CN110806496A - 一种全金属微惯性系统器件及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全金属微惯性系统器件的加工方法，包括以下步骤：提供硅基板，在硅基板电镀一层Cr/Au金属层，将PMMA光刻胶层覆盖到Cr/Au金属层表面；将掩模板与硅基板对准后，采用X射线照射PMMA光刻胶层，显影得到光刻胶微结构，并在光刻胶微结构的缝隙中显露出Cr/Au金属层；在显露的Cr/Au金属层表面电镀Ni/Cu金属层；打磨将Ni/Cu金属层的厚度处理为100～1000um；分离硅基板，去除PMMA光刻胶层和Cr/Au金属层得到全金属微惯性系统器件。与现有技术相比，本发明具有工艺步骤少、成本低、加工过程简单、成品抗冲击力强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微细加工领域，尤其是涉及一种全金属微惯性系统器件及其加工方法。
背景技术
光刻技术一直是推动微机械制造业向前发展的关键技术之一。随着新技术革命的到来，使得光学光刻工艺技术的发展日渐完善。而X射线光刻技术经过近三十年的发展，已基本成熟。相比其他常用光学光刻技术而言，X射线光刻具有穿透性强、分辨率高、深宽比高、工艺简单等诸多优点。
传统微惯性系统器件的制备，通常采用单一的掩模板进行光刻，每次只能得到同样大小和尺寸的微型器件。此种方法对于大批量地生产不同大小的全金属微惯性系统而言，步骤过于繁琐、耗时，使得掩模成本大大提高，不适宜批量生产。
以现有的全金属微惯性系统器件为例，参见专利《一种全金属电容极板微加速度传感器》中(专利号CN104020313A)，该专利通过质量块的位移产生电容差，从而得到反馈电压以测量加速度的大小。采用电容式极板，电容的大小极易受到周围环境的干扰。且由于电容式传感器的电容与上下极板之间的距离关系是非线性的，需要额外接入补偿电路，在接入电路后，电缆分布也易对电容产生影响。
中国专利CN1778505A公布了一种电火花加工用的极长异形微细电极的制造方法，包括如下步骤:步骤1:在导电基板上涂光刻胶；步骤2:掩模板与导电基板对准后曝光，显影后得到光刻胶微结构；步骤3:在光刻胶微结构的缝隙中电铸金属；步骤4:重复1-3步骤；步骤5：去除光刻胶和导电基板后得到所需金属电极。但是该专利技术中采用紫外光照，而对于全金属微惯性系统器件，需要保证该器件的表面粗糙度以及结构强度，因此该器件的厚度要求较高，紫外光照无法满足要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种加工效率高、加工工艺简单、测量准确的全金属微惯性系统器件及其加工方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种全金属微惯性系统器件的加工方法，包括以下步骤：
(1)提供硅基板，在所述硅基板电镀一层Cr/Au金属层，将PMMA光刻胶层覆盖到所述Cr/Au金属层表面；
(2)将掩模板与硅基板对准后，采用X射线照射所述PMMA光刻胶层，显影得到光刻胶微结构，并在所述光刻胶微结构的缝隙中显露出Cr/Au金属层；
(3)在显露的Cr/Au金属层表面电镀Ni/Cu金属层；
(4)打磨将所述Ni/Cu金属层的厚度处理为100～1000um；
(5)分离所述硅基板，去除PMMA光刻胶层和Cr/Au金属层得到所述全金属微惯性系统器件。
所述X射线的光子能量大于1.3kev。
所述X射线的照射方法为用一个开普顿窗口获取X射线光束，然后X射线光束通过掩模板，照射所述PMMA光刻胶层上曝光，将掩模板的图形转移至光刻胶上。
所述全金属微惯性系统器件的尺寸大于所述开普顿窗口的尺寸，对所述PMMA光刻胶层进行移动光刻。
所述X射线照射PMMA光刻胶层的时间依据所需加工器件的大小而变化，可以在5min～60min区间变动。
所述PMMA光刻胶层的最高厚度可达1mm，其厚度在1um～1mm区间浮动变化。
预先有技术相比，和现在制造的微机械构件通常所采用的刻蚀工艺及单一掩膜工艺相比，X射线曝光条件下所得构件的表面粗糙度小，构件厚度最高可达1mm，抗冲击能力强，并且仅通过改变掩模图形的尺寸、只需要通过一次X曝光就可在同一片硅片上得到不同大小的全金属微惯性系统器件，能够大批量生产。
