[發明專利]一種高精度隧道式加速度計及其制備方法

有效

• 申請號: 202010702434.1
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN112034203B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 張威;廖建輝;趙曉東
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01P15/08
• 分類號: G01P15/08;G01P15/13
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種高精度隧道式加速度計及其制備方法。本發明的隧道式加速度計，包括玻璃襯底、硅片和石墨烯，其中硅片上有反饋電極、質量塊和隧道結，反饋電極位于質量塊左側，質量塊與彈簧固定連接，隧道結位于質量塊右側。其制備方法包含的步驟為：在硅片背面刻蝕限位槽，使質量塊處于自由移動的狀態；陽極鍵合玻璃襯底與硅片；濺射金屬，在硅片正面標記位置制備反饋電極和隧道電流發射電極；深刻蝕，生成彈簧和質量塊；制備隧道結，在隧道電流發射電極上集成石墨烯，通過電致燃燒法形成隧道結。本發明的隧道式加速度計，采用石墨烯電致燃燒法制備隧道結，既避免了傳統工藝的限制，又確保了隧道間距的可控性，從而提高了加速度計的測試精度。

技術領域

本發明屬于微電子機械系統加工領域，涉及一種高精度隧道式加速度計的結構設計及制備方法。

背景技術

隨著硅微加工技術的不斷成熟，硅加速度計在傳感器市場占據越來越重要的地位。小型化、智能化、集成化已成為加速度傳感器的發展方向，其應用也逐步擴展到導航、微重力測量、水聲測量以及地震學等方面。傳統的機械式加速度計存在體積大、精度低的問題，因此，研制一款新型的高精度微加速度計是目前亟待解決的問題。

自1986年美國科學家G.Bining和H.Rohrer等人因成功開發基于量子隧道效應的掃描顯微鏡而獲得諾貝爾物理學獎后，基于量子隧道效應的應用成為研究的熱點。其中第一個力平衡式隧道效應加速度計產生于美國NASA旗下的JPL實驗室。之后美國Stanford大學在NASA資助下成功將該加速度計應用于水下潛艇探測和太空機器人慣性控制；MIT研究的隧道式加速度計采用體硅工藝加工，電極隧尖距離變化為5.5埃至8.5埃，但其線性度較差，僅為0.1％；美國明尼蘇達大學研制了一種新型的基于高分子聚合物的隧道式加速度計，初步驗證了隧道效應。國內北京大學、清華大學、東南大學和信息產業部十三所等單位均開展了隧道式加速度計的研究和制作，并成功觀測到了隧道效應。現有的研究均通過微加工工藝制作隧道間距，但由于工藝的限制，器件制作完畢后，隧道間距無法達到1nm(已有研究表明：隧道間距小于1nm時才可產生隧道電流)，通常的做法是在偏轉下拉電極上加載電壓，將隧尖間距拉至1nm的范圍內，直至產生隧道效應，并將此狀態作為器件的平衡點。這種方式存在以下弊端：

(1)目前制備隧尖基本采用KOH腐蝕獲得，由于凸角快速腐蝕，導致隧尖高度和初始間距難以控制，器件重復性較差，不利于大批量制造；

(2)隧道電流和隧道間隙之間存在非線性指數衰減關系，必須通過反饋控制系統來抑制各種低頻噪聲，以提高加速度計的精度。但由于微加工工藝限制，初始隧道間距難以達到1nm，因此，需額外增加電路控制模塊使加速度計達到初始隧道電流狀態，這將勢必增大器件的功耗，增加噪聲引入源，影響加速度計的測試精度。

發明內容

本發明的目的是提供一種新型的高精度隧道式加速度計結構，該加速度計結合石墨烯制備出納米級的隧道間距，具有微型化、精度高的特點。

本發明的另一目的是提供所述高精度隧道式加速度計的制備方法。

本發明的技術解決方案：一種高精度隧道式加速度計，包括玻璃襯底、硅片和石墨烯，玻璃襯底和硅通過陽極鍵合連接，其中在硅片上有反饋電極、質量塊和隧道結，反饋電極位于質量塊左側，質量塊與彈簧固定連接，隧道結位于質量塊右側，通過對石墨烯電致燃燒形成納米級隧道間隙。

所述質量塊和懸臂梁采用單晶硅。

本發明的高精度隧道式加速度計，上電后，由石墨烯制備的隧道結(隧道間隙≤1nm)產生隧道電流，隧道電流與隧道間距呈指數關系，將該狀態作為初始平衡狀態，當施加外界加速度時，質量塊發生偏移，隧道間距變化，隧道電流隨之發生改變，初始平衡狀態被打破，反饋電壓發生變化，反饋電極通過靜電力將質量塊拉回至初始平衡狀態。該過程中反饋電壓的變化實時反映了外界加速度的大小。通過對反饋電壓的檢測可獲取加速度的值。

高精度隧道式加速度計的制備方法，包括以下步驟：