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1、微加速度计设计,中北大学 微米纳米技术研究中心,1.量程:0A g、0B g、0C g和0D g,性能指标,2.抗过载能力大于M g,3.频响范围：N Hz,第一阶段 知识的积累,一、压阻式微加速度计的工作原理,以单晶硅为例，当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻率发生显著变化的效应称为压阻效应。,压阻式微传感器结构,压阻效应,工作原理,压敏电阻的相对变化量,与应力的关系为,在平衡情况下,在加速度作用下,惠斯通电桥连接,所以有,二、硅材料的选择,室温下，N型和P型硅电阻的11、12、44的数值如下。,11、12、44的数值 （10-11 m2/N）,为了使所设计的传感器具有较高的结构灵敏度（输出
2、灵敏度），可以选用N型（100）硅片，在硅片的、晶向上通过硼离子注入得到P型压敏电阻。从而可以利用最大压阻系数44。,N型硅P型电阻条,P型硅N型电阻条,结论：设计压阻式微加速度计时，采用N型(100)硅片其输出灵敏度比采用P型(100)硅片的输出灵敏度高2倍以上。,三、典型结构分析,(a)单悬臂梁,(b)双悬臂梁,(c)双端梁,(d)双岛五梁,(e)双端四梁,(f) 四边梁结构,（g）八梁结构,(a)和(b)为悬臂梁式结构，优点是灵敏度高，但其一阶固有频率低，频率响应范围窄，且横向灵敏度较大。 (c)(g)为固支梁结构 ，其一阶固有频率比悬臂梁式结构高得多，有利于扩大传感器的频率响应范围。但
3、在电桥中压敏电阻数量相同的情况下，其灵敏度低于悬臂梁式结构。 (g)图所示的四边八梁结构横向灵敏度最低，但其输出灵敏度也最低。 综合考虑，所要设计的传感器采用 双端四梁结构(e)，该结构在保证一定的输出灵敏度的基础上能够较好地解决横向灵敏度的问题。,四、设计约束,材料属性约束,硅的材料参数 (m-N-kg),一般硅材料所能承受的最大应变为 ，为了保证传感器的输出具有较好的线性度，悬臂梁根部所承受的最大应变范围为 。为了满足这个范围，梁根部的最大等效应力值不超过80MPa。,工艺条件约束,边界约束主要考虑加工工艺的影响，根据某加工单位的实际加工水平提出的约束条件如下： 2) 梁宽（b1）： b1
4、= m； 3) 梁长（L1） ： L1 = m； 5) 质量块厚度（h2） h2= m; 由于要在同一批工艺中同时实现复合量程微加速度计中的四个结构，因此四个结构中质量块的厚度、梁的厚度必须一致。,加工单位所能实现的压敏电阻如右所示。压敏电阻包括三部分： P、P+和引线孔，压敏电阻的宽度由P决定，长度由P+决定。,压敏电阻工艺要求,版图设计约束,1. 出于测试考虑，电极的最小尺寸为100um*100um。,2. P+层与P+层之间的最小距离为10um。,3. 一个cell的尺寸为9mm*9mm。,4. 划片槽的宽度为300um。,五、关键工艺介绍,光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加
5、工技术。在半导体器件生产过程中，光刻的目的就是按照器件设计的要求，在二氧化硅薄膜或金属薄膜上面，刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属薄膜布线。,热氧化的生长机制:开始时，氧原子与硅原子结合，二氧化硅的生长是一个线性过程。大约长了500之后，线性阶段达到极限。为了保持氧化层的生长，氧原子与硅原子必须相互接触。在二氧化硅的热生长过程中，氧气扩散通过氧化层进入到硅表面，因此，二氧化硅从硅表面消耗硅原子，氧化层长入硅表面。随着氧化层厚度的增加，氧原子只有扩散通过更长的一段距离才可以到达硅表面，因此，从时间上来看，氧化层的生长变慢，氧化层厚度、生长率及时间之间的关系成抛物线形。,腐蚀
