智能傳感器的集成技術(shù).ppt

目 錄,第1章 概 述 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 第6章 通信功能與總線接口 第7章 智能技術(shù)在傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用 第8章 智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 第9章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述,第4章 智能傳感器的集成技術(shù),要 點(diǎn)： 集成電路工藝及典型元件電路的示例； 微機(jī)械工藝及微機(jī)械結(jié)構(gòu)的示例； 集成智能傳感器系統(tǒng)示例。,第4章 智能傳感器的集成技術(shù),集成電路的基本工藝制作傳感器的電路部分，主要包括：材料的生長(zhǎng)、擴(kuò)散、離子注入、外延、光刻、腐蝕等。 微機(jī)械加工技術(shù)是在集成電路工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，制作 傳感器的敏感單元。 推薦一本參考書： 微傳感器與微執(zhí)行器全書(MICROMACHINED TRANSDUCERS SOURCEBOOK) 美Gregory T.A.Kovacs 張文棟等譯 北京科學(xué)出版社,不同深寬比示意圖,(100) 硅片 各向 異性 腐蝕 圖,4.1 集成電路的基本工藝,4.1.1晶片的制備 單晶硅片是制造半導(dǎo)體智能傳感器最主要的材料，所以有必要先了 解單晶硅片是怎么制造出來的。,直拉單晶爐,介紹生長(zhǎng)單晶硅的裝置： 1）爐子：包括石英坩堝、石墨基座、旋轉(zhuǎn)裝置、加熱元件及電源； 2）單晶提拉機(jī)構(gòu)：籽晶夾持器及旋轉(zhuǎn)裝置； 3）保護(hù)氣體控制系統(tǒng)：氣體源、流量控制裝置、抽氣系統(tǒng)。 對(duì)籽晶的要求：晶向要合適111； 要使生長(zhǎng)出來的晶體有一定的摻雜濃度，在熔體中加入一定量的摻雜 劑； 切片的主要參數(shù)：表面晶向、厚度、斜度及彎曲度。 襯底材料的選擇： 1）導(dǎo)電類型和電阻率： 力敏器件多數(shù)是選N型單晶硅作襯底材料，采用擴(kuò)散或離子注入工藝 制作P型摻雜電阻。 同一電阻率的P型硅摻雜濃度高于N型摻雜濃度。摻雜濃度越高，,溫度漂移越小。 相同溫度相同表面雜質(zhì)濃度下，P型層的壓阻系數(shù)比N型層的高， 有利于提高靈敏度。 2）位錯(cuò)密度： 位錯(cuò)是單晶硅的原子排列上出現(xiàn)一種缺陷；位錯(cuò)會(huì)加快雜質(zhì)擴(kuò)散速 度，影響隔離效果，產(chǎn)生應(yīng)力集中。 3）晶向和晶面 壓阻效應(yīng)與晶向有關(guān)，P型硅的壓阻效應(yīng)是111110100；硅單 晶的原子密度是以晶面(111)(110)(100)的次序遞減，而擴(kuò)散速度、腐 蝕速度以（111）(110)(100)的順序遞增。 制作力敏器件，為加快擴(kuò)散速度，縮短腐蝕時(shí)間和提高器件的穩(wěn)定 性，應(yīng)選?。?00）、（110）晶面。 4）襯底切割的質(zhì)量要求, 硅片厚度公差0.015mm； 平行度0.02mm； 晶向偏差：1； 彎曲度：影響加工量，一般要求磨片磨削量的1/2。 4.1.2外延 作用：控制雜質(zhì)分布，優(yōu)化器件和電路性能 方法：氣相外延（VPC）；液相外延（LPC）；分子束外延（MBE）。 主要目的：通過一種化學(xué)反應(yīng)的方式，在硅基片的表面生長(zhǎng)一層所需 的膜層，如摻雜層的生成。 優(yōu)點(diǎn)：在遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度下生長(zhǎng)。,氣相外延常用的三種基座 （a）水平型 （b）圓盤型 （c）桶型,選擇性外延生長(zhǎng)的三種可能方案,4.1.3 熱氧化 主要是生成半導(dǎo)體電路中所需的氧化層，如MOSFET電路中的柵氧化 層，場(chǎng)氧化層。 氧化層的作用：隔離層、鈍化層 方法：干氧氧化（高純度干燥氧氣） 濕氧氧化（高純度水蒸氣） 特點(diǎn)：干氧氧化（慢、性能好） 濕氧氧化（快，用于較厚氧化層） 反應(yīng)條件：T：9001000；v（氣體流量）：1cm3/s，T1； 鈍化膜的作用：起掩蔽、保護(hù)、絕緣等作用；防止高溫下硅表面以及 硅中雜質(zhì)的揮發(fā)，以及化學(xué)處理而引起的器件電學(xué)性能下降。,電阻加熱氧化爐結(jié)構(gòu)示意圖,4.1.4 物理氣相淀積 作用：淀積一些金屬材料，作為電極或連線；對(duì)器件進(jìn)行金屬化。 方法：真空蒸發(fā)淀積（輝光放電）用于鋁等熔點(diǎn)較低的材料； 物理濺射淀積（分直流、射頻、磁控、離子束） 用于難熔金屬或化 合物材料。 圖4-6有錯(cuò)誤，電源極性倒過來。,蒸鍍、平面濺射、S槍濺射臺(tái)階覆蓋能力示意圖,4.1.5 化學(xué)氣相淀積 作用：淀積用于分立器件和集成電路絕緣和鈍化的介質(zhì)膜，與物理 氣相淀積相比產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。 方法： 常壓化學(xué)氣相淀積 低壓化學(xué)氣相淀積 等離子體化學(xué)氣相淀積 CVD LPCVD PCVD 用于金屬化工藝 用于鈍化器件、絕緣膜 作器件最終鈍化膜 溫度高 溫度中等（750） 溫度低（300） 薄膜電阻 ，氮化硅膜 氮化硅膜 4.1.6光刻 光刻工藝是利用光刻膠受光照部分與未受光照部分溶解特性的巨大 差異在襯底表面制作圖形的技術(shù)。這有點(diǎn)類似照相底片的功能。,熱壁低壓化學(xué)氣相淀積反應(yīng)器原理圖,1、 光刻工藝流程 光刻膠分：正性光刻膠（曝光部分被溶解）；負(fù)性光刻膠（又叫反 轉(zhuǎn)片）。 工藝步驟：清洗、烘烤涂膠（厚度取決于光刻膠種類、旋轉(zhuǎn)速 度、液態(tài)膠粘度）前烘（使膠層中的溶劑揮發(fā)（紅外線、熱板、循環(huán) 熱風(fēng)）增強(qiáng)粘附能力；提高耐磨性；提高和穩(wěn)定感光靈敏度）曝光 （使膠層起光化學(xué)反應(yīng)，方式有掩膜曝光、電子束曝光）顯影（樣品 放入顯影液，使部分膠層溶解，分正負(fù)性）后烘（顯影后的樣品放在 一定溫度下烘烤，使其硬化，又叫堅(jiān)膜）腐蝕或淀積（刻蝕掉下面的 材料，或淀積所需的材料）去膠（去除作為保護(hù)膜的光刻膠）。 2、 紫外光曝光 光刻光源： 、 準(zhǔn)分子激光器：高亮度、高單色性、方向 性好。,光刻主要工藝流程 接近式暴光裝置示意圖,曝光方式：接觸式、接近式（分辨率： ）、投影 式（ ）A：數(shù)值孔徑。 上述曝光方式受衍射效應(yīng)的影響。 