石英MEMS傳感器的工作原理、敏感芯片結構和加工工藝，著(zhù)重闡述了石英晶體各向異性蝕刻機理和濕法蝕刻工藝，影響濕法蝕刻石英晶體形狀結構的溶液濃度、溶液流場(chǎng)、反應氣泡等因素，結合設備制造安全性重點(diǎn)論述了濕法蝕刻設備整體結構工藝、溶液濃度控制工藝、晶片旋轉控制工藝等設備制造的重要工藝。關(guān)鍵詞：石英MEMS傳感器石英晶體各向異性濕法蝕刻MEMS是指微機電系統，是指采用微機電加工工藝，根據功能要求將機器元器件、電子元器件和傳感器執行元器件整合到微米級芯片上形成的獨立智能系統。單晶石英材料具有壓電效果，具有優(yōu)良的溫度、機械性能、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、高穩定性、高清晰度等特性，在微型慣性導航系統、姿態(tài)測量和控制、航空宇宙、汽車(chē)電子、儀表等領(lǐng)域得到廣泛應用，其加工技術(shù)和設備制造技術(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傳感器敏感芯片結構石英MEMS傳感器主要應用于振動(dòng)慣性構件，是通過(guò)振動(dòng)原理測量運動(dòng)物體的各種運動(dòng)參數(包括角速、角度、線(xiàn)速等)的慣性構件。石英MEMS振動(dòng)慣性器件主要包括石英微機械振動(dòng)陀螺、石英振梁加速度計等，其敏感結構采用石英晶體，根據石英晶體的壓電效果原理，采用微電子加工技術(shù)，是振動(dòng)慣性技術(shù)與微機械加工技術(shù)的有機結合。石英微機械振動(dòng)陀螺是音叉結構的哥氏振動(dòng)陀螺，是MEMS角速度傳感器。其敏感芯片結構為雙端叉結構，包括驅動(dòng)叉、讀取叉和支撐結構。石英微機械振動(dòng)陀螺的工作原理和敏感芯片結構如圖1所示。驅動(dòng)叉受自然頻率左右振動(dòng)，石英MEMS陀螺旋轉垂直軸時(shí)，驅動(dòng)叉受到哥力(Coriolis)的作用，產(chǎn)生垂直于叉平面的振動(dòng)，該哥力運動(dòng)傳遞到讀音叉，使讀音叉垂直于叉平面的方向振動(dòng)，振動(dòng)幅度與驅動(dòng)叉的速度和外加速度相比敏感芯片結構是以石英晶體為基體材料的一體式叉結構，具有雙端叉、單端叉等結構形式。雙端叉結構分離驅動(dòng)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構驅動(dòng)叉與讀出叉共用叉，體積小，但信號相互干擾，靈敏度低。
石英微機械振動(dòng)陀螺的工作原理和敏感芯片結構石英MEMS加速度計，即石英振梁加速度計，根據石英振梁的諧振頻率隨外力變化的特性檢測運動(dòng)體的加速度。一對一壓電石英振梁和質(zhì)量塊通過(guò)柔性系統支撐形成一體化。石英振動(dòng)梁與外電路組成兩種不同頻率的自激振動(dòng)器，當其敏感軸方向有加速度輸入時(shí)，一個(gè)振動(dòng)梁受到張力，另一個(gè)振動(dòng)梁受到壓力，相應的振動(dòng)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(dòng)梁加速度計敏感芯片結構采用集石英振動(dòng)梁、質(zhì)量塊、柔性支撐等一體化單片結構，通常有分體式和一體式兩種形式。分體結構由兩端固定石英振梁、柔性支撐結構等構成。其優(yōu)點(diǎn)是石英振梁、柔性支撐結構單獨加工，工藝比較簡(jiǎn)單，但組裝工藝復雜。集成結構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(wèn)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構2石英MEMS傳感器敏感芯片加工工藝石英MEMS傳感器敏感芯片結構采用石英晶體材料。石英通常的加工方法有機械加工、激光加工、干法蝕刻和濕法蝕刻等。機械加工、激光加工由于加工質(zhì)量和尺寸精度有限，不適合石英MEMS傳感器敏感芯片復雜細小結構；干法蝕刻結構尺寸控制，可得到石英晶體表面平坦的高深寬比結構，但其加工成本高，效率低，目前石英干法蝕刻設備尚不成熟；濕法蝕刻通過(guò)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傳感器敏感芯片復雜細小結構加工的技術(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膜，然后通過(guò)雙面光刻技術(shù)，在晶片金屬膜上形成敏感的晶片結構形狀，然后進(jìn)行石英晶片濕法浸蝕，形成必要的三維晶片結構，然后在晶片結構上形成電極，形成完整的敏感晶片。石英濕法蝕刻液是一種具有很強腐蝕性的HF溶液，對包括光刻膠在內的大部分物質(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)比較穩定，不會(huì )與HF酸反應，黃金口罩層的致密性能會(huì )很好的阻止蝕刻液的滲透，但是黃金和石英的附著(zhù)性比較差，長(cháng)時(shí)間浸泡在蝕刻液中很容易與石英脫落，導致口罩無(wú)效。因此，通常在黃金和石英之間濺射或蒸鍍石英附著(zhù)性強的鉻和鈦，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(zhù)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(chēng)熔體石英，各向同性，無(wú)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、良好的絕緣性和顯著(zhù)的各向異性。適用于石英不規則復雜結構加工，如尖角、空腔、高深寬比側壁、懸臂梁等，是石英MEMS傳感器敏感芯片復雜三維結構的重要晶體材料。由于石英晶體原子結構的排列有方向性，不同方向的晶體原子排列結構和原子密度不同，晶體化學(xué)反應(蝕刻速度)不同，表現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(guò)化學(xué)蝕刻液與蝕刻晶體之間的非等向化學(xué)反應去除蝕刻部分，實(shí)現敏感芯片的微納米圖形結構。為了獲得預期穩定的蝕刻結構和良好的石英表面加工質(zhì)量，需要嚴格控制蝕刻時(shí)間和蝕刻速度。為了達到這目的，通常通過(guò)選擇適當的腐蝕液配比和控制腐蝕液溫度和濃度來(lái)改變各晶面的腐蝕速度，減少側腐蝕量，達到預期的形狀結構。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)反應方法：
SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O。
SiO2+4NH4F+2H2O→SiF4↑+4NH3H2O。
力準傳感專(zhuān)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)高品質(zhì)、高精度力傳感器。產(chǎn)品可廣泛應用于多種新型和智能化高端領(lǐng)域，包括工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、3C、新能源、機器人、機械制造、醫療、紡織、汽車(chē)、冶金以及交通等領(lǐng)域。
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