6、分为湿法腐蚀和干法腐蚀。利用KOH腐蚀剂在(100)晶面进行各向异性腐蚀是体硅微机械加工工艺中一种简单易行且重要的加工工艺。湿法腐蚀形成质量块的时候需要进行凸角补偿。最常用的凸角补偿方法如下所示。,其中，h=腐蚀深度/0.54,通过上述的方法可以实现质量块边缘的最佳腐蚀。,干法腐蚀包括PE（等离子体腐蚀），RIE（反应离子腐蚀），ICP（感应耦合等离子体腐蚀），TCP（变压器耦合等离子体腐蚀），ECR（电子回旋共振腐蚀）等。干法腐蚀清洁、干燥，无浮胶现象，工艺过程简单，图形分辨率高。本结构中最后释放梁-质量块结构采用的就是ICP刻蚀。由于ICP刻蚀温度较湿法腐蚀高，可能存在残余应力高等问题。同
7、时，不同的加工单位对ICP刻蚀深度的要求也不相同。,溅射镀膜的原理是在真空室内使微量氩气或氦气电离，电离后的离子在电场的作用下向阴极靶加速运动并轰击靶，将靶材料的原子或分子溅射出来，在作为阳极的基片上形成薄膜。溅射（sputtering）已广泛地用于在基片上沉积铝、钛、铬、铂、钯等金属薄膜和无定形硅、玻璃、压电陶瓷等非金属薄膜。用溅射法制造的薄膜均匀性好，可以覆盖有台阶的表面，内应力小，现已在很大程度取代了蒸发镀膜。,离子注入是掺杂技术的一种，就是将所需的杂质以一定的方式掺入到半导体基片规定的区域，并达到规定的数量和符合要求的分布，以达到改变材料电学性能、制作PN结、集成电路的电阻和互联线的目
8、的。复合量程微加速度计中压敏电阻就是通过硼离子注入得到的。,六、所用软件,1.Ansys用于结构设计与仿真，可计算各阶频率和各阶振型、应力值、结构挠度、结构灵敏度及位移量等。,2. Intellisuite用于工艺步骤的设计与仿真，同时实现上述结构参数的仿真计算。,3. L-Edit用于版图的设计，同时可以模拟工艺过程。,4. Matlab或Maple用于理论计算。,第二阶段 结构设计与分析,一、结构尺寸的确定,结构尺寸的确定需要依据器件的性能指标、各种约束条件的要求，并能最大限度地提高结构的输出灵敏度和频带宽度。在设计过程中可以通过改变其中一个结构尺寸，计算或仿真得到一阶固有频率值及梁上的应
9、力值与该尺寸之间的关系曲线，从而最终确定结构尺寸参数。,1. 理论计算,通过对单悬臂梁、双悬臂梁、双端梁-质量块结构的比较与理论推导，得到双端四梁结构的理论计算公式：,结构的刚度,结构的第一阶固有频率为,梁端部的挠度,结构灵敏度,梁根部或端部所受到的最大应力为,最大应变量为,设计过程中，为了满足固有频率和灵敏度的要求，设计各种尺度的结构，得到了单一结构尺寸与固有频率、灵敏度（应力值）之间的关系。,梁宽与频率、应力之间的关系,梁长与频率、应力之间的关系,梁厚与频率、应力之间的关系,综合考虑上面三个图，可最终确定结构参数。,2. 结构尺寸参数,传感器结构参数（m）,二、惠斯通电桥的设计,电桥的设计
10、要求：电桥四臂的初始阻值、温度系数相同(在初始状态电桥平衡，输出电压为0)；电桥邻臂的阻值变化量相等，符号相反(可以提高器件输出的线性度，同时可消除横向加速度的影响，降低横向灵敏度)。,传统的压阻电桥一般设计成闭环形式，在进行零位调整时普遍采用的方法是在任一桥臂上并联电阻，闭环电桥引出线少。如果设计成开环形式，则在调整零位平衡和灵敏度漂移时，即可并联电阻又可串联电阻，大大增加信号处理的自由度。,开环式惠斯通全桥电路。,X方向加载A g,y方向加载A g,z方向加载A g,如果设计成闭环电桥，则需要考虑影响电桥平衡的原因：,(1)由于工艺的原因，各个压敏电阻的阻值不可能完全相等；,(2)各桥臂由