3、 幾種新型的曝光系統(tǒng) 元件尺寸的減小，要求曝光系統(tǒng)的分辨率高。 1）選用短波長(zhǎng)的光源，如x射線（0.45nm）； 2）采用電子束曝光, =0.01nm,但速度慢。 4.1.7 刻蝕 在IC工藝和微機(jī)械加工工藝中占重要地位。 作用：把經(jīng)過曝光、顯形后光刻膠圖形中下層材料的裸露部分去 掉。 方法：各向同性腐蝕和各向異性腐蝕（或稱為干法腐蝕與濕法腐蝕 ），干法效果好；濕法精度低，效果差。,簡(jiǎn)單介紹：等離子體刻蝕法（見下圖） 1.微波窗口 2.水冷套 3.等離子體發(fā)生室 4.磁場(chǎng)線圈 5.等離子體約束 室 6.觀察窗口 7.處理室 8.基片架 9.抽氣口 10.電機(jī)轉(zhuǎn)軸 11.光電盤 12.光電傳感器 13.門 14.探針口 15.氣體進(jìn)口,4.1.8 擴(kuò) 散 作用：用于對(duì)襯底進(jìn)行選擇摻雜，以形成N型區(qū)或P型區(qū)，例如：制 作PN結(jié)。 方法：恒定表面濃度擴(kuò)散；恒定雜質(zhì)總量擴(kuò)散 擴(kuò)散效果：取決于擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間。 集成電路工藝中，一般采用兩步擴(kuò)散法：預(yù)淀積擴(kuò)散、主擴(kuò)散（或 稱再分布擴(kuò)散）。 擴(kuò)散設(shè)備：專用的擴(kuò)散爐（與熱氧化類似），對(duì)于硅：T800100 0； 擴(kuò)散源：固態(tài)源： 、 ；液態(tài)源： 、 ； 氣態(tài)源： 、 。 （形成掩膜）,擴(kuò)散雜質(zhì)在襯底中的分布,4.1.9 離子注入 作用：將一定能量的帶電粒子摻入到硅等襯底中，用來改變襯底的 電學(xué)性能，與擴(kuò)散作用類似。 優(yōu)點(diǎn)：可以精確控制摻雜的數(shù)量，重復(fù)性好，加工溫度低。 離子注入系統(tǒng)： 離子源、質(zhì)量分析器、(可變狹縫)、加速管、平面掃描電路、靶。 高能離子能量消耗機(jī)制： 核阻止過程 電子阻止過程 能量小 砷離子（重離子） 硼離子（輕離子） 磷離子介于兩者之間，臨界能量是130KeV 解釋離子注入損傷的概念。 溝道效應(yīng)：由入射離子對(duì)準(zhǔn)某一主要晶向時(shí)造成，它的射程比在非,晶硅中大很多。 晶格無序：注入離子向晶格轉(zhuǎn)移足夠能量，使晶體原子發(fā)生移位， 當(dāng)原子移動(dòng)距離接近原子密度時(shí)，單晶材料變成非晶材料。 輕離子的能量被吸收的特點(diǎn)：一開始是電子阻止消耗能量，能量減 低后變?yōu)楹俗柚瓜哪芰俊?損傷區(qū)的恢復(fù)：退火，使注入離子進(jìn)入晶格點(diǎn)陣（又叫激活） 退火方法：擴(kuò)散爐（時(shí)間長(zhǎng)，效果差）；激光、電子束（時(shí)間短， 低溫，效果好）。,離子注入系統(tǒng)示意圖,離子注入形成無序區(qū),4.2 典型的集成電路元件制作工藝,集成電路的基本構(gòu)成單元：有源元件（二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng) 管）、無源元件（電阻、電容、電感）。 4.2.1 典型的集成電路制造流程 設(shè)計(jì)、掩模版制造、芯片制造（擴(kuò)散、氧化、離子注入、刻蝕）、 封裝、測(cè)試等一些步驟，下圖是其流程圖。