一种新型的微机械电子隧穿加速度计

　　导航、卫星、空间技术和声学测量等领域广泛需求高分辨率的加速度计.利用微机械技术已开发出许多不同工作原理和结构形式的微型加速度计.它们的工作原理主要有电容式、压阻式和压电式.然而,这些传统原理的微机械加速度计,由于位移转换器部分的灵敏度较低,再加上其灵敏度随器件尺寸的缩小而降低,因此难以达到10-6g的分辨率.

　　电子隧穿位移转换器利用扫描隧道显微镜(STM)工作原理对位移有极高的灵敏度.在Kaiser和Kenny的文献里位移的分辨率达到10-4°A Hz[1,2].在过去10年中有多种基于电子隧穿原理的微机械加速度计研制出来.Rockstad等人[3开发出一种双元件电子隧穿加速度计.这种加速度计的制造采用了体硅加工工艺和低温硅/硅对准结合技术.他们到了亚10-6g的分辨率和宽的频带.这也是目前最高分辨率的微机械加速度计.然而,这种加速度计制作难度较大.Yeh和Najafi开发出一种mg分辨率的低压微机械电子隧穿加速度计.他们采用了体硅加工技术,硅/玻璃静电键合和浓硼扩散自停止腐蚀溶片工艺.由于这种加速度计的质量块很薄,因此其分辨率难以提高.

　　本文介绍了我们在微机械电子隧穿加速度计方面的工作.我们采用和Yeh和Najafi相似的体硅加工技术,硅/玻璃静电键合和浓硼扩散自停止腐蚀溶片工艺.但结构与之不同,他们采用2层浓硼扩散自停止硅和一层玻璃.我们采用2层玻璃和1层双面浓硼扩散自停止硅结构.中间的硅层是结构层,上下玻璃层主要是结构支撑和电极布线层.由于质量块和整个硅圆片同厚(与Rockstad和Liu等人的结构相同,不同于Yeh和Najaf的结构),再加上加入了保护电极,我们的隧穿加速度计的分辨率达到了10-6gHz,并且具有较高的抗冲击能力.

　　1　隧穿加速度计结构和工作原理

　　我们的隧穿加速度计的结构剖面图如图1所示.器件由2层玻璃和1层硅构成.硅层通过静电键合支撑在底层玻璃片上.检验质量、隧道尖电极和悬臂梁都制作在硅片上.通过双面腐蚀制作出的检验质量为400×10-6m,与硅片等厚,表面尺寸为2mm×2mm.为了减小偏轴误差,分别在检验质量的两面各制作了一组支撑悬臂梁.每组悬臂梁由4个折叠的浓硼掺杂硅梁组成.在隧道硅尖上溅射上Cr/Pt/Au多层金属作为隧道电极.铬金属层为黏附层,用来增加硅和金属层的黏附性.铂金属层为阻挡层,用来阻挡铬原子向金表面迁移.铬原子迁移到表面就会迅速氧化,从而使隧道效应失效.金是隧道电极的理想金属,因为它不与环境中的气体分子发生反应.底层玻璃片是硅结构层和上层玻璃片的支撑层,在其上面制作有2个金属电极.1个电极为第2个隧道电极,另一个电极为下偏转电极.上层玻璃片键合在硅片上,制作有保护电极.所有的电极都是Cr/Pt/Au多层金属.电子隧道传感器的工作原理和STM一样.当隧道尖电极和隧道另一电极间的距离足够小(1nm左右)时,两电极间就会产生隧道电流.如果隧道电压和隧道间隙保持恒定,那么隧穿电流保持不变.隧道电极间的距离通过底层的偏转电压控制.当隧穿加速度计感应加速度时,检验质量由于惯性力作用,而位置发生变化,由于隧道尖电极做在检验质量上,因此隧道间隙就发生了变化.隧穿电流和隧道电极间隙成逆指数关系[4]: