[发明专利]一种微惯性开关芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微控制开关技术领域，具体涉及一种微惯性开关芯片及其制备方法。

背景技术

惯性开关是用于感知惯性加速度信号，将传感与执行融为一体的精密惯性器件，其闭合阈值的设计范围为1g～30g（g：标准重力加速度），主要应用于飞行器系统，要求具有无源、小体积、“弹簧-质量”系统的一阶自然频率小于100Hz等特点。惯性开关大多采用典型的“弹簧-质量-阻尼”结构，当检测到超过闭合阈值的惯性加速度信号时，以可动质量块与固定电极接触的方式提供开关闭合信号。

现有成熟应用的惯性开关大多采用精密机械加工方式完成生产、装配和调试，很难实现微型化。因此采用MEMS微制造技术实现惯性开关，具有重要的研究价值。中国2009年6月出版的《光学 精密工程》第17卷第6期杂志中“Low-g micro inertial switch based on Archimedes’ spiral”（P1257-1261）一文公开了一种基于阿基米德螺旋线的微惯性开关，采用紫外线厚胶光刻LIGA技术制作出了厚度在20μm～40μm的螺旋梁，成功实现了惯性开关的微型化和低频设计要求，同时微电铸工艺选用导电性好的金属镍作为螺旋梁材料，简化了惯性开关设计环节中的电极问题。但是，紫外线厚胶光刻LIGA技术存在两个问题：

1）紫外线厚胶光刻LIGA工艺最常用的光刻胶SU-8存在较大的张应力，很难形成高精度的厚胶模，以及烘烤量大时在工艺的后段难以去除。

2）受光刻胶胶模图形和具体工艺参数的影响，微电铸制作的螺旋梁的表面平整性和厚度均匀性差，存在针孔和积瘤等缺陷，以及结构的机械强度和内应力等问题，造成成品率较低、产品性能的分散性较大。

为了获得高性能的螺旋梁结构，需开展大量的工艺试验对微电铸的具体工艺参数进行优化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种微惯性开关芯片，本发明同时提供一种微惯性开关芯片的制备方法。

本发明的微惯性开关芯片，芯片中的玻璃封帽、硅管芯、硅框架和玻璃基底依次连接形成一个封闭体系；在硅管芯内部设置有感知惯性加速度的方形质量块，在方形质量块的一对对角顶点设置有两根结构相同的、环绕方形质量块的、位于方形质量块厚度方向中心平面的平面矩形螺旋梁；方形质量块的底面设置有用于导电的金属层；硅框架用于形成方形质量块和玻璃基底的初始间距；玻璃基底上设置有两个金属电极；玻璃封帽用于保护硅管芯内部的方形质量块和平面矩形螺旋梁结构。

所述的硅框架与硅管芯设置在同一个基片上。所述的玻璃封帽采用硅封帽替代。所述的硅框架采用玻璃框架替代。所述的玻璃基底采用硅基底替代。

本发明的微惯性开关芯片的制备方法，依次包括下列步骤：

（a）在硅片上光刻出图形，然后采用KOH溶液腐蚀方法腐蚀形成方形质量块；

（b）在KOH溶液腐蚀形成的深槽里光刻出图形，然后采用ICP刻蚀方法形成平面矩形螺旋梁结构；

（c）采用剥离方法在方形质量块底面上形成一金属层；

（d）采用ICP刻蚀方法刻蚀穿通硅片，形成硅管芯；

（e）将玻璃封帽和硅管芯、硅框架和玻璃基底分别进行阳极键合，然后将硅管芯和硅框架进行共晶键合，形成微惯性开关芯片。

本发明的微惯性开关芯片的制备方法步骤（a）中的硅片为双埋层SOI硅片。

本发明的微惯性开关芯片的制备方法步骤（a）中KOH溶液腐蚀方法采用ICP刻蚀方法替代。

本发明的微惯性开关芯片的制备方法步骤（d）中ICP刻蚀方法采用KOH溶液腐蚀方法替代。

本发明的微惯性开关芯片的制备方法步骤（e）中的硅管芯和硅框架的共晶键合采用熔融键合方式替代。

本发明的微惯性开关的工作原理为：在惯性加速度作用下，方形质量块向玻璃基底运动，当惯性加速度达到闭合阈值时，方形质量块上的金属层与玻璃基底上的两个金属电极同时接触，从而提供开关闭合信号。

本发明的微惯性开关芯片根据MEMS微制造技术的特点，采用“平面矩形螺旋梁-方形质量块”微结构，解决了MEMS低频“弹簧-质量”结构的制备问题；本发明采用缺陷较少的单晶硅作为梁的结构材料，提高了梁的质量。本发明采用双埋层SOI硅片和MEMS微制造技术，基于二氧化硅埋层具有KOH溶液腐蚀/ICP刻蚀自停止的特点，解决了高性能梁结构的制备问题，实现了微惯性开关的低应力一体化微加工，提高了产品的成品率和性能一致性。本发明能够有效地提高微惯性开关抗横向干扰、抗纵向振动或冲击干扰的性能，具有结构精巧、加工精度高、批量制备、成本低等特点。

附图说明