CPU之類大規(guī)模集成電路的 制作前后有兩百多道工序。 1）設(shè)計(jì) 根據(jù)功能要求，借助CAD設(shè)計(jì)電路并生成版圖轉(zhuǎn)化為光刻掩模板。 2）芯片制造 利用前面所述的各種工藝，根據(jù)實(shí)際使用的需要，將各種加工方法 進(jìn)行合理的組合，最終將各個(gè)掩膜板的圖形逐次轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體晶片表面 層上，獲得最終的IC器件。如果在一個(gè)晶片上制造了多個(gè)相同芯片，則 還要進(jìn)行劃片或激光切割將芯片分開。,集成電路制造的主要步驟,3）封裝：提供合適的散熱和引線連接條件，如帶窗口的ROM。 4）測(cè)試 4.2.2 集成電路電阻器 制作工藝：硅襯底材料（NSi） 二氧化硅層 形成制作電阻的圖形 形成電阻器。 ； 通常用符號(hào) 表示，稱為薄層電阻，單 位： 。 4.2.3 集成電路電容器 硅襯底材料 二氧化硅層 形成所需的窗 口 形成 區(qū)集成MOS電容器。,集成電阻器,4.2.4 電感的制造 用于測(cè)量數(shù)據(jù)的無線傳遞，能量的無線發(fā)送，微執(zhí)行器的電磁驅(qū)動(dòng)。 制造方法： 1） 在銅膜上制作電感掩膜，然后在腐蝕液中進(jìn)行腐蝕； 2） 利用電感掩膜在襯底上淀積活化層，接著在活化層上電鍍厚銅 層。 上述兩種方法只能制作微型電感。 3）利用光刻膠材料制作電感模具，在模具中電鍍生長(zhǎng)銅線圈層，該 方法可制作多層電感線圈。 制造過程：襯底（不銹鋼膜片） 基底 基片 再光刻，形成線圈模具 線圈 形成隔離層、引線孔 制造多層。,4.2.5 雙極性晶體管 雙極性晶體管的制造過程比較復(fù)雜，它總共包括：薄膜形成6次；圖 形曝光6次；刻蝕4次；離子注入4次，共分6步完成制作過程。 IC中的雙極晶體管大多是NPN型。 1）形成埋層，減少集電極串聯(lián)電阻； 2）生長(zhǎng)N型外延層，它的厚度和摻雜濃度決定于工作電壓； 3）形成橫向氧化物隔離區(qū)，將發(fā)射區(qū)與集電區(qū)隔開； 4）形成基區(qū)，基區(qū)與發(fā)射區(qū)位置比較接近； 5）形成發(fā)射區(qū)； 6）用金屬化工藝形成基極、發(fā)射極、集電極引出電極。,雙極晶體管制造過程截面圖,4.3 微機(jī)械工藝的主要技術(shù),集成電路工藝基本上是平面工藝，而微機(jī)械工藝從某種角度上來說 是立體工藝，它不僅僅用于微傳感器的加工，而且用于電力電子器件、 真空?qǐng)霭l(fā)射陣列器件、掃描隧道顯微鏡中的微探針頭、微電子機(jī)械系統(tǒng) 等。 4.3.1 SOI晶片（Silicon on Insulator） 作用：將有源部分（電路部分）與敏感部分隔開，同時(shí)與惡劣環(huán)境 隔開。 構(gòu)成： 制備方法： 1）SIMOX（Separation by Ion Implantation of oxygen）氧離子注入； 2）SDB（Silicon Wafer Direct Bonding）鍵合； 注意點(diǎn)：防止襯底非晶化。,4.3.2 硅的各向異性刻蝕技術(shù) 基于硅的不同晶面具有不同的腐蝕速率的特性，在硅襯底上加工出各 種各樣的微結(jié)構(gòu)。（100）：最快；（110）：一般；（111）：最慢。 1、 腐蝕劑的種類 a）有機(jī)腐蝕劑：EDP（乙二胺，鄰苯二酚，水）；聯(lián)胺。 