第十七節(jié) MEMS專題

復(fù)合量程微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)1.量程:0～100g、0～500g、0～1000g和0～2000g性能指標(biāo)2.抗過載能力大于20000g3.頻響范圍：>2kHz4.具有抗干擾能力第一階段知識的積累一、壓阻式微加速度計(jì)的工作原理以單晶硅為例，當(dāng)壓力作用在單晶硅上時(shí)，硅晶體的電阻率發(fā)生顯著變化的效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。壓阻式微傳感器結(jié)構(gòu)壓阻效應(yīng)工作原理R1R2R3R4壓敏電阻的相對變化量與應(yīng)力的關(guān)系為在平衡情況下在加速度作用下惠斯通電橋連接所以有二、硅材料的選擇室溫下，N型和P型硅電阻的π11、π12、π44的數(shù)值如下。π11、π12、π44的數(shù)值（10-11m2/N）晶體電阻類型π11π12π44SiPN+6.6-102.2-7.1+53.4+138.1-13.6為了使所設(shè)計(jì)的傳感器具有較高的結(jié)構(gòu)靈敏度（輸出靈敏度），可以選用N型（100）硅片，在硅片的<011>、<0-11>晶向上通過硼離子注入得到P型壓敏電阻。從而可以利用最大壓阻系數(shù)——π44。N型硅——P型電阻條P型硅——N型電阻條結(jié)論：設(shè)計(jì)壓阻式微加速度計(jì)時(shí)，采用N型(100)硅片其輸出靈敏度比采用P型(100)硅片的輸出靈敏度高2倍以上。三、典型結(jié)構(gòu)分析(a)單懸臂梁(b)雙懸臂梁(c)雙端梁(d)雙島五梁(e)雙端四梁(f)四邊梁結(jié)構(gòu)（g）八梁結(jié)構(gòu)(a)和(b)為懸臂梁式結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，但其一階固有頻率低，頻率響應(yīng)范圍窄，且橫向靈敏度較大。(c)～(g)為固支梁結(jié)構(gòu)，其一階固有頻率比懸臂梁式結(jié)構(gòu)高得多，有利于擴(kuò)大傳感器的頻率響應(yīng)范圍。但在電橋中壓敏電阻數(shù)量相同的情況下，其靈敏度低于懸臂梁式結(jié)構(gòu)。(g)圖所示的四邊八梁結(jié)構(gòu)橫向靈敏度最低，但其輸出靈敏度也最低。綜合考慮，所要設(shè)計(jì)的傳感器采用雙端四梁結(jié)構(gòu)(e)，該結(jié)構(gòu)在保證一定的輸出靈敏度的基礎(chǔ)上能夠較好地解決橫向靈敏度的問題。四、設(shè)計(jì)約束材料屬性約束硅的材料參數(shù)(μm-μN(yùn)-kg)參數(shù)EXPRXY彎曲強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度硅2.33×10-151.9×1050.370-2107000一般硅材料所能承受的最大應(yīng)變?yōu)椋瑸榱吮ＷC傳感器的輸出具有較好的線性度，懸臂梁根部所承受的最大應(yīng)變范圍為～。為了滿足這個(gè)范圍，梁根部的最大等效應(yīng)力值不超過80MPa。工藝條件約束邊界約束主要考慮加工工藝的影響，根據(jù)某加工單位的實(shí)際加工水平提出的約束條件如下：

2)梁寬（b1）：b1>=80μm；

3)梁長（L1）：L1<=1000μm；

4)梁厚（h1）：h1>=30μm；

5)質(zhì)量塊厚度（h2）h2<=395μm;由于要在同一批工藝中同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)合量程微加速度計(jì)中的四個(gè)結(jié)構(gòu)，因此四個(gè)結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊的厚度、梁的厚度必須一致。加工單位所能實(shí)現(xiàn)的壓敏電阻如右所示。壓敏電阻包括三部分：P－、P+和引線孔，壓敏電阻的寬度由P－決定，長度由P+決定。壓敏電阻結(jié)構(gòu)圖引線孔P－電阻條長度LP－L孔P+LP+壓敏電阻工藝要求層功能工藝要求備注P－形成壓敏電阻最小寬度20μm200Ω/□P+與金屬形成低阻互連與P－最小覆蓋5μm引線孔形成金屬接觸孔最小寬度8μm版圖設(shè)計(jì)約束1.出于測試考慮，電極的最小尺寸為100um*100um。2.P+層與P+層之間的最小距離為10um。3.一個(gè)cell的尺寸為9mm*9mm。4.劃片槽的寬度為300um。五、關(guān)鍵工藝介紹a)襯底襯底襯底襯底光刻膠掩膜版光照b)c)d)圖2光刻和圖形轉(zhuǎn)移過程襯底d)

