емкостной акселерометр и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Емкостной акселерометр, содержащий выполненные из кремния и соединенные между собой через пленку диэлектрика неподвижную плату и рамку, с закрепленной на ней на гибких перемычках подвижной платой, установленной с зазором относительно неподвижной, отличающийся тем, что неподвижная плата по периферии в областях, противостоящих рамке, углублена, кроме участков в виде выступов, расположенных равномерно по периметру рамки, причем выступы покрыты пленкой диэлектрика, а суммарная площадь вершин выступов, соприкасающихся с рамкой, составляет не более 0,1 площади подвижной платы.

2. Способ изготовления емкостного акселерометра, включающий формирование травлением из кремния неподвижной платы и подвижной, закрепленной на гибких перемычках на рамке, и соединение неподвижной платы с рамкой через пленку диэлектрика в виде двуокиси кремния, отличающийся тем, что при формировании неподвижной платы проводят окисление пластины кремния до толщины пленки двуокиси кремния 0,5 - 1,5 мкм, напыляют пленку алюминия толщиной 2,0 - 3,0 мкм, фотолитографией формируют из пленки алюминия участки, равномерно расположенные по периметру платы, напыляют пленку меди толщиной 1,0 мкм с адгезионным подслоем пленки ванадия, наносят фоторезист, формируют в нем окна, соответствующие участкам алюминия на периферии, и окно в центре, соответствующее размеру подвижной платы, электрохимическим методом увеличивают толщину меди в 10 раз, удаляют фоторезист, стравливают напыленные пленки меди и ванадия, стравливают пленку двуокиси кремния, травят кремний в растворе щелочи на глубину 0,3 - 0,5 исходной толщины пластины, формируя выступы, удаляют пленки меди и ванадия в концентрированной азотной кислоте, разделяют пластину на отдельные платы, для соединения неподвижной платы с рамкой совмещают неподвижную плату и рамку с подвижной платой, помещая рамку на выступы, воздействуют давлением 1,5 - 2,0 кг/см² и проводят термообработку при 600^oC в течение 60 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых емкостных акселерометров.

Известен микромеханический емкостной акселерометр, состоящий из стеклянной подложки с напыленной пленкой алюминия, в качестве неподвижной обкладки конденсатора и кремниевой рамки с инерционной массой, в виде платы в качестве подвижной обкладки конденсатора ("A micromechanical capacitive accelerometer urith a turo - point inertial - mass suspension", "Sens. and Actuators", 83, 4, N 2, 190-198).

Недостатками данного акселерометра являются низкие метрологические характеристики, обусловленные использованием кремния и стекла, как материалов, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения (ТЛКР).

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является акселерометр и способ его изготовления, базирующиеся на применении обеих конденсаторных обкладок из кремния и предусматривающие соединения обкладок по их полными периферийным областям через вставки из щелочесодержащего стекла (патент Франции N 2564593, МКИ 4; G 01 P 15/125, H 01 C 13/00, дата подачи заявки 19.03.85; приоритет США, 18.03.84, N 06/611765, опубликован в Официальном бюллетене промышленной собственности (BOPI), N 47, 22.11.1985).

Конструкция прототипа аналогична прибору аналогу. Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются:

для устройства - выполненные из кремния и соединенные между собой через пленку диэлектрика неподвижная плата и рамка с закрепленной на ней на гибких перемычках подвижной платой, наличие зазора между платами;

для способа - формирование травлением из кремния неподвижной платы и подвижной платы, закрепленной на гибких перемычках на рамке, и соединение неподвижной платы с рамкой через пленку диэлектрика.

Недостатками известного устройства и способа являются, во-первых, пониженные метрологические характеристики, обусловленные наличием в областях соединения платы и рамки вставок из стекла, имеющих отличный от кремния ТКЛР; и, во-вторых, сложность технологии формирования на плате вставок из стекла, включающей вытравливание углублений под стекло, локальное нанесение стекла в углубления и механическую обработку стекла до плоскости платы.

В предлагаемом техническом решении достигается улучшение метрологических характеристик и упрощение технологии изготовления акселерометра.

Согласно изобретению в емкостном акселерометре, содержащем выполненные из кремния и соединенные между собой через пленку диэлектрика неподвижную плату и рамку с закрепленной на ней на гибких перемычках второй подвижной платой, установленной с зазором относительно неподвижной, неподвижная плата по периферии в областях, противостоящих рамке, углублена, кроме участков в виде выступов, расположенных равномерно по периметру рамки, причем выступы покрыты пленой диэлектрика, а суммарная площадь вершин выступов, соприкасающихся с рамкой, составляет не более 0,1 площади подвижной платы.

Согласно изобретению в способе изготовления емкостного акселерометра, включающем формирование травлением из кремния неподвижной платы и подвижной платы, закрепленной на гибких перемычках на рамке, и соединение неподвижной платы с рамкой через пленку диэлектрика в виде двуокиси кремния, при формировании неподвижной платы проводят окисление пластины кремния до толщины пленки двуокиси кремния 0,5 - 1,5 мкм, напыляют пленку алюминия толщиной 2,0 - 3,0 мкм, фотолитографией формируют из пленки алюминия участки, равномерно расположенные по периметру платы, напыляют пленку меди толщиной 1,0 мкм с адгезионным подслоем пленки ванадия, наносят фоторезист, формируют в нем окна, соответствующие участкам алюминия на периферии, и окно в центре, соответствующее размеру подвижной платы, электрохимическим способом увеличивают толщину меди в 10 раз, удаляют фоторезист, стравливают напыленные пленки меди и ванадия, стравливают пленку двуокиси кремния, травят кремний в растворе щелочи на глубину 0,3 - 0,5 исходной толщины пластины, формируя выступы, удаляют пленки меди и ванадия в концентрированной азотной кислоте, разделяют пластину для соединения неподвижной платы с рамкой, совмещают неподвижную плату и рамку с подвижной платой, помещая рамку на выступы, воздействуют давлением 1,5 - 2,0 кг/см² и проводят термообработку при температуре 600^oC в течение 60 мин.