b）無機(jī)腐蝕劑：（堿性）KOH，NaOH水溶液 2、 影響腐蝕特性的因素 a）腐蝕系統(tǒng)成分配比不同，腐蝕特性不同； b）晶體的晶向及摻雜濃度 例如：在重?fù)脚穑s ）樣品中，腐蝕速率接近于零；這 種特性可用于自致停止腐蝕技術(shù)（摻硼的P型硅，摻磷的N型硅腐蝕速率隨 濃度升高而降低變慢）。 c）溫度：溫度越高，腐蝕速率越大。,3、 各向異性腐蝕的機(jī)制 a）硅不同晶面的懸掛鍵密度的不同， ； b) 由于硅在腐蝕過程中存在表面預(yù)鈍化層，（111）面預(yù)鈍化層容易生長(zhǎng)。 4、 應(yīng)用： a）傳感器：懸臂梁，壓力流量傳感器芯片 b）電力電子器件：VVMOS； c）場(chǎng)發(fā)射陣列； d）STM（掃描隧道顯微鏡）探頭； e）太陽能電池。,4.3.3 干法刻蝕 1、 濕法刻蝕的缺點(diǎn) 1）使用化學(xué)藥品，不利于安全操作和環(huán)境保護(hù)； 2）腐蝕后要清洗，效率低； 3）由于側(cè)向腐蝕和鉆蝕，難以獲得高精度的細(xì)線條； 4） 、難熔金屬難腐蝕。 目前干法刻蝕是VLSI的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕技術(shù)。 2、 等離子體腐蝕技術(shù) 1）濺射腐蝕和離子束銑蝕；具有高的分辨率，但選擇性不夠好，屬 物理反應(yīng)。 2）等離子體腐蝕：ECR等離子體刻蝕機(jī) 惰性氣體（ ）在高頻或直流電場(chǎng)中受到激發(fā)并分解，然后,與被腐蝕材料起反應(yīng)，形成揮發(fā)性物質(zhì)（ ），再由抽氣泵排出 去，屬物理/化學(xué)反應(yīng)。 3）反應(yīng)離子腐蝕和反應(yīng)離子束腐蝕，屬化學(xué)反應(yīng)，各向同性。只是 用分子氣體取代離子源中的惰性氣體。 4）影響腐蝕的因素 a）氣體的成分 的刻蝕速率迅速上升，氧含量： （12）， （20）； b) 其他因素 離子能量，入射角，氣體的流速、壓強(qiáng)，功率密度，頻率，溫度等。,C:F,1:4,1:1,1:2,10:1,3、 硅的直接激光加工 作用：對(duì)VLSI電路制造的各階段中出現(xiàn)的差錯(cuò)進(jìn)行局部修改 原理：利用強(qiáng)聚焦的激光束，促使表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)（熱激活反應(yīng)、 光化學(xué)反應(yīng)） 4、 LIGA技術(shù)：光刻電鑄成型 設(shè)備：使用由功率強(qiáng)大的同步輻射加速器所產(chǎn)生的軟x射線源。 原理：使軟x射線通過掩膜版，在導(dǎo)電的襯底上，將圖形深深地刻在 聚合物上，利用高能照射改變聚合物的腐蝕速率這一特性，將經(jīng)照射后的 聚合物，經(jīng)過濕法腐蝕后在聚合物上留下了部件的主體模型。再用電鍍工 藝將金屬淀積進(jìn)入模型；將聚合物除去，就可得到最終部件。 4.3.4 自致停技術(shù) 書中介紹的 自致停腐蝕和PN結(jié)自致停腐蝕以及埋層（SOI晶 片）方法，屬于通過控制摻雜濃度或控制硅的電位而達(dá)到自致停腐蝕的目,的，下面介紹幾種其它方法。 1、 注入損傷自致停腐蝕 進(jìn)行陽極腐蝕時(shí)，空穴參與腐蝕過程。通過低劑量離子注入在硅表面 形成一層損傷層，其中空穴的壽命非常短，則腐蝕液遇到損傷層速率明顯 降低。腐蝕完成后，需將硅片退火，使損傷層得到恢復(fù)。 