制备工艺中，最为关键的工艺在于X射线曝光。根据所需制备全金属器件的厚度大小来选择不同的曝光时间，从5min～60min不等，光刻蚀时间过短，则无法保证PMMA光刻胶层上得到相应深度的光刻胶微结构，从而无法保证最终产品的厚度和结构；刻蚀时间过长易其他不需要刻蚀的结构损坏，考虑到X光源使用费用昂贵，过渡刻蚀会对光源造成不必要的浪费。当全金属器件的大小大于X射线窗口时，需要对加工器件进行移动曝光。
所述掩模板上设有若干个尺寸大小相同或不同的产品图案。
通过改变掩模图形的尺寸就可在同一块硅片上得到具有不同大小的全金属微惯性系统器件，并且只需要一次X射线曝光，能够大批量生产，克服了现有技术耗时、成本高的缺点。
采用上述加工方法得到的全金属微惯性器件，包括质量块、与所述质量块连接的弹簧和与所述弹簧连接的锚点；该锚点连接于带测量构件上。
该全金属微惯性器件还包括连接于质量块上的导向部，该导向部内设有放置所述弹簧的空腔。
本发明提供的全金属微惯性器件的工作原理为：
当器件弹簧通过锚点连接到基板上，当沿器件水平方向的加速度作用于构件时，由于惯性力的存在使得质量块往右发生偏移，与此同时，弹簧向左拉伸，在不计摩擦的情况下，通过牛顿第二定律F＝ma和胡克定律F＝kx，可由弹簧的形变量得到加速度的大小。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的工艺过程采用X光光刻工艺和电镀工艺制结合，生产得到的全金属微惯性系统器件的表面粗糙度小，构件厚度最高可达1mm，抗冲击能力强，满足微型传感器的要求；
(2)只需要通过一次X曝光就可在同一片硅片上得到不同大小的全金属微惯性系统器件，能够大批量生产，生产效率高，成本低。
附图说明
图1为本发明中全金属微惯性器件的结构示意图；
图2为本发明中全金属微惯性器件的工作原理示意图；
图3为本发明中全金属微惯性器件的制备工艺流程图；
图4为本发明中采用的掩模板的结构示意图；
图中，1为锚点，2为弹簧，3为质量块，4为导向部，5为空腔，6为硅基板，7为Cr/Au金属层，8为PMMA光刻胶层，9为光刻胶微结构，10为Ni/Cu金属层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种全金属微惯性系统器件，如图1所示，包括质量块3、与质量块3连接的弹簧2、连接于质量块3上的导向部4和与弹簧2连接的锚点1；该锚点1连接于带测量构件上，导向部5内设有放置弹簧的空腔5，该全金属微惯性系统器件的厚度为1000um。
该全金属微惯性系统器件的工作原理为：
如图2所示，当器件弹簧2通过锚点1连接到基板上，当沿器件水平方向的加速度作用于构件时，由于惯性力的存在使得质量块3往右发生偏移，与此同时，弹簧2向左拉伸，在不计摩擦的情况下，通过牛顿第二定律F＝ma和胡克定律F＝kx，可由弹簧2的形变量得到加速度的大小。
本实施例中全金属微惯性系统器件的加工方法，如图3所示，包括以下步骤：
(1)提供硅基板6，在硅基板6电镀一层Cr/Au金属层7，将厚度为1mm的PMMA光刻胶层8覆盖到Cr/Au金属层7表面，如图3(a)所示；
(2)将掩模板与硅基板6对准后，采用X射线照射PMMA光刻胶层8，显影得到光刻胶微结构9，并在光刻胶微结构9的缝隙中显露出Cr/Au金属层7，如图3(b)所示；
其中，X射线的照射方法为用一个开普顿窗口获取X射线光束，然后X射线光束通过掩模板，照射PMMA光刻胶层8上曝光，将掩模板的图形转移至光刻胶上；X射线束的全长是1.58m，200μm厚的铍(Be)和50μm厚的开普顿(kapton)窗口(5mm×30mm)被用来作为过滤器以得到光子能量超过1.3kev的硬X射线；X射线照射PMMA光刻胶层8时的时间为60min；
为了在同一片硅片上得到不同大小的全金属微惯性系统器件，掩模板上设有若干个尺寸大小相同或不同的产品图案，如图4所示。
(3)在显露的Cr/Au金属层7表面电镀Ni/Cu金属层10，如图3(c)所示；
(4)打磨将Ni/Cu金属层10的厚度处理为1000um，如图3(d)所示；
(5)分离硅基板6，去除PMMA光刻胶层8和Cr/Au金属层7得到全金属微惯性系统器件，如图3(e)所示。
实施例2
一种全金属微惯性系统器件，厚度为100um，包括质量块3、与质量块3连接的弹簧2、连接于质量块3上的导向部4和与弹簧2连接的锚点1；该锚点1连接于带测量构件上，导向部5内设有放置弹簧的空腔5。