11、于距离不同，其连接导线的阻值会有所不同。,设计时应计算引线孔到压焊点的导线电阻，通过调整导线的长度和宽度的方法来平衡各臂的导线电阻。导线电阻与长度成正比，与宽度成反比，通过计算方块电阻来实现。此外，导线均为直线，不能为斜线。,三、结构的仿真与性能分析,1.模态仿真,加速度计本身是一个质量弹性梁系统，在外界加速度作用下质量块发生振动，所以频响范围是加速度计的一个重要特性，在结构设计时应使系统的频响范围足够宽，而结构的固有频率是影响频响范围的重要因素。利用ANSYS软件中有限元模态分析的方法能够计算出该结构的各阶模态的固有频率及其振型。 查看分析结果时，主要判断频率值是否满足频响要求（一般要求一阶
12、固有频率频响范围的5倍），一阶振型是否在敏感方向(z方向)内振动。,SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 26908. 1 1 1 2 35464. 1 2 2 3 59671. 1 3 3 4 72029. 1 4 4 5 0.32776E+06 1 5 5,对0-A g结构进行模态分析，得到结构的前五阶固有频率及其前三阶的振型如下所示。,结构静力学分析是ANSYS 产品的家族中7种结构分析之一，主要用来分析由于稳态外载荷所引起的系统的位移、应力和应变，其中稳态载荷主要包括外部施加的力和压力、稳态的惯性力如重力。 在该结构设计时，在结构上加
13、载满量程加速度值（如为0-A g量程的结构，在进行静力学分析时加载A g的加速度），查看结果时，主要判断梁上的最大等效应力值是否超过硅材料的弯曲强度(80MPa)。,2.静力学分析,结构等效应力分布云图,3.路径分析,在静态求解之后通过路径分析来判断梁上的应力是否线性分布，在得到梁上应力的线性分布区域之后，在应力值最大的线性区域放置压敏电阻。,应力的线性分布区域为距离梁根部和端部xxx um的范围内。为了最大限度地同时满足传感器灵敏度与线性度要求，选择压敏电阻的放置区域为距离梁根部和端部xxx um。在每个电阻的放置位置处选取三条路径，分析电阻位置处的应力分布情况，求出电阻位置的平均横向应力与
14、纵向应力值。,根据上述方法得到8个电阻位置的平均纵向应力与横向应力,4. 输出灵敏度分析,电桥的输出电压,输出灵敏度,5.横向输出灵敏度分析,分别在x、y轴向加载A g的加速度，求解惠斯通电桥的输出电压，得到x、y方向的横向灵敏度,6. 阻尼的分析与设计,在系统中添加粘滞流体，利用流体为结构提供阻尼力可以降低结构的振动幅值，避免结构因共振而损坏。,将梁-质量块结构等效为弹簧、阻尼器、质量块构成的二阶单自由度振动系统 ，如图所示。经分析，得,阻尼的设计可以通过静电键合技术，在硅结构层的下面制作玻璃盖板实现。由流体力学的雷诺方程可知，调节质量块-玻璃盖板间距可以调节阻尼参数。,其中,因此得到阻尼比
15、与质量块-玻璃盖板间距之间的关系，如图。,阻尼比的计算公式,综合考虑四种结构的性能要求以及工艺实现的精度要求，取质量块下底面与玻璃盖板之间的距离为xxx um。得到四种结构的阻尼比分别为w1、w2、w3和w4。,7.抗过载能力分析与设计,硅结构层包括框架、质量块和四根梁 ；下层为玻璃结构。静电键合间距为5um。以量程为A g的结构为例进行抗过载性能的仿真与分析。,当作用在结构上的加速度载荷,g时，质量块在z方向上,振动的最大位移量达到5um，起到了限位保护作用。,复合量程微加速度计结构示意图,第三阶段 工艺设计与仿真,加工复合量程微加速度计的整套工艺流程包括硅工艺流程、玻璃工艺流程和键合划片工艺流程三部分。,一、硅工艺,1、备片：N型(100)硅片,2、形成P-电阻区 3、形成P+欧姆接触区 4、第一次KOH背腔腐蚀，形成背腔 5、第二次KOH背腔腐蚀，减薄质量块 6、正面光刻引线孔 7、正面溅射金属铝 8、以铝为掩模，正面ICP，释放结构 9、正面光刻将铝层图形化做出导线,硅加工工艺流程,B离子注入，形成P-区,浓硼掺杂，形成P+区,第一次背腔腐蚀,第二次背腔腐蚀,正面ICP刻蚀释放结构,二、玻璃工艺与静电键合,玻璃工艺所用的材料为Plan-optik Borofloat 33玻璃，厚度为xxxxm。通过一次光刻在质量块正下方的玻璃
