硅微型生加速度计中敏感头的研究

　　惯性仪表是利用力学惯性原理及其他有效原理,测量和控制物体运动状态、位置和速度的一类仪器仪表。其加工工艺是集机、电、计算机、传感技术、化学等多种技术于一体的高科技尖端技术,广泛应用于航天、航空、航海等惯性导航领域。惯性加速度计是其中的重要组成部分,其精度可达10-3g的数量级,可满足惯性导航的小尺寸、高精度、轻重量等要求,在满足精度和其他要求的前提下,微型化、高可靠性已经成为其发展趋势。

　　由于半导体工业的发展推动了硅的微细加工工艺的发展,同时由于单晶硅具有高断裂极限、弹性迟滞小等优良的力学性能,从而为应用单晶硅作为微型加速度计敏感头材料提供了优越的条件。另外由于与硅的平面加工工艺相容,也为实现器件机械部分和控制测量部分的一体化提供了便利,有利于实现器件整体的微型化。

　　微型加速度计的机械部分(敏感头)的设计及其功能的实现是器件功能得以实现的关键。

　　设计原理

　　为达到较高精度,敏感头采用差动电容式测量方式。本设计实际上是一种单自由度变极板间距型电容式传感器,其原理如图1所示。图1中上、下为固定极板;中间设置一个可动极板,即由弹性悬臂梁和由其支撑的质量块。悬臂梁还约束质量块,只允许其沿特定自由度运动。在质量块上、下表面及上下极板上涂覆金属,这样上、下两腔构成两个可动电容器,通过加工可以做到在静止时上、下两个电容是相等的。

　　当此整体在特定方向移动时,上、下两电容发生变化,此电容变化与此方向的加速度是相关的,因此,得到此电容变化的信息,通过计算就可以得到此方向上的加速度值。

    　加工工艺

　　1.结构设计

　　该结构实际为玻璃-硅-玻璃三层结构。尺寸设计:一方面作为微型器件,其尺寸应尽可能小;另一方面,要保证电容值足以测量,且悬臂梁有足够的强度来支撑可动极板,还应保证有足够的加工精度。中间层设计尺寸为:

　　2.材料选择

　　质量块及悬臂梁材料选用单晶硅,考虑到结构封接的要求,上、下极板的基底材料采用玻璃。质量块及悬臂梁材料选用单晶硅,从力学性能上考察:<100>,<110>,<111> 3个晶向的杨氏模量相差不大。因此选择的依据主要是看是否有利于其加工工艺。由于光刻过程中的腐蚀深度大,应采用各向异性腐蚀,在纵向选择最易腐蚀方向,以减小侧蚀量。硅的各向异性腐蚀主要是基于硅单晶结构的各向异性的特点。关于硅的各向异性腐蚀,比较为大多数学者所接受的是表面悬挂键理论,它认为:由于硅单晶晶体结构为金刚石结构,在<111>晶向上表面原子仅有一个悬挂键,每个原子还有3个键与其他原子相连,活化能较高,因而腐蚀速度慢,而<110>,<100>晶向上表面原子有两个悬挂键,活化能较低,因而腐蚀速度较快[1]。我们的实验及有关资料表明[2],对常用的碱性腐蚀液(如KOH溶液),在相同的条件(腐蚀液浓度、温度、静态)下有腐蚀速度(R):R<110>>R<100>>R<111>。从此角度出发,以选用<110>,<100>晶向的单晶硅片为最佳。