2、 異質(zhì)結(jié)構(gòu)自致停腐蝕 利用分子束外延（MBE）或金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積技術(shù)獲得 的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，然后對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性腐蝕，如EDP、KOH腐蝕Si而不腐 蝕 。 4.3.5 犧牲層技術(shù) 利用 作為犧牲層，采用選擇性腐蝕技術(shù)，將兩層薄膜中的下 層薄膜腐蝕掉。,4.3.6 鍵合技術(shù) 1、 靜電鍵合 1）鍵合原理： 外加電壓時(shí)，玻璃中的 向負(fù)極方向漂移，在緊鄰硅片的玻璃表 面形成耗盡層。由于耗盡層帶負(fù)電荷，硅片帶正電荷，所以硅片和玻璃之 間存在較大的靜電吸引力，使二者緊密接觸。 當(dāng)： 時(shí)，F(xiàn)24大氣壓力。 溫度的作用，使硅/玻璃界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成 化學(xué)鍵。,2）影響靜電鍵合的因素 a）溫度：180500 低：導(dǎo)電性差；高：軟化。 b）電壓：2001000V 低：引力不夠；高：擊穿玻璃。 c）鍵合引入的應(yīng)力：選擇熱膨脹系數(shù)相同的材料；選擇合適的溫度 點(diǎn)，T300。 d）陽極形狀的影響 采用雙平行板電極會(huì)產(chǎn)生部分孔縫。 3）應(yīng)用 a）制作微傳感器中傳感器的封裝； b）SOI材料的制備； c）場(chǎng)發(fā)射陣列的制備。 2、 熱鍵合技術(shù)（SDB） 兩硅片通過高溫處理直接鍵合在一起，不需要粘合劑和外加電場(chǎng)。 1）工藝步驟,a）表面處理； b）預(yù)鍵合，在室溫下將兩硅片面對(duì)面貼合在一起； c）鍵合 。 在 或 環(huán)境中經(jīng)數(shù)小時(shí)的高溫處理，書中給出了鍵合原理示意圖。 2）應(yīng)用 適用于 ， ， 等。 a）電力電子器件，如雙極模式MOSFET； b）SOI材料的制備； c）傳感器與微結(jié)構(gòu)； d）真空微電子器件。 自封閉真空微二極管： (見右圖）,前面我們主要介紹了一些微機(jī)械加工技術(shù)，如：各向異性腐蝕、干法 腐蝕、自致停技術(shù)以及鍵合技術(shù)等，在這里，我們結(jié)合微機(jī)械加工的基本 技術(shù)，介紹典型的微機(jī)械結(jié)構(gòu)及其加工過程。 為了開闊大家的眼界，這里羅列了一些采用微機(jī)械加工技術(shù)的多種器 件，如：“噴墨嘴、微型光柵光譜儀、氣相色譜儀、微型冷卻器、觸覺傳 感器、生物探針與生物傳感器、陀螺儀、微型馬達(dá)以及半導(dǎo)體壓力傳感 器、硅加速度傳感器等?！睂?shí)際上這些器件的總的加工工藝都是大同小 異，主要加工技術(shù)仍為：薄膜生成技術(shù)、刻蝕技術(shù)、鍵合技術(shù)。這里僅具 體介紹硅微壓阻式加速度傳感器和同步馬達(dá)。