[发明专利]一种提高薄膜应变线性度的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺技术领域，涉及薄膜应变结构，特别是涉及一种能在保持薄膜灵敏性的要求下有效抑制其非线性度的方法。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)技术作为九十年代发展起来的一项跨学科新兴先进技术，对提高人们的生活水平以及增强国力起到了重要的作用。应变薄膜结构是MEMS器件中的一种典型结构，在压阻式压力计、加速度计和流量计等器件中广泛应用。在器件结构中希望薄膜应变结构同时具有较高的灵敏度和较低的非线性度；但在结构设计时，这是两个此消彼长的相互矛盾参数。

薄膜的灵敏度是指在一定外部压力载荷的作用下，薄膜发生形变量的大小。在压力载荷很小的情况下，薄膜形变也很小，可以认为薄膜的形变量和压力载荷的大小成正比，即为线性关系，但是当压力增大到一定程度时，薄膜的形变量不是和压力成正比，而是会小一些，也就是说出现了非线性效应，压力越大，则薄膜实际形变量和线性理论偏离越大，即非线性越明显。一般而言，对于平面薄膜，可以通过增大其平面尺寸和/或减小其厚度来提高灵敏度，但是同时会增大非线性度。

发明内容

本发明的目的在于解决薄膜应变结构的灵敏度和非线性度之间的矛盾，提出了一种带有加强肋的薄膜应变结构，能在保持应变结构灵敏度的前提下，有效地抑制非线性效应，提高薄膜线性度。

本发明的技术方案是：

一种提高薄膜应变线性度的方法，在平面薄膜的表面布置两组相互垂直的加强肋，每组包括一条或多条加强肋，多条加强肋之间相互平行，均匀分布在薄膜表面。

上述提高薄膜应变线性度的方法，所述加强肋与薄膜材料相同，连为一体。

优选的，各加强肋的厚度相同，宽度相同。更优选的，各组中加强肋的宽度与相邻加强肋之间的间距相等。

两组方向相互垂直的加强肋均匀分布在薄膜表面，形成网格样结构，纵横交错的加强肋之间围成一个个矩形的没有加强肋的区域(简称非肋区域)，当两组加强肋的宽度相等，且与相邻加强肋之间的间距相等时，非肋区域为正方形。

进一步的，加强肋的厚度为薄膜与加强肋整体厚度的1/2。

可以通过下述方法在薄膜表面形成加强肋：首先制备一定厚度的平面薄膜，然后对没有加强肋的区域(简称非肋区域)进行选择性减薄，获得表面布置有加强肋的薄膜。

所述薄膜一般是硅薄膜，也可以是其他任何材料的薄膜，如不锈钢。通过腐蚀或刻蚀的方法对薄膜进行区域选择性减薄，腐蚀或刻蚀的深度即加强肋的厚度，优选为原薄膜厚度的1/2。

本发明通过在薄膜表面布置加强肋来抑制应变时的非线性效应，加强肋的数量、布置方式、宽度和厚度可根据实际情况进行调整。在保证灵敏度不降低的前提下减小薄膜结构的非线性度，也就是提高结构的线性度。模拟实验证明，相对于相同灵敏度的普通平面薄膜，布置加强肋的薄膜非线性度大大减小。

附图说明

图1是带有三对加强肋的薄膜结构示意图；

图2是带有三对加强肋的薄膜结构侧视图；

图3是带有一对加强肋的薄膜结构示意图；

图4是带有一对加强肋的薄膜结构侧视图。

其中：1-加强肋；2-非肋区域。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步详细描述。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例的薄膜带有三对加强肋1，加强肋1的宽度等于非肋区域2的宽度，即为整个薄膜的边长的1/7。

通过下述方法制备该薄膜：选择衬底硅片，先从背面进行腐蚀或刻蚀，产生一边长为为1000微米，厚度为40微米的正方形硅薄膜；然后从正面对该硅薄膜进行选择区域的腐蚀或刻蚀，腐蚀或刻蚀的深度为原硅薄膜厚度的1/2，即20微米，形成三对纵横交错的加强肋1，加强肋1的宽度和非肋区域2的宽度都是硅薄膜边长的1/7，即(1000/7)微米。

使用有限元软件Comsol对所制备的薄膜进行灵敏度和非线性度的模拟测量。模拟中使用的材料为单晶硅，其主要特征参数分别为：杨氏模量E＝170E9Pa，泊松比v＝0.28；模拟中使用的边界条件为四边固支，一个表面承受均匀分布的压力载荷为1E5Pa。结果表明，相对于具有相同灵敏度的普通平面薄膜，上述带有三对加强肋的薄膜的非线性度减小为普通平面薄膜非线性度的30.54％(注：非线性度＝(线性理论值-非线性值)/线性理论值)。

实施例2

如图3和图4所示，本实施例的薄膜只是在中间设置了一对垂直交叉的加强肋1，加强肋1的宽度等于非肋区域2的宽度，即为整个薄膜的边长的1/3。