基于介观压阻效应的硅微加速度计研究

　　随着微机械系统和微加工工艺的发展, 微型传感器也随之迅速发展. 硅微型加速度传感器作为一种重要的力学量传感器, 是最早受到研究的微机械惯性传感器之一. 探索研究新原理、新结构、新功能的高性能硅微型加速度传感器已成为世界各国的研究热点. 经过几十年的发展, 已经研制出多种不同原理和结构的加速度传感器, 如压阻式、压电式、电容式、隧道式等, 并广泛应用于宇航、导弹以及汽车、工业自动化等领域[ 1-3] . 本文将简述一种新原理—— 介观压阻效应, 基于这种原理设计并利用控制孔技术加工了GaAs 基加速度计, 通过理论分析计算与试验测试, 得出该结构在0. 1 gn 输入下的输出, 并对介观压阻灵敏度和压阻灵敏度的量级作出了比较,验证了采用介观压阻效应制作高灵敏度传感器的可行性, 为此类加速度传感器的设计提供参考.

　　1 介观压阻效应及加速度计的制备

　　介观压阻效应不同于宏观的压阻效应, 它的内涵为“共振隧穿电流的应变调制”. 它由四个物理过程组成: ① 力学信号引起纳米带结构中的应变; ②一定条件下应变引起内建电场的产生; ③ 内建电场导致纳米带结构中量子能级发生变化; ④ 量子能级变化引起共振隧穿电流变化. 简言之, 在共振隧穿电流附近, 通过上述四个物理过程, 可将一个微弱力学信号转化为一个较强的电学信号. 介观压阻效应对应变信号非常敏感, 并可通过改变势垒的结构对其进行人为控制[ 4] . 对于声、温、压、加速度等信号, 都可成为纳米功能材料的应变信号, 因此利用介观压阻效应可制成超高灵敏度的硅微加速度传感器.加速度传感器一般都采用“ 弹性梁——质量块”结构( 即弹簧质量系统) 作为加速度敏感元件, 采用硅微机械加工工艺可以制造出单悬臂梁、双悬臂梁、四梁和五梁等梁岛结构. 由于本文所设计的加速度计是基于介观压阻效应的, 基底材料采用的是GaAs 材料, 在这之前, 国内尚未进行过GaA s 基加速度计的加工, 所以此次加工我们采用结构比较简单的单悬臂梁结构, 图1 为封装后的加速度计.

　　加速度计工艺流程总体上分两个部分, 前面部分是形成共振隧穿二极管( RT D) 结构, 后几步是形成加速度计的梁质量块微结构. 共振隧穿二极管( RTD) 采用了空气桥工艺技术, 加速度计的梁质量块微结构采用了控制孔工艺加工技术. 其简要工艺流程为: ① 发射极台面刻蚀→② 电极金属化→③ 台面注入隔离→④ 淀积Si3N4 并刻蚀形成钝化绝缘层→⑤ 桥墩光刻、桥面金属化→⑥ 桥面电镀、腐蚀→⑦ 去除牺牲层→⑧ 正面控制孔刻蚀→⑨ 粘片、背面减薄至180 Lm→⑩ 背面浅槽刻蚀→lv 背面深槽刻蚀→lw脱腊、划片、封装, 如图2 所示.