,惠普噴墨器件圖,微型光柵光譜儀,微機(jī)械氣相色譜法系統(tǒng),幾種不 同形式 的觸覺 傳感器,生物傳感器的基本原理 圖中表示生物分子與提供輸出電信號(hào)的二級(jí)傳感器的結(jié)合,陀螺儀的基本工作原理和工作模式,帶有片上有源電路的電鍍環(huán)陀螺的制造過程,集成化學(xué)分析系統(tǒng)的清洗、校準(zhǔn)、采樣方案,堆積流體模塊方案,4.4 典型微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造,1、 微傳感器 以表面加工為基礎(chǔ)的微傳感器的設(shè)計(jì)與研究主要取決于工藝水平與新 結(jié)構(gòu)開發(fā)之間的相互關(guān)系，下面是基于微機(jī)械加工技術(shù)的微傳感器設(shè)計(jì)， 制備和測(cè)試流程圖。 一般來說，我們要研究一種微傳感器，首先要明確它的功能及要求， 然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮它的加工方法和步 驟，即工藝流程，而且這兩者之間的相互關(guān)系要反復(fù)多次才能協(xié)調(diào)起來。,2、 硅微壓阻式加速度傳感器 1）加速度芯片的制作： 從設(shè)計(jì)傳感器的角度，首先根據(jù) 功能要求確定加速度芯片的結(jié)構(gòu)。如： 質(zhì)量塊的質(zhì)量大小，對(duì)應(yīng)的外形尺寸； 梁的尺寸，應(yīng)變電阻的位置，應(yīng)變電阻 阻值的大小，引出方式等；對(duì)應(yīng)最大量 程，質(zhì)量塊的最大振幅以及極限振幅。 在上述工作的基礎(chǔ)上再進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)；在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)需考慮加工的 工藝，即加工手段、方法和加工次序。 a）芯片的選擇 N型（100）硅晶體。 b）壓敏電阻的制作,微機(jī)械壓阻加速度計(jì)的整體結(jié)構(gòu),按照集成電阻的制作方法進(jìn)行：先采用熱氧化的方法生成1.5um厚的 氧化層，再進(jìn)行光刻和擴(kuò)散形成電阻。 c）質(zhì)量塊和懸臂梁的制作 采用熱氧化的方法生成一層 膜作為掩膜；采用光刻工藝刻出懸 臂梁及質(zhì)量塊的圖形；采用各向異性或干法腐蝕工藝，將沒有被掩膜覆蓋 的部分腐蝕掉，從而刻出梁周圍空氣隙和窗孔。 2）上下兩層玻璃蓋的制作 a）材料的選型 7740型玻璃，注意玻璃的熱膨脹系數(shù)要與硅片相同（一致）。 b）槽井的制作 槽井的外形尺寸及深度取決于前面的設(shè)計(jì)值，槽井也是采用制作 掩膜，然后進(jìn)行光刻，再腐蝕的方法進(jìn)行。 c）在上玻璃片上制作金屬焊接片,先對(duì)玻璃面進(jìn)行拋光處理，使之達(dá)到光學(xué)平整度，然后用Cr-Au膜做 掩膜，通過光刻、淀積工藝，形成金屬焊接片。 d）做好鍵合前的準(zhǔn)備工作 3）靜電鍵合 將準(zhǔn)備好的玻璃片與硅片對(duì)準(zhǔn)貼合在一起，在t400，U600V的 條件下進(jìn)行鍵合密封，鍵合要分兩次進(jìn)行（考慮極性的影響）。 4）檢測(cè)與校正 3、 微型同步馬達(dá) 下圖是微型同步馬達(dá)的結(jié)構(gòu)圖, 與書中所講的渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)有點(diǎn)類似。 1）它的制作過程: a）在硅片上先熱氧化生長(zhǎng)一層 （h0.3m）；再淀積一層 （h1m）；然后淀積第一層多晶硅（h0.3m），通過光刻形成轉(zhuǎn)子,的接地面。 