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1、 分类号 TP212.1 学号 09030039 U D C 密级 公 开 工学硕士学位论文 一种新型硅微加速度计的一种新型硅微加速度计的 设计与制造工艺研究设计与制造工艺研究 硕士生姓名 吕 宇 学 科 专 业 机械工程 研 究 方 向 微机电系统与微纳器件 指 导 教 师 崔红娟 副教授 国防科学技术大学研究生院国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月二一一年十一月 一 种 新 型 硅 微 加 速 度 计 的 设 计 与 制 造 工 艺 研 究 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 Design and Fabrication of a Novel Silicon Micro-
2、accelerometer Candidate：Lv Yu Advisor：Cui Hongjuan A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Mechanical Engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China November，2011 国防科学技术大学研究生院硕士学
3、位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 i ABSTRACT. ii 第一章 绪论 1 1.1 课题的研究背景与意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 国外微加速度计研究现状 2 1.2.2 国内微加速度计研究现状 6 第二章 加速度计结构设计. 8 2.1 加速度计的整体结构设计 8 2.1.1 硅-玻璃结构的确定 . 8 2.1.2 梁-质量块结构的选择 9 2.1.3 片上匹配电容结构的考虑 10 2.2 加速度计的力学模型及仿真. 11 2.2.1 开环加速度计的灵敏度 11 2.2.2 加速度计的频率响应 14 2.3 结构参数的确定 16 2.4 本章小结 . 20 第三
4、章 加速度计的制作工艺 . 21 3.1 主要工艺流程 21 3.1.1 梁-质量块加工工艺 . 21 3.1.2 玻璃衬底加工工艺 . 23 3.2 工艺中的关键问题 25 3.2.1 双面梁制作的一般方法 26 3.2.2 三角形截面梁的腐蚀工艺 27 3.3 本章小结 . 31 第四章 电容检测电路设计. 32 4.1 信号检测电路方案 32 4.1.1 电路类型的确定 . 32 4.1.2 载波的类型与驱动方式 33 4.2 电路模块的设计 36 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 II 页 4.2.1 差分放大模块设计 . 36 4.2.2 解调和移相模块设计 . 40 4.2
5、.3 末端低通滤波模块设计 42 4.3 影响电路性能的因素 44 4.3.1 移相电路的精度 . 44 4.3.2 电荷放大器不一致 . 45 4.4 本章小结 . 46 第五章 加速度计的性能测试与误差分析 . 47 5.1 重力场静态翻滚试验 47 5.1.1 测试方法 . 47 5.1.2 测试结果 . 47 5.2 非线性度 . 49 5.2.1 变间距检测的理论非线性 49 5.2.2 测试结果 . 50 5.3 零偏稳定性 . 51 5.4 误差分析 . 52 5.4.1 微加速度计的制造误差 52 5.4.2 微加速度计的噪声 . 56 5.5 本章小结 . 58 第六章 总结
6、与展望 . 59 6.1 全文总结 . 59 6.2 工作展望 . 59 致 谢 . 61 参考文献 . 62 作者在学期间取得的学术成果 . 67 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 1.1 Draper 实验室近年来 MEMS- INS 项目概况 2 表 2.1 位移灵敏度的理论计算与仿真结果比较 . 13 表 2.2 单晶硅材料特性 . 18 表 2.3 加速度计的结构尺寸 . 18 表 2.4 加速度计静力与模态的理论计算与仿真结果 19 表 3.1 常用金属薄膜的腐蚀液配制 . 25 表 4.1 方波和正弦波的比较 . 34 表 5.1 加速度计重力
7、场静态翻滚试验数据 48 表 5.2 不同气压下的阻尼系数的仿真结果 . 57 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 1.1 Analog Device 公司的 ADXL50 加速度计 . 3 图 1.2 ADXL202 集成电路版图和结构图 . 3 图 1.3 Silicon Design 公司的扭摆式微加速度计 3 图 1.4 Si- FlexTM系列加速度计 . 4 图 1.5 加州大学伯克利分校单片集成加速度计 5 图 1.6 输出噪声的频谱特性 . 5 图 1.7 DRIE 刻蚀的梳状电容加速度计 . 6 图 1.8 HARPSS 工艺制造的加速度计 .