На фиг. 1 изображена подвижная плата 5, закрепленная на рамке 3 с помощью гибких перемычек 4.

На фиг. 2 изображена неподвижная плата 1, углубленная по периферии 7 в областях, противостоящих рамке 3, кроме участков в виде выступов 8.

На фиг. 3 изображены платы, соединенные между собой через пленку двуокиси кремния, находящуюся на вершинах выступов 2. Между подвижной и неподвижной платами оставлен зазор 6. Углубленная периферийная часть неподвижной платы, противостоящая рамке, обеспечивает резкое снижение паразитной емкости, образующейся между рамкой и периферией неподвижной платы, так при суммарной площади вершин выступов, соприкасающихся с рамкой, менее 0,1 площади подвижной платы, паразитная емкость снижается практически в 10 раз.

На фиг. 4 изображена исходная кремниевая пластина 9 со сформированной на ней пленкой двуокиси кремния 10 толщиной 0,5 - 1,5 мкм. Минимальная толщина пленки двуокиси кремния выбрана в обеспечении сохранения сопротивления изоляции в процессе диффузионной сварки плат через пленку алюминия, так как глубина взаимодействия алюминия с двуокисью кремния не превышает 0,5 мкм при сварке. При толщине пленки двуокиси кремния более 5 мкм возникают дополнительные механические напряжения в структуре.

На фиг. 5 изображена пластина после напыления пленки алюминия толщиной 2,0 - 3,0 мкм и формирования из нее участков, соответствующих местам расположения выступов 11. Меньшая толщина пленки алюминия не обеспечивает образования прочного эвтектического сплава при сварке, а большая толщина пленки алюминия нецелесообразна.

На фиг. 6 изображена пластина после проведения операций напыления пленки меди с подслоем ванадия, формирования участков наращенной меди над выступами 12 и центральной частью неподвижной платы 13 и травления напыленной пленки меди и двуокиси кремния.

На фиг. 7 изображена пластина после стравливания в участках пластины, не защищенных медью, пленки двуокиси кремния и кремния на глубину 0,3 - 0,5 от исходной толщины пластины и удаления участков меди и подслоя ванадия. После данных операций сформированы выступы 14, покрытые пленками двуокиси кремния 10 и алюминия 1. На данной фигуре показаны линии разделения 15, по которым пластина делится на отдельные платы.

На фиг. 8 изображены платы, соединенные по областям соприкосновения выступов и рамки 16. При соединении прикладывается прижимное усилие в диапазоне 1,5 - 2,0 кг/см², с одной стороны достаточное для образования эвтектического сварного шва состава алюминий - кремний, а с другой стороны, исключающее механическое разрушение плат.

Изобретение поясняется примером. Емкостной акселерометр состоит из двух плат-обкладок, выполненных из пластины кремния с начальной толщиной 400 мкм. Подвижная плата закреплена на рамке с помощью кремниевых перемычек толщиной 20,0 мкм. Для получения рабочего емкостного зазора противолежащая неподвижной плате поверхность подвижной углублена по отношению к рамке на 10 мкм. Неподвижная плата выполнена из кремния той же марки. Внешний размер неподвижной платы и рамки, удерживающей подвижную плату, 12х12 мм, размер подвижной платы и противостоящей ей неуглубленной центральной части неподвижной платы 5х5 мм, площадь рамки - 95 мм². Периферийная часть неподвижной платы вне центральной части утоплена на 150 мкм, кроме выступов в количестве 6 шт. , имеющих площадь вершины 1 мм². Вершина выступов покрыты пленкой двуокиси кремния толщиной 1,0 мкм.

В процессе изготовления акселерометра при формировании неподвижной платы проводят окисление исходной кремниевой пластины при температуре 1150^oC в среде увлажненного кислорода в течение 180 мин. Наносят магнетронным распылением пленку алюминия толщиной 2,5 мкм, методом фотолитографии формируют из пленки алюминия участки, соответствующие вершинам выступов, термическим напылением наносят пленку ванадия толщиной 0,1 мкм и пленку меди толщиной 1,0 мкм, фотолитографией из фоторезиста марки ФП-383 создают окна над участками пленки алюминия, электрохимическим осаждением доращивают медь до 10,0 мкм, удаляют фоторезист, стравливают напыленные пленки меди и ванадия вне участков выступов, стравливают там же пленку двуокиси кремния, проводят травление кремния в 30% водном растворе KOH при 96^oC на глубину 150 мкм и удаляют медь в концентрированной холодной азотной кислоте. Разделяют пластину резкой алмазными дисками. Подвижную плату формируют из кремниевой пластины путем последовательного травления в водном растворе KOH при защите пленками двуокиси кремния. Совмещают платы с помощью центрирующего приспособления, подают давление 2,0 кг/см² и выдерживают при 600^oC в течение 60 мин.

Принцип работы акселерометра заключается в следующем. Подвижная плата, закрепленная на гибких перемычках, являясь инерционной массой, перемещается под действием ускорения, изменяя при этом величину зазора между платами и, соответственно, емкость. В виду того, что за счет углублений на периферийной части неподвижной платы, паразитная емкость мала, то улучшаются основные метрологические характеристики акселерометра: точность и чувствительность. Отсутствие в областях соединения вставок из стекла, имеющего отличный от кремния ТКЛР, и соединение в локальных участках обеспечивают снижение механических напряжений в структуре, что в свою очередь повышает стабильность измерений.