基于金硅原电池保护电容加速度计的制作

　　0 引 言

　　微机械加速度计是重要的惯性器件，在汽车安全气囊、导弹制导和航天航空定位等领域具有广泛的应用[1]。电容加速度计相对于压阻式等其他加速度计具有温度系数小、功耗低等优点。此外，电容加速度计具有很低的热噪声，在高性能传感器中有广泛应用[2]。

　　体硅微机械加速度计很容易制作大的质量块，它具有较小的噪声，因此，高性能加速度计一般均采用体微机械技术加工。三明治式加速度计是典型的体硅微机械加速度计[3]。

　　三明治式加速度计一般制作工艺存在以下难点: 1) 由于可动结构在键合时已成型，很容易在键合时破坏[4]; 2)下电极与可动结构实现电学引出的难度高; 3) 制作的上下盖板打孔困难，造成难以通过开孔实现对阻尼的控制，而必须采用抽真空等方式; 4) 传感器的梁—质量块结构多采用时间控制的腐蚀技术形成，均匀性、重复性均较差。

　　Michigan 大学的 Yazdi N 等人提出一种结合体微机械加工与表面微机械加工的工艺方法来解决以上难点[5]。该工艺采用表面微机械制作上下电极以避免键合引起的成品率低、电学引出和阻尼孔等制作困难。此工艺也存在着当电极跨度较大时机械强度明显不足和浓硼掺杂腐蚀自停止技术制作成的梁结构存在比较大的应力的问题。

　　French P J 等人提出的一种金硅在 TMAH 溶液中形成的原电池效应实现腐蚀自停止技术[6]来代替浓硼自停止技术，避免浓硼掺杂引入的应力问题。此技术避免了传统硅电化学腐蚀自停止需要外接电源的缺点。在 TMAH 溶液中金硅电极面积比大于阈值时，金硅在 TMAH 溶液中形成原电池结构能够提供硅钝化所需的钝化电流和钝化电势[7]。金硅原电池腐蚀自停止的主要缺点在于该技术对漏电流极为敏感，PN 结隔离实现硅的选择性腐蚀难度极大。

　　本文提出了一种以金硅原电池保护技术和击穿之前绝缘性好、击穿之后导电的反熔丝技术[8]制作电容式加速度计的新工艺方法。为了验证工艺的可行性，基于双层 SoI硅片设计电容式加速度计结构，再结合 TMAH 腐蚀液对硅的各向异性腐蚀和先部分封装再释放的工艺方法成功制作出双层加速度计结构。

　　1 制作原理

　　该工艺用 SoI 硅片的顶层硅制作梁和表面极板，用衬底制作质量块。采用 DRIE 从正面刻蚀形成释放孔，再通过TMAH 腐蚀去除梁区域以下的衬底硅实现质量块的释放。在 TMAH 腐蚀过程中，采用金硅原电池保护实现对梁和表面极板的保护。为了降低漏电流对原电池保护的影响，采用反镕丝实现梁与质量块间的电学连接。在 TMAH 腐蚀完成前，反镕丝保持断开状态，腐蚀完成后，击穿反镕丝形成导通状态。