石英MEMS傳感器的工作原理、敏感芯片結(jié)構(gòu)和加工工藝，著重闡述了石英晶體各向異性蝕刻機(jī)理和濕法蝕刻工藝，影響濕法蝕刻石英晶體形狀結(jié)構(gòu)的溶液濃度、溶液流場、反應(yīng)氣泡等因素，結(jié)合設(shè)備制造安全性重點(diǎn)論述了濕法蝕刻設(shè)備整體結(jié)構(gòu)工藝、溶液濃度控制工藝、晶片旋轉(zhuǎn)控制工藝等設(shè)備制造的重要工藝。關(guān)鍵詞：石英MEMS傳感器石英晶體各向異性濕法蝕刻MEMS是指微機(jī)電系統(tǒng)，是指采用微機(jī)電加工工藝，根據(jù)功能要求將機(jī)器元器件、電子元器件和傳感器執(zhí)行元器件整合到微米級芯片上形成的獨(dú)立智能系統(tǒng)。單晶石英材料具有壓電效果，具有優(yōu)良的溫度、機(jī)械性能、高品質(zhì)因素等特性，因此采用單晶石英制作的石英MEMS加速度傳感器、壓力傳感器和石英MEMS陀螺儀等具有高精度、高穩(wěn)定性、高清晰度等特性，在微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、姿態(tài)測量和控制、航空宇宙、汽車電子、儀表等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其加工技術(shù)和設(shè)備制造技術(shù)研究對促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有技術(shù)支持的重要意義。1石英MEMS傳感器敏感芯片結(jié)構(gòu)石英MEMS傳感器主要應(yīng)用于振動慣性構(gòu)件，是通過振動原理測量運(yùn)動物體的各種運(yùn)動參數(shù)(包括角速、角度、線速等)的慣性構(gòu)件。石英MEMS振動慣性器件主要包括石英微機(jī)械振動陀螺、石英振梁加速度計等，其敏感結(jié)構(gòu)采用石英晶體，根據(jù)石英晶體的壓電效果原理，采用微電子加工技術(shù)，是振動慣性技術(shù)與微機(jī)械加工技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。石英微機(jī)械振動陀螺是音叉結(jié)構(gòu)的哥氏振動陀螺，是MEMS角速度傳感器。其敏感芯片結(jié)構(gòu)為雙端叉結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動叉、讀取叉和支撐結(jié)構(gòu)。石英微機(jī)械振動陀螺的工作原理和敏感芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動叉受自然頻率左右振動，石英MEMS陀螺旋轉(zhuǎn)垂直軸時，驅(qū)動叉受到哥力(Coriolis)的作用，產(chǎn)生垂直于叉平面的振動，該哥力運(yùn)動傳遞到讀音叉，使讀音叉垂直于叉平面的方向振動，振動幅度與驅(qū)動叉的速度和外加速度相比敏感芯片結(jié)構(gòu)是以石英晶體為基體材料的一體式叉結(jié)構(gòu)，具有雙端叉、單端叉等結(jié)構(gòu)形式。雙端叉結(jié)構(gòu)分離驅(qū)動叉與讀出叉，有利于減少耦合誤差，靈敏度高，但體積大的單端叉結(jié)構(gòu)驅(qū)動叉與讀出叉共用叉，體積小，但信號相互干擾，靈敏度低。
石英微機(jī)械振動陀螺的工作原理和敏感芯片結(jié)構(gòu)石英MEMS加速度計，即石英振梁加速度計，根據(jù)石英振梁的諧振頻率隨外力變化的特性檢測運(yùn)動體的加速度。一對一壓電石英振梁和質(zhì)量塊通過柔性系統(tǒng)支撐形成一體化。石英振動梁與外電路組成兩種不同頻率的自激振動器，當(dāng)其敏感軸方向有加速度輸入時，一個振動梁受到張力，另一個振動梁受到壓力，相應(yīng)的振動頻率逐一增加減少，其頻率差可以測量輸入加速度的大小。石英振動梁加速度計敏感芯片結(jié)構(gòu)采用集石英振動梁、質(zhì)量塊、柔性支撐等一體化單片結(jié)構(gòu)，通常有分體式和一體式兩種形式。分體結(jié)構(gòu)由兩端固定石英振梁、柔性支撐結(jié)構(gòu)等構(gòu)成。其優(yōu)點(diǎn)是石英振梁、柔性支撐結(jié)構(gòu)單獨(dú)加工，工藝比較簡單，但組裝工藝復(fù)雜。集成結(jié)構(gòu)是在石英基片上完成振梁、柔性支撐和隔離框架的制作，其優(yōu)點(diǎn)是避免材料不同引起的熱匹配問題，精度高，體積小，容易集成組裝。但缺點(diǎn)是芯片制作工藝難度大，成品率低。
