体硅隧道加速度计

　　微机械隧道加速度计是基于电子隧道效应设计的一种加速度传感器,具有分辨率和灵敏度高的特点.隧道加速度计主要用于高精度的测试场合,如卫星微重力测试、惯性制导、水下测试、声学测试、地震检测等场合,如果能够降低成本的话,可能会拓展出许多新的应用.微型隧道加速度计在国内外有多家单位研制.国外比较成功的研制单位有:Michigan大学集成传感器与电路中心,由国防高级研究计划局(DARPA)和国家科学基金(NSF)资助研究,该中心报道的噪声分辨率为到0.1结构采用键合留片工艺加工[1,2].Stanford大学机械系微结构与传感器实验室可能是对隧道传感器研究最多的单位,其继承了JPL的相关研究,后得到NSF和JPL/Caltech主席基金等多项基金资助,应用目标是为海军提供高精度水下声探测加速度计.该研究室报道其噪声分辨率为20 ng/,带宽为5 Hz~1.5 kHz,采用硅硅键合工艺,特点是隧尖悬空,有利于抗过载和应力释放[3].国内的研制单位主要有东南大学微电子中心,清华大学精仪系,信息产业部电子13所等.从文献看,信息产业部电子13所研制的隧道加速度计噪声分辨率为1×10-6μg/ (100 Hz),采用玻璃/硅/玻璃三明治结构和留片键合工艺[3].东南大学微电子所和清华大学精仪系的研究没有明确的数据报道[4~7].北京大学微电子研究院对这种隧道加速度计也进行了一系列研究,取得了初步成果:隧尖尺寸为0.02μm×0.02μm,隧道电流为1.14 nA~4.68nA.

　　1　器件结构和工作原理

　　隧道加速度计的结构见图1.

　　高灵敏度隧道加速度计传感器的基本原理是电子隧道效应,结构见图1.两个电极之间的距离达到几个 量级时,在电场的作用下形成隧道电流,其大小与电极间距的关系如下:

式中:Itun为隧道电流, Vtun为隧道电压,x为隧道间为常数,为隧道势垒高度,取值范围为0.05 eV~0.5 eV.

　　式(1)对位移x微分得

　　由式(4)可知,隧道间距每变化一个 ,隧道电流的相对变化率为22.90/0~72.30/0.因此隧道电流传感器的灵敏度很高.

　　说明:电场散射效应与隧道效应相伴.在较小的隧道电压下(小于0.1 V),电场散射产生的电流仅为,可忽略不计.

　　2　工艺研究

　　现有工艺流程见图2.整个工艺采用6张掩膜版,首先采用KOH腐蚀浅槽,确定隧尖的初始间距,隧尖的生成采用HNA湿法腐蚀工艺,隧尖生成后再通过一步氧化工艺将隧尖锐化.然后采用浓硼扩散定义梁的厚度,之后光刻出背面结构释放的掩膜图形,接着在隧尖淀积Ti/Pt/Cu金属层,接下来进行ICP刻蚀定义梁的宽度和长度,之后是玻璃片的溅射/剥离以及硅片与玻璃的阳极键合,最后采用KOH释放结构.