光刻是一種圖形復(fù)印和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中，光刻的目的就是按照器件設(shè)計(jì)的要求，在二氧化硅薄膜或金屬薄膜上面，刻蝕出與掩膜版完全對應(yīng)的幾何圖形，以實(shí)現(xiàn)選擇性擴(kuò)散和金屬薄膜布線。

熱氧化的生長機(jī)制:開始時(shí)，氧原子與硅原子結(jié)合，二氧化硅的生長是一個(gè)線性過程。大約長了500?之后，線性階段達(dá)到極限。為了保持氧化層的生長，氧原子與硅原子必須相互接觸。在二氧化硅的熱生長過程中，氧氣擴(kuò)散通過氧化層進(jìn)入到硅表面，因此，二氧化硅從硅表面消耗硅原子，氧化層長入硅表面。隨著氧化層厚度的增加，氧原子只有擴(kuò)散通過更長的一段距離才可以到達(dá)硅表面，因此，從時(shí)間上來看，氧化層的生長變慢，氧化層厚度、生長率及時(shí)間之間的關(guān)系成拋物線形。硅硅硅a)初始b)線性c)拋物線

二氧化硅的生長階段腐蝕分為濕法腐蝕和干法腐蝕。利用KOH腐蝕劑在(100)晶面進(jìn)行各向異性腐蝕是體硅微機(jī)械加工工藝中一種簡單易行且重要的加工工藝。濕法腐蝕形成質(zhì)量塊的時(shí)候需要進(jìn)行凸角補(bǔ)償。最常用的凸角補(bǔ)償方法如下所示。hh/2其中，h=腐蝕深度/0.54通過上述的方法可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量塊邊緣的最佳腐蝕。

干法腐蝕包括PE（等離子體腐蝕），RIE（反應(yīng)離子腐蝕），ICP（感應(yīng)耦合等離子體腐蝕），TCP（變壓器耦合等離子體腐蝕），ECR（電子回旋共振腐蝕）等。干法腐蝕清潔、干燥，無浮膠現(xiàn)象，工藝過程簡單，圖形分辨率高。本結(jié)構(gòu)中最后釋放梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)采用的就是ICP刻蝕。由于ICP刻蝕溫度較濕法腐蝕高，可能存在殘余應(yīng)力高等問題。同時(shí)，不同的加工單位對ICP刻蝕深度的要求也不相同。

濺射鍍膜的原理是在真空室內(nèi)使微量氬氣或氦氣電離，電離后的離子在電場的作用下向陰極靶加速運(yùn)動并轟擊靶，將靶材料的原子或分子濺射出來，在作為陽極的基片上形成薄膜。濺射（sputtering）已廣泛地用于在基片上沉積鋁、鈦、鉻、鉑、鈀等金屬薄膜和無定形硅、玻璃、壓電陶瓷等非金屬薄膜。用濺射法制造的薄膜均勻性好，可以覆蓋有臺階的表面，內(nèi)應(yīng)力小，現(xiàn)已在很大程度取代了蒸發(fā)鍍膜。

離子注入是摻雜技術(shù)的一種，就是將所需的雜質(zhì)以一定的方式摻入到半導(dǎo)體基片規(guī)定的區(qū)域，并達(dá)到規(guī)定的數(shù)量和符合要求的分布，以達(dá)到改變材料電學(xué)性能、制作PN結(jié)、集成電路的電阻和互聯(lián)線的目的。復(fù)合量程微加速度計(jì)中壓敏電阻就是通過硼離子注入得到的。

