實(shí)際制備工藝過程如下：

　　( 1) 備片： 準(zhǔn)備一塊雙面拋光的SOI 硅片，下層硅厚度為300 um，SiO2 層厚度為1 um，上層p+ 硅厚度為2~ 3 um，電阻率為0.005~ 0. 008 歐姆.cm。

　　( 2) 初氧： 對(duì)SOI 硅片進(jìn)行熱氧化。

　　( 3) 勻膠、光刻( 一次光刻) ： 在下層硅上旋涂正膠，利用第一塊掩模板對(duì)光刻膠進(jìn)行光刻、顯影、后烘后再刻蝕氧化層，以氧化層作保護(hù)層，刻蝕下層硅，形成背面淺槽。刻蝕5 um 淺槽，為后續(xù)釋放結(jié)構(gòu)形成可動(dòng)部件，該層版圖是負(fù)版，同時(shí)把結(jié)構(gòu)的劃片槽打開。

　　( 4) 背面淀積鋁層： 對(duì)上步硅片去膠清洗后，背面淀積金屬鋁層。

　　( 5) 背面深刻( 二次光刻) ： 在上步工藝后的下層硅鋁層上經(jīng)過勻膠、前烘、光刻、顯影和后烘后，對(duì)鋁層進(jìn)行刻蝕，再以鋁層作為保護(hù)層，刻蝕下層硅，形成質(zhì)量塊。質(zhì)量塊與主懸臂梁，該層版圖為負(fù)版，刻蝕區(qū)寬度為30 um。

　　( 6) 鍵合： 對(duì)上步硅片進(jìn)行去膠、清洗、退水等處理后，利用鍵合技術(shù)，進(jìn)行下層硅與玻璃的鍵合,完成下蓋板的封裝。

　　( 7) 重?fù)诫s、三次光刻： 上層硅開孔。對(duì)上層硅進(jìn)行重?fù)诫s，形成歐姆接觸區(qū)，開孔尺寸為8 um ×8um，該層掩模板為負(fù)版，與第二層板進(jìn)行套刻，考慮到透光區(qū)域少，難對(duì)準(zhǔn)，該層掩模板打開劃片區(qū)。在上層硅進(jìn)行勻膠、前烘，利用第三塊掩模板進(jìn)行光刻、顯影、后烘等處理后，刻蝕氧化層，以氧化層作為保護(hù)層，進(jìn)行B 離子的注入。

　　( 8) 金屬引線刻蝕( 四次光刻) ： 對(duì)上步硅片進(jìn)行去膠、清洗等處理后，淀積一層金屬鋁，再進(jìn)行勻膠,利用第四塊掩模板進(jìn)行光刻，進(jìn)過后烘等一系列處理后，刻蝕金屬鋁，形成鋁布線。其中金屬線寬度最小為20 um，電極尺寸為200 um × 300 um，電極之間的間距為250 um，金屬線之間的最小間距為14 um。該層板為正版，與第二層板進(jìn)行套刻對(duì)準(zhǔn)。

　　( 9) 壓敏電阻條制作( 五次光刻) ： 在上步硅片正面旋涂一層光刻膠，利用第五塊掩模板進(jìn)行光刻，經(jīng)過顯影后烘后，刻蝕上層硅片，形成壓敏電阻區(qū)。為了有效地減小金屬電極引入的電阻，與上步工藝的結(jié)合，同時(shí)簡(jiǎn)化加工難度，上層硅大部分處于保留,其中在質(zhì)量塊周圍的上層硅多偏離背面深槽5 um,確保結(jié)構(gòu)釋放時(shí)形成可動(dòng)部件，上層硅之間的最小間距為4 um。

　　( 10) 結(jié)構(gòu)釋放： 對(duì)上步硅片進(jìn)行去膠，清洗等處理后，上層硅為保護(hù)層刻蝕中間氧化層，完成結(jié)構(gòu)釋放。

　　制備工藝步驟如圖2 所示。

圖2 制備工藝步驟

2、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖3 測(cè)試原理圖

　　利用自制的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)本文設(shè)計(jì)、制備的SOI 基高g 值加速度傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析,圖3 是測(cè)試原理圖。本測(cè)試系統(tǒng)是中科院上海微系統(tǒng)研究所針對(duì)其研制的壓阻式加速度傳感器自制的，由于加速度傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其理論模型存在差異，對(duì)系統(tǒng)測(cè)試進(jìn)行了必要的修正。前期研究已表明，傳感器在不同加速度載荷條件下，微梁的形變基本一致，在相同載荷間隔的條件下，微梁內(nèi)部應(yīng)力的變化間隔也基本保持不變，體現(xiàn)了良好的線性度。該加速度傳感器結(jié)構(gòu)的固有頻率為479 kHz，在高達(dá)25 × 104g 加速度時(shí)，該微梁上的最大應(yīng)力為544 MPa，遠(yuǎn)小于與硅材料的斷裂強(qiáng)度0. 7~ 7 GPa，保證了該加速度傳感器工作的可靠性。

　　圖4 給出了下降高度分別為75 和35 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)加速度分析測(cè)試示例圖。根據(jù)一系列的數(shù)據(jù)分析，得到輸出電壓與加速度的變化關(guān)系，如圖5 所示，可見輸出電壓與加速度之間的線性度很好。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，該高g 值加速度傳感器的靈敏度是1.170 LV/ g 。

圖4 下降高度分別為75 和35 cm 時(shí)，加速度測(cè)試示例圖　　圖5 輸出電壓與加速度的變化關(guān)系

3、結(jié)束語

　　本文利用ICP 深硅刻蝕技術(shù)設(shè)計(jì)制備了一種SOI 基高g 值壓阻式MEMS 加速度傳感器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)表明，該高g 值壓阻式加速度傳感器輸出電壓與待測(cè)加速度之間的線性度很好，測(cè)試系統(tǒng)分析出的靈敏度是1.170 LV/ g，滿足設(shè)計(jì)要求。此外，在制備刻蝕過程中還需注意：

　　(1) ICP 刻蝕中，由于刻蝕的不均勻性，使得圓片中部分結(jié)構(gòu)刻蝕到氧化層，部分結(jié)構(gòu)沒有，為了使得整個(gè)圓片中的結(jié)構(gòu)都刻蝕到氧化層，會(huì)造成先達(dá)到氧化層的結(jié)構(gòu)過刻，由于刻蝕氣體對(duì)材料的選擇性，從而使得打到氧化層的刻蝕氣體向兩邊擴(kuò)散，造成footing 效應(yīng)。

　　( 2) 氧化層的厚度如果過厚，利用干法刻蝕時(shí)需時(shí)間較久，從而刻蝕離子由于物理的轟擊作用也會(huì)使得壓敏電阻條被刻蝕掉一部分，因此需減小埋氧層的厚度。如果用濕法腐蝕則容易形成黏附效應(yīng),且背腔中易進(jìn)腐蝕液損壞結(jié)構(gòu)。