8、 6 图 2.1 玻璃-硅-玻璃结构的微加速度计 8 图 2.2 玻璃上固定电极的引出示意图 9 图 2.3 几种方向弹性梁结构 . 10 图 2.4 加速度计整体结构示意图 . 11 图 2.5 三角形梁的截面图 . 12 图 2.6 弹性梁受力示意图 . 12 图 2.7 微加速度计的第一模态变形 . 14 图 2.8 微加速度计的第二模态变形 . 14 图 2.9 二阶、一阶频率比值-梁长变化曲线 16 图 2.10 二阶、一阶频率比值-梁宽变化曲线 16 图 2.11 电容灵敏度-梁宽变化曲线 . 17 图 2.12 电容灵敏度-梁长变化曲线 . 18 图 2.13 质量块的静力与模态
9、仿真结果 19 图 3.1 梁-质量块结构版图 . 22 图 3.2 梁- 质量块结构制作工艺流程图 22 图 3.3 玻璃加工工艺流程图 . 24 图 3.4 浓硼自停止腐蚀制作的微加速度计 26 图 3.5 掺杂 B 原子的晶格变化示意图 . 27 图 3.6 双层键合梁工艺流程 . 27 图 3.7 硅片腐蚀穿透时的截面 . 29 图 3.8 三角形梁腐蚀工艺的仿真 . 29 图 3.9 三角形梁的腐蚀演变示意图 . 30 图 3.10 不同时刻梁截面的 SEM 照片 . 30 图 3.11 制作的加速度计样片 . 31 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 V 页 图 4.1 电容
10、检测系统框图 . 33 图 4.2 两种载波驱动方式 . 34 图 4.3 运放噪声源的等效转换 . 35 图 4.4 两种载波驱动的等效噪声转换 35 图 4.5 差分放大模块电路结构图 . 37 图 4.6 T 型电阻反馈网络 39 图 4.7 AD630 原理框图 . 40 图 4.8 移相电路原理图 . 41 图 4.9 移相电路的输入输出对比 . 42 图 4.10 二阶有源低通滤波器 . 42 图 4.11 二阶有源低通滤波器的幅频响应 44 图 5.1 重力场翻滚试验设备 . 47 图 5.2 重力场静态翻滚曲线 . 49 图 5.3 加速度计变间距检测方式 . 49 图 5.4
11、 电容变化量与加速度的关系 . 50 图 5.5 1g 范围内输出电压随加速度的变化 51 图 5.6 3h 内零偏测试结果 . 52 图 5.7 接触式和接近式曝光 . 53 图 5.8 过显影而导致线条的消失 . 54 图 5.9 硅片的平面度对光刻的影响 . 54 图 5.10 硅片与掩膜板接触面不平行 . 54 图 5.11 湿法腐蚀得到的弹性梁 . 55 图 5.12 梁根部未完全腐蚀 . 55 图 5.13 ANSYS 仿真结构的压力分布 57 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 摘 要 微加速度计是惯性导航系统中最重要的惯性器件之一，其精度水平直接影响 和决定导航和
12、制导的精度。在众多种类的加速度计中，电容式加速度计由于具有 高灵敏度、较好的噪声特性、低漂移和低温度灵敏度而受到大家的广泛关注。为 了得到较高的灵敏度，需要制造大质量块和低刚度的支撑梁。在现有的 MEMS 加 速度计中，得到大质量块的典型方法是硅- 硅键合和体硅微加工。对于微传感器和 微执行器来说，多层圆片键合是一种可行的三维制造工艺，但是，硅- 硅键合需要 在很高的温度下进行，为了降低硅- 硅键合结构的应力，通常还需要采用退火处理。 浓硼掺杂可以获得柔软的弹性梁，但是这种方法引入了残余应力，影响了器件的 性能。 不同于传统的浓硼掺杂和硅- 硅键合的方法， 本文提出了一种基于 TMAH 各向
13、异性湿法刻蚀工艺制造双面梁- 质量块结构的电容式硅微加速度计，开展了以下研 究： 1. 针对加速度计检测电容与检测电路分立元件不匹配的问题，设计了具有片 上匹配电容的微加速度计结构，有利于提高加速度计的零偏稳定性，并对其结构 进行了理论建模，其中包括三角形截面梁的力学特性分析，工作模态频率理论分 析。根据结构设计理论和加工工艺条件，优化了加速度计的结构尺寸，并进行了 理论分析和有限元仿真。 2. 设计了三角形截面梁微加速度计的加工工艺流程，对工艺中的关键问题进 行了研究。利用 MATLAB 对三角形截面梁的腐蚀过程进行了模拟，并通过实验验 证了仿真的正确性，制作了微加速度计样片。 3. 针对电
14、容式微加速度计，设计了单载波调制型检测电路。根据各模块工作 原理确定了电路参数，制作了信号检测电路。制定了加速度计性能测试方案，搭 建测试平台。根据该方案，对开环加速度计进行了灵敏度、非线性和零偏稳定性 三个方面的性能测试。所测加速度计的灵敏度为 259mV/g，1g 范围内非线性度 为 2.815%，3 小时内零偏稳定性为 1.4mg。 4. 分析了微加速度计制作工艺误差来源和噪声特性，针对加工误差提出了控 制方法。 主题词：微加速度计 三角形截面梁 湿法腐蚀 片上匹配电容 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT Micro- accelerometer is
15、one of the most important components of the inertial navigation system, its accuracy level directly affects the accuracy of navigation and guidance. Among these accelerometers, capacitive accelerometers become more and more popular in both academia and industry because of their high sensitivity, goo
16、d noise performance, low drift and low temperature sensitivity. In order to obtain high sensitivity, large proof mass and flexible suspension beam are needed. The large proof mass of the reported MEMS accelerometers is typically formed by wafer bonding and bulk micromachining. Multiple wafer bonding is a viable three dimensional (3- D) fabrication technology for micro- sensors and micro- actuators. However, silicon- silicon wafer bond