六、所用軟件1.Ansys——用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真，可計(jì)算各階頻率和各階振型、應(yīng)力值、結(jié)構(gòu)撓度、結(jié)構(gòu)靈敏度及位移量等。2.Intellisuite——用于工藝步驟的設(shè)計(jì)與仿真，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真計(jì)算。3.L-Edit——用于版圖的設(shè)計(jì)，同時(shí)可以模擬工藝過程。4.Matlab或Maple——用于理論計(jì)算。第二階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析一、結(jié)構(gòu)尺寸的確定結(jié)構(gòu)尺寸的確定需要依據(jù)器件的性能指標(biāo)、各種約束條件的要求，并能最大限度地提高結(jié)構(gòu)的輸出靈敏度和頻帶寬度。在設(shè)計(jì)過程中可以通過改變其中一個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算或仿真得到一階固有頻率值及梁上的應(yīng)力值與該尺寸之間的關(guān)系曲線，從而最終確定結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。1.理論計(jì)算通過對單懸臂梁、雙懸臂梁、雙端梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的比較與理論推導(dǎo)，得到雙端四梁結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算公式：結(jié)構(gòu)的剛度結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率為梁端部的撓度結(jié)構(gòu)靈敏度

梁根部或端部所受到的最大應(yīng)力為最大應(yīng)變量為設(shè)計(jì)過程中，為了滿足固有頻率和靈敏度的要求，設(shè)計(jì)各種尺度的結(jié)構(gòu)，得到了單一結(jié)構(gòu)尺寸與固有頻率、靈敏度（應(yīng)力值）之間的關(guān)系。梁寬與頻率、應(yīng)力之間的關(guān)系梁長與頻率、應(yīng)力之間的關(guān)系梁厚與頻率、應(yīng)力之間的關(guān)系綜合考慮上面三個(gè)圖，可最終確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。2.結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)（μm）參數(shù)0-100g0-500g0-1000g0-2000g梁寬w80120160220梁長：l350350350350梁的中心矩112010801040980質(zhì)量塊寬：B1300130013001300質(zhì)量塊長：A1500150015001500梁厚：h130303030質(zhì)量塊厚：h2395395395395二、惠斯通電橋的設(shè)計(jì)電橋的設(shè)計(jì)要求：電橋四臂的初始阻值、溫度系數(shù)相同(在初始狀態(tài)電橋平衡，輸出電壓為0)；電橋鄰臂的阻值變化量相等，符號相反(可以提高器件輸出的線性度，同時(shí)可消除橫向加速度的影響，降低橫向靈敏度)。傳統(tǒng)的壓阻電橋一般設(shè)計(jì)成閉環(huán)形式，在進(jìn)行零位調(diào)整時(shí)普遍采用的方法是在任一橋臂上并聯(lián)電阻，閉環(huán)電橋引出線少。如果設(shè)計(jì)成開環(huán)形式，則在調(diào)整零位平衡和靈敏度漂移時(shí)，即可并聯(lián)電阻又可串聯(lián)電阻，大大增加信號處理的自由度。閉環(huán)惠斯頓電橋UiUo雙邊四梁結(jié)構(gòu)和惠斯通電橋連接圖R1R2R3R4R3’R1’R4’R2’S+R2R3R4R3’R1’R4’R2’R1O+O-S1-S2-本設(shè)計(jì)采用的是開環(huán)式惠斯通全橋電路。X方向加載100gy方向加載100gz方向加載100g如果設(shè)計(jì)成閉環(huán)電橋，則需要考慮影響電橋平衡的原因：(1)由于工藝的原因，各個(gè)壓敏電阻的阻值不可能完全相等；(2)各橋臂由于距離不同，其連接導(dǎo)線的阻值會有所不同。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)計(jì)算引線孔到壓焊點(diǎn)的導(dǎo)線電阻，通過調(diào)整導(dǎo)線的長度和寬度的方法來平衡各臂的導(dǎo)線電阻。導(dǎo)線電阻與長度成正比，與寬度成反比，通過計(jì)算方塊電阻來實(shí)現(xiàn)。此外，導(dǎo)線均為直線，不能為斜線。三、結(jié)構(gòu)的仿真與性能分析1.模態(tài)仿真加速度計(jì)本身是一個(gè)質(zhì)量-彈性梁系統(tǒng)，在外界加速度作用下質(zhì)量塊發(fā)生振動，所以頻響范圍是加速度計(jì)的一個(gè)重要特性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使系統(tǒng)的頻響范圍足夠?qū)?，而結(jié)構(gòu)的固有頻率是影響頻響范圍的重要因素。利用ANSYS軟件中有限元模態(tài)分析的方法能夠計(jì)算出該結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)的固有頻率及其振型。查看分析結(jié)果時(shí)，主要判斷頻率值是否滿足頻響要求（一般要求一階固有頻率>頻響范圍的5倍），一階振型是否在敏感方向(z方向)內(nèi)振動。SETTIME/FREQLOADSTEPSUBSTEPCUMULATIVE126908.111235464.122359671.133472029.14450.32776E+06155對0-100g結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的前五階固有頻率及其前三階的振型如下所示。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是ANSYS產(chǎn)品的家族中7種結(jié)構(gòu)分析之一，主要用來分析由于穩(wěn)態(tài)外載荷所引起的系統(tǒng)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，其中穩(wěn)態(tài)載荷主要包括外部施加的力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力如重力。在該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在結(jié)構(gòu)上加載滿量程加速度值（如為0-100g量程的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)加載100g的加速度），查看結(jié)果時(shí)，主要判斷梁上的最大等效應(yīng)力值是否超過硅材料的彎曲強(qiáng)度(80MPa)。2.靜力學(xué)分析結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布云圖3.路徑分析在靜態(tài)求解之后通過路徑分析來判斷梁上的應(yīng)力是否線性分布，在得到梁上應(yīng)力的線性分布區(qū)域之后，在應(yīng)力值最大的線性區(qū)域放置壓敏電阻。應(yīng)力的線性分布區(qū)域?yàn)榫嚯x梁根部和端部20um的范圍內(nèi)。為了最大限度地同時(shí)滿足傳感器靈敏度與線性度要求，選擇壓敏電阻的放置區(qū)域?yàn)榫嚯x梁根部和端部20um。在每個(gè)電阻得放置位置處選取三條路徑，分析電阻位置處的應(yīng)力分布情況，求出電阻位置的平均橫向應(yīng)力與縱向應(yīng)力值。根據(jù)上述方法得到8個(gè)電阻位置的平均縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力4.輸出靈敏度分析電橋的輸出電壓輸出靈敏度5.橫向輸出靈敏度分析分別在x、y軸向加載100g的加速度，求解惠斯通電橋的輸出電壓，得到x、y方向的橫向靈敏度6.阻尼的分析與設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中添加粘滯流體，利用流體為結(jié)構(gòu)提供阻尼力可以降低結(jié)構(gòu)的振動幅值，避免結(jié)構(gòu)因共振而損壞。

將梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)等效為彈簧、阻尼器、質(zhì)量塊構(gòu)成的二階單自由度振動系統(tǒng)，如圖所示。經(jīng)分析，得ckm

加速度計(jì)等效模型阻尼的設(shè)計(jì)可以通過靜電鍵合技術(shù)，在硅結(jié)構(gòu)層的下面制作玻璃蓋板實(shí)現(xiàn)。由流體力學(xué)的雷諾方程可知，調(diào)節(jié)質(zhì)量塊-玻璃蓋板間距可以調(diào)節(jié)阻尼參數(shù)。其中因此得到阻尼比與質(zhì)量塊-玻璃蓋板間距之間的關(guān)系，如圖。阻尼比的計(jì)算公式綜合考慮四種結(jié)構(gòu)的性能要求以及工藝實(shí)現(xiàn)的精度要求，取質(zhì)量塊下底面與玻璃蓋板之間的距離為2.3um。得到四種結(jié)構(gòu)的阻尼比分別為0.827、0.676、0.585和0.499。7.抗過載能力分析與設(shè)計(jì)硅結(jié)構(gòu)層包括框架、質(zhì)量塊和四根梁；下層為玻璃結(jié)構(gòu)。靜電鍵合間距為5um。以量程為100g的結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行抗過載性能的仿真與分析。當(dāng)作用在結(jié)構(gòu)上的加速度載荷g時(shí)，質(zhì)量塊在z方向上振動的最大位移量達(dá)到5um，起到了限位保護(hù)作用。

復(fù)合量程微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖第三階段工藝設(shè)計(jì)與仿真加工復(fù)合量程微加速度計(jì)的整套工藝流程包括硅工藝流程、玻璃工藝流程和鍵合劃片工藝流程三部分。一、硅工藝1、備片：N型(100)硅片2、形成P-電阻區(qū)3、形成P+歐姆接觸區(qū)4、第一次KOH背腔腐蝕365μm，形成背腔5、第二次KOH背腔腐蝕