石英振梁加速度計的工作原理和敏感芯片結(jié)構(gòu)2石英MEMS傳感器敏感芯片加工工藝石英MEMS傳感器敏感芯片結(jié)構(gòu)采用石英晶體材料。石英通常的加工方法有機(jī)械加工、激光加工、干法蝕刻和濕法蝕刻等。機(jī)械加工、激光加工由于加工質(zhì)量和尺寸精度有限，不適合石英MEMS傳感器敏感芯片復(fù)雜細(xì)小結(jié)構(gòu)；干法蝕刻結(jié)構(gòu)尺寸控制，可得到石英晶體表面平坦的高深寬比結(jié)構(gòu)，但其加工成本高，效率低，目前石英干法蝕刻設(shè)備尚不成熟；濕法蝕刻通過光法，加工尺寸小，尺寸精度高，可批量加工，效率高，成本低，適合石英MEMS傳感器敏感芯片復(fù)雜細(xì)小結(jié)構(gòu)加工的技術(shù)。石英MEMS傳感器敏感芯片工藝流程如圖3所示。石英晶片清洗干燥后，進(jìn)行晶片雙面鍍膜，形成濕法浸蝕的保護(hù)膜，然后通過雙面光刻技術(shù)，在晶片金屬膜上形成敏感的晶片結(jié)構(gòu)形狀，然后進(jìn)行石英晶片濕法浸蝕，形成必要的三維晶片結(jié)構(gòu)，然后在晶片結(jié)構(gòu)上形成電極，形成完整的敏感晶片。石英濕法蝕刻液是一種具有很強(qiáng)腐蝕性的HF溶液，對包括光刻膠在內(nèi)的大部分物質(zhì)都有腐蝕性，所以一般選用金屬作為口罩層，黃金的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，不會與HF酸反應(yīng)，黃金口罩層的致密性能會很好的阻止蝕刻液的滲透，但是黃金和石英的附著性比較差，長時間浸泡在蝕刻液中很容易與石英脫落，導(dǎo)致口罩無效。因此，通常在黃金和石英之間濺射或蒸鍍石英附著性強(qiáng)的鉻和鈦，有效避免口罩層故障。
石英MEMS傳感器敏感芯片加工工藝流程3濕法蝕刻工藝石英在常壓下，伴隨著溫度的變化，低溫石英(α石英)、高溫石英(β石英)、磷石英、方石英和石英玻璃等5種變體。其中石英玻璃是晶體型二氧化硅變?yōu)榉蔷w型的玻璃熔體，又稱熔體石英，各向同性，無壓電效果。石英晶體通常是指低溫石英(α石英)，α石英晶體具有典型的壓電效應(yīng)、良好的絕緣性和顯著的各向異性。適用于石英不規(guī)則復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工，如尖角、空腔、高深寬比側(cè)壁、懸臂梁等，是石英MEMS傳感器敏感芯片復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的重要晶體材料。由于石英晶體原子結(jié)構(gòu)的排列有方向性，不同方向的晶體原子排列結(jié)構(gòu)和原子密度不同，晶體化學(xué)反應(yīng)(蝕刻速度)不同，表現(xiàn)出不同方向的異性特性。石英MEMS傳感器敏感芯片濕法蝕刻技術(shù)，利用石英晶體各向異性蝕刻特性，通過化學(xué)蝕刻液與蝕刻晶體之間的非等向化學(xué)反應(yīng)去除蝕刻部分，實現(xiàn)敏感芯片的微納米圖形結(jié)構(gòu)。為了獲得預(yù)期穩(wěn)定的蝕刻結(jié)構(gòu)和良好的石英表面加工質(zhì)量，需要嚴(yán)格控制蝕刻時間和蝕刻速度。為了達(dá)到這目的，通常通過選擇適當(dāng)?shù)母g液配比和控制腐蝕液溫度和濃度來改變各晶面的腐蝕速度，減少側(cè)腐蝕量，達(dá)到預(yù)期的形狀結(jié)構(gòu)。通常，腐蝕液在HF溶液中加入適量的NH4F溶液或飽和的NH4HF2溶液，溫度范圍(40~90℃)±1℃?；瘜W(xué)反應(yīng)方法：
SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O。
SiO2+4NH4F+2H2O→SiF4↑+4NH3H2O。
力準(zhǔn)傳感專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)高品質(zhì)、高精度力傳感器。產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于多種新型和智能化高端領(lǐng)域，包括工業(yè)自動化生產(chǎn)線、3C、新能源、機(jī)器人、機(jī)械制造、醫(yī)療、紡織、汽車、冶金以及交通等領(lǐng)域。
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