b）淀積一層PSG（磷硅 玻璃，h2.2m）并進(jìn)行 光刻，然后淀積第二層多 晶硅(h1.5m)，并對(duì)多 晶規(guī)進(jìn)行氧化(h0.1m)， 光刻后形成靜子和轉(zhuǎn)子。 c）淀積一層 （h 0.34m），然后用（RIE ，反應(yīng)離子刻蝕）刻蝕 ，使之形成襯套。 d）濕法腐蝕PSG形成 凸緣，然后再淀積一層PSG（h 0.7m）以填充轉(zhuǎn)子下的側(cè)向腐蝕部分。,e）開出軸空，淀積第三層多晶硅并光刻形成圖形。 f）最后用BHF（10 1 ）腐蝕掉所有的PSG。 2）工作原理 在上圖中，加三相脈沖電壓， 波形如右圖所示。由于靜電感應(yīng)， 轉(zhuǎn)子與定子間靜電力的作用，將 使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) U350V，n500（轉(zhuǎn)/min）。 3） 的作用 多晶硅之間的摩擦力大于多晶 硅與 之間的摩擦力，起減小 摩擦力的作用。,微機(jī)械磁旋轉(zhuǎn)泵的橫截面圖,4.5 集成智能傳感器系統(tǒng),書中介紹了好幾種集成智能傳感器的例子，這里僅講解兩種，一種是 集成血液流量微傳感器，另一種是集成智能傳感器。 4.5.2 集成血液流量微傳感器 1、 明確設(shè)計(jì)要求 1）功耗：P10mW； 2) 溫度要求：傳感器的工作溫度與血液溫度間的溫度T5K； 3）外形尺寸：可置于2mm的導(dǎo)管內(nèi)工作； 4）傳感器置于血管內(nèi)無不良反應(yīng)，亦即表面材料與血液相容。 2、 傳感器的設(shè)計(jì)和工作原理 1）工作原理 利用流速改變薄膜溫度的原理，在晶片背面腐蝕形成兩個(gè)硅膜片，每 個(gè)膜片上有一個(gè)溫度二極管，其中一個(gè)膜片由一個(gè)功耗恒定的電阻器加 熱。流動(dòng)的液體與整個(gè)芯片接觸，使被加熱的薄膜冷卻，薄膜的溫度變化,流量傳感器工作原理結(jié)構(gòu)示意圖,依賴于液體流動(dòng)速度的變化。另一個(gè)未被加熱膜片上的PN結(jié)用來監(jiān)測(cè)環(huán) 境溫度。根據(jù)兩個(gè)PN結(jié)測(cè)出的溫差就可以反映出液體流動(dòng)的速度。 PN結(jié)的溫度特性： ， ：飽和電流； ：二極管指數(shù)。 若保持I恒定，則結(jié)電壓V是T的函數(shù)。靈敏度為：2.1mv/k，I10A。 2）設(shè)計(jì)： 以SOI晶片襯底，晶片的背面作為PN結(jié)的制作面；正面利用CMOS工 藝制作集成電路部分，它包括：放大電路、脈寬調(diào)制電路以及控制單元。 為提高流量傳感器的靈敏度和降低功耗，加熱膜周圍刻有8個(gè)隔熱微 槽，微槽中充滿二氧化硅層。 為防止電路短路，在上邊淀積了一層氮化硅鈍化層。 共有四個(gè)傳感器。,外形尺寸：15 ，T 2K，P5mW； 流量為010L/min時(shí)，t：45s25s。 3、 傳感器的制作流程 1）選用的工藝：2m CMOS工藝 2）選材：晶片為h300m的P型（100）晶片。 3）制作 a）SOI晶片的制備 采用氧離子注入工藝，再退火處理， 層厚400nm； 在 層上淀積200nm的單晶硅層。 b）制作隔離槽 在單晶硅層上外延生長(zhǎng)一層5m硅層； 用等離子體刻蝕的方法，在外延層上刻蝕出5m深的隔離槽； 熱氧化使隔離槽充滿二氧化硅；, 在表面淀積一層多晶硅，再將該多晶硅層腐蝕掉，使表面平坦。 c）制作其它電路 采用離子注入形成P阱和N阱 制作溫敏二極管