本实施例中全金属微惯性系统器件的加工方法，包括以下步骤：
(1)提供硅基板6，在硅基板6电镀一层Cr/Au金属层7，将厚度为1um的PMMA光刻胶层8覆盖到Cr/Au金属层7表面；
(2)将掩模板与硅基板6对准后，采用X射线照射PMMA光刻胶层8，显影得到光刻胶微结构9，并在光刻胶微结构9的缝隙中显露出Cr/Au金属层7；
其中，X射线的照射方法为用一个开普顿窗口获取X射线光束，然后X射线光束通过掩模板，照射PMMA光刻胶层8上曝光，将掩模板的图形转移至光刻胶上；X射线束的全长是1.58m，200μm厚的铍(Be)和50μm厚的开普顿(kapton)窗口(5mm×30mm)被用来作为过滤器以得到光子能量超过1.3kev的硬X射线；X射线照射PMMA光刻胶层8时的时间为5min；
为了在同一片硅片上得到不同大小的全金属微惯性系统器件，掩模板上设有若干个尺寸大小相同或不同的产品图案。
(3)在显露的Cr/Au金属层7表面电镀Ni/Cu金属层10；
(4)打磨将Ni/Cu金属层10的厚度处理为100um；
(5)分离硅基板6，去除PMMA光刻胶层8和Cr/Au金属层7得到全金属微惯性系统器件。
和现在制造的微机械构件通常所采用的刻蚀工艺及单一掩膜工艺相比，X射线曝光条件下所得构件的表面粗糙度小，构件厚度最高可达1mm，抗冲击能力强，并且仅通过改变掩模图形的尺寸、只需要通过一次X曝光就可在同一片硅片上得到不同大小的全金属微惯性系统器件，能够大批量生产，克服了现有技术耗时、成本高的缺点，可以一次性的得到大量的全金属微惯性系统器件，提供了一种灵活的制造方法，可以用作加速度传感器系统中。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种全金属微惯性系统器件的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供硅基板(6)，在所述硅基板(6)电镀一层Cr/Au金属层(7)，将PMMA光刻胶层(8)覆盖到所述Cr/Au金属层(7)表面；
将掩模板与硅基板(6)对准后，采用X射线照射所述PMMA光刻胶层(8)，显影得到光刻胶微结构(9)，并在所述光刻胶微结构(9)的缝隙中显露出Cr/Au金属层(7)；
在显露的Cr/Au金属层(7)表面电镀Ni/Cu金属层(10)；
打磨将所述Ni/Cu金属层(10)的厚度处理为100～1000um；
分离所述硅基板(6)，去除PMMA光刻胶层(8)和Cr/Au金属层(7)得到所述全金属微惯性系统器件。
2.根据权利要求1所述的一种全金属微惯性系统器件的加工方法，其特征在于，所述X射线的光子能量大于1.3kev。
3.根据权利要求2所述的一种全金属微惯性系统器件的加工方法，其特征在于，所述X射线的照射方法为用一个开普顿窗口获取X射线光束，然后X射线光束通过掩模板，照射所述PMMA光刻胶层(8)上曝光，将掩模板的图形转移至光刻胶上。
4.根据权利要求3所述的一种全金属微惯性系统器件的加工方法，其特征在于，所述全金属微惯性系统器件的尺寸大于所述开普顿窗口的尺寸，对所述PMMA光刻胶层(8)进行移动光刻。
5.根据权利要求3所述的一种全金属微惯性系统器件的加工方法，其特征在于，所述开普顿窗口的尺寸为5*30mm。
6.根据权利要求4所述的一种全金属微惯性系统器件的加工方法，其特征在于，所述X射线照射PMMA光刻胶层(8)的时间为5min～60min。
7.根据权利要求1所述的一种全金属微惯性系统器件的加工方法，其特征在于，所述PMMA光刻胶层(8)的厚度为1um～1mm。
8.根据权利要求1所述的一种全金属微惯性系统器件的加工方法，其特征在于，所述掩模板上设有若干个尺寸大小相同或不同的产品图案。
9.一种采用权利要求1所述的加工方法得到的全金属微惯性器件，其特征在于，包括质量块(3)、与所述质量块(3)连接的弹簧(2)和与所述弹簧(2)连接的锚点(1)；该锚点(1)连接于带测量构件上。
10.一种采用权利要求1所述的加工方法得到的全金属微惯性器件，其特征在于，还包括连接于质量块(3)上的导向部(4)，该导向部(4)内设有放置所述弹簧(2)的空腔(5)。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |