微加速度計設計-課件

微加速度計設計1ppt課件微加速度計設計1ppt課件11.量程:0～Ag、0～Bg、0～Cg和0～Dg性能指標2.抗過載能力大于Mg3.頻響范圍：>NHz2ppt課件1.量程:0～Ag、0～Bg、0～Cg和0～Dg性能2精品資料精品資料3你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結一節(jié)課的重點的難點，你是否會認為老師的教學方法需要改進？你所經歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽曬，也不怕那風雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學問無顏見爹娘……”“太陽當空照，花兒對我笑，小鳥說早早早……”微加速度計設計--ppt課件4第一階段知識的積累5ppt課件第一階段知識的積累5ppt課件5一、壓阻式微加速度計的工作原理以單晶硅為例，當壓力作用在單晶硅上時，硅晶體的電阻率發(fā)生顯著變化的效應稱為壓阻效應。壓阻式微傳感器結構壓阻效應工作原理6ppt課件一、壓阻式微加速度計的工作原理以單晶硅為例，當壓力作6R1R2R3R4壓敏電阻的相對變化量與應力的關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7ppt課件R1R2R3R4壓敏電阻的相對變化量與應力的關系為在平衡情況7二、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為了使所設計的傳感器具有較高的結構靈敏度（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。8ppt課件二、硅材料的選擇室溫下，N型和P型硅電阻的π11、π12、π8N型硅——P型電阻條P型硅——N型電阻條結論：設計壓阻式微加速度計時，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。9ppt課件N型硅——P型電阻條P型硅——N型電阻條結論：設計壓阻式9三、典型結構分析(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)四邊梁結構（g）八梁結構10ppt課件三、典型結構分析(a)單懸臂梁(b)雙懸臂梁(c)雙端梁10(a)和(b)為懸臂梁式結構，優(yōu)點是靈敏度高，但其一階固有頻率低，頻率響應范圍窄，且橫向靈敏度較大。(c)～(g)為固支梁結構，其一階固有頻率比懸臂梁式結構高得多，有利于擴大傳感器的頻率響應范圍。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構。(g)圖所示的四邊八梁結構橫向靈敏度最低，但其輸出靈敏度也最低。綜合考慮，所要設計的傳感器采用雙端四梁結構(e)，該結構在保證一定的輸出靈敏度的基礎上能夠較好地解決橫向靈敏度的問題。11ppt課件(a)和(b)為懸臂梁式結構，優(yōu)點是靈敏度高，但其一階固有頻11四、設計約束材料屬性約束硅的材料參數(shù)(μm-μN-kg)參數(shù)EXPRXY彎曲強度斷裂強度硅2.33×10-151.9×1050.370-2107000一般硅材料所能承受的最大應變?yōu)?，為了保證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變范圍為～。為了滿足這個范圍，梁根部的最大等效應力值不超過80MPa。12ppt課件四、設計約束材料屬性約束硅的材料參數(shù)(μm-μN-kg12工藝條件約束邊界約束主要考慮加工工藝的影響，根據(jù)某加工單位的實際加工水平提出的約束條件如下：

2)梁寬（b1）：b1>=μm；

3)梁長（L1）：L1<=μm；

4)梁厚（h1）：h1>=μm；

5)質量塊厚度（h2）h2<=μm;由于要在同一批工藝中同時實現(xiàn)復合量程微加速度計中的四個結構，因此四個結構中質量塊的厚度、梁的厚度必須一致。13ppt課件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13加工單位所能實現(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。壓敏電阻結構圖引線孔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8μm14ppt課件加工單位所能實現(xiàn)的壓敏電阻如右所示。壓敏電阻包括三部14版圖設計約束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cell的尺寸為9mm*9mm。4.劃片槽的寬度為300um。15ppt課件版圖設計約束1.出于測試考慮，電極的最小尺寸為100um*15五、關鍵工藝介紹a)襯底襯底襯底襯底光刻膠掩膜版光照b)c)d)圖2光刻和圖形轉移過程襯底d)

光刻是一種圖形復印和化學腐蝕相結合的精密表面加工技術。在半導體器件生產過程中，光刻的目的就是按照器件設計的要求，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的幾何圖形，以實現(xiàn)選擇性擴散和金屬薄膜布線。16ppt課件五、關鍵工藝介紹a)襯底襯底襯底襯底光刻膠掩膜版光照b)c)16

熱氧化的生長機制:開始時，氧原子與硅原子結合，二氧化硅的生長是一個線性過程。大約長了500?之后，線性階段達到極限。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，氧氣擴散通過氧化層進入到硅表面，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，氧原子只有擴散通過更長的一段距離才可以到達硅表面，因此，從時間上來看，氧化層的生長變慢，氧化層厚度、生長率及時間之間的關系成拋物線形。硅硅硅a)初始b)線性c)拋物線

二氧化硅的生長階段17ppt課件熱氧化的生長機制:開始時，氧原子與硅原子結合，二氧化17腐蝕分為濕法腐蝕和干法腐蝕。利用KOH腐蝕劑在(100)晶面進行各向異性腐蝕是體硅微機械加工工藝中一種簡單易行且重要的加工工藝。濕法腐蝕形成質量塊的時候需要進行凸角補償。最常用的凸角補償方法如下所示。hh/2其中，h=腐蝕深度/0.54通過上述的方法可以實現(xiàn)質量塊邊緣的最佳腐蝕。18ppt課件腐蝕分為濕法腐蝕和干法腐蝕。利用KOH腐蝕劑在(10018

干法腐蝕包括PE（等離子體腐蝕），RIE（反應離子腐蝕），ICP（感應耦合等離子體腐蝕），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。本結構中最后釋放梁-質量塊結構采用的就是ICP刻蝕。由于ICP刻蝕溫度較濕法腐蝕高，可能存在殘余應力高等問題。同時，不同的加工單位對ICP刻蝕深度的要求也不相同。

19ppt課件干法腐蝕包括PE（等離子體腐蝕），RIE（反應離子腐蝕19濺射鍍膜的原理是在真空室內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，內應力小，現(xiàn)已在很大程度取代了蒸發(fā)鍍膜。20ppt課件濺射鍍膜的原理是在真空室內使微量氬氣或氦氣電離，電離20

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

21ppt課件離子注入是摻雜技術的一種，就是將所需的雜質以一定的方21六、所用軟件1.Ansys——用于結構設計與仿真，可計算各階頻率和各階振型、應力值、結構撓度、結構靈敏度及位移量等。2.Intellisuite——用于工藝步驟的設計與仿真，同時實現(xiàn)上述結構參數(shù)的仿真計算。3.L-Edit——用于版圖的設計，同時可以模擬工藝過程。4.Matlab或Maple——用于理論計算。22ppt課件六、所用軟件1.Ansys——用于結構設計與仿真，可計算各階22第二階段結構設計與分析23ppt課件第二階段結構設計與分析23ppt課件23一、結構尺寸的確定結構尺寸的確定需要依據(jù)器件的性能指標、各種約束條件的要求，并能最大限度地提高結構的輸出靈敏度和頻帶寬度。在設計過程中可以通過改變其中一個結構尺寸，計算或仿真得到一階固有頻率值及梁上的應力值與該尺寸之間的關系曲線，從而最終確定結構尺寸參數(shù)。24ppt課件一、結構尺寸的確定結構尺寸的確定需要依據(jù)器件的性能指標241.理論計算通過對單懸臂梁、雙懸臂梁、雙端梁-質量塊結構的比較與理論推導，得到雙端四梁結構的理論計算公式：結構的剛度結構的第一階固有頻率為25ppt課件1.理論計算通過對單懸臂梁、雙懸臂梁、雙端梁-質量塊結25梁端部的撓度結構靈敏度

梁根部或端部所受到的最大應力為最大應變量為26ppt課件梁端部的撓度結構靈敏度梁根部或端部所受到的最大應力為最大26設計過程中，為了滿足固有頻率和靈敏度的要求，設計各種尺度的結構，得到了單一結構尺寸與固有頻率、靈敏度（應力值）之間的關系。梁寬與頻率、應力之間的關系梁長與頻率、應力之間的關系梁厚與頻率、應力之間的關系綜合考慮上面三個圖，可最終確定結構參數(shù)。27ppt課件設計過程中，為了滿足固有頻率和靈敏度的要求，設計各種272.結構尺寸參數(shù)傳感器結構參數(shù)（μm）參數(shù)0-Ag0-Bg0-Cg0-Dg梁寬w梁長：l梁的中心矩質量塊寬：B質量塊長：A梁厚：h1質量塊厚：h228ppt課件2.結構尺寸參數(shù)傳感器結構參數(shù)（μm）0-Ag0-Bg28二、惠斯通電橋的設計電橋的設計要求：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)的壓阻電橋一般設計成閉環(huán)形式，在進行零位調整時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。如果設計成開環(huán)形式，則在調整零位平衡和靈敏度漂移時，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UiUo29ppt課件二、惠斯通電橋的設計電橋的設計要求：電橋四臂的初始阻值29雙邊四梁結構和惠斯通電橋連接圖R1R2R3R4R3’R1’R4’R2’S+R2R3R4R3’R1’R4’R2’R1O+O-S1-S2-開環(huán)式惠斯通全橋電路。30ppt課件雙邊四梁結構和惠斯通電橋連接圖R1R2R3R4R3’R1’R30X方向加載Agy方向加載Agz方向加載Ag31ppt課件X方向加載Agy方向加載Agz方向加載Ag31ppt課31如果設計成閉環(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，其連接導線的阻值會有所不同。設計時應計算引線孔到壓焊點的導線電阻，通過調整導線的長度和寬度的方法來平衡各臂的導線電阻。導線電阻與長度成正比，與寬度成反比，通過計算方塊電阻來實現(xiàn)。此外，導線均為直線，不能為斜線。32ppt課件如果設計成閉環(huán)電橋，則需要考慮影響電橋平衡的原因：(32三、結構的仿真與性能分析1.模態(tài)仿真加速度計本身是一個質量-彈性梁系統(tǒng)，在外界加速度作用下質量塊發(fā)生振動，所以頻響范圍是加速度計的一個重要特性，在結構設計時應使系統(tǒng)的頻響范圍足夠寬，而結構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)分析的方法能夠計算出該結構的各階模態(tài)的固有頻率及其振型。查看分析結果時，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)內振動。33ppt課件三、結構的仿真與性能分析1.模態(tài)仿真加速度計本身是一33SETTIME/FREQLOADSTEPSUBSTEPCUMULATIVE126908.111235464.122359671.133472029.14450.32776E+06155對0-Ag結構進行模態(tài)分析，得到結構的前五階固有頻率及其前三階的振型如下所示。34ppt課件SETTIME/FREQLOADSTE34結構靜力學分析是ANSYS產品的家族中7種結構分析之一，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、應力和應變，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。在該結構設計時，在結構上加載滿量程加速度值（如為0-Ag量程的結構，在進行靜力學分析時加載Ag的加速度），查看結果時，主要判斷梁上的最大等效應力值是否超過硅材料的彎曲強度(80MPa)。2.靜力學分析結構等效應力分布云圖35ppt課件結構靜力學分析是ANSYS產品的家族中7種結構分析3536ppt課件36ppt課件363.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力是否線性分布，在得到梁上應力的線性分布區(qū)域之后，在應力值最大的線性區(qū)域放置壓敏電阻。37ppt課件3.路徑分析在靜態(tài)求解之后通過路徑分析來判斷梁上37應力的線性分布區(qū)域為距離梁根部和端部xxxum的范圍內。為了最大限度地同時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)域為距離梁根部和端部xxxum。在每個電阻的放置位置處選取三條路徑，分析電阻位置處的應力分布情況，求出電阻位置的平均橫向應力與縱向應力值。38ppt課件應力的線性分布區(qū)域為距離梁根部和端部xxxum的范38根據(jù)上述方法得到8個電阻位置的平均縱向應力與橫向應力39ppt課件根據(jù)上述方法得到8個電阻位置的平均縱向應力與橫向應力39pp394.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Ag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40ppt課件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406.阻尼的分析與設計在系統(tǒng)中添加粘滯流體，利用流體為結構提供阻尼力可以降低結構的振動幅值，避免結構因共振而損壞。

將梁-質量塊結構等效為彈簧、阻尼器、質量塊構成的二階單自由度振動系統(tǒng)，如圖所示。經分析，得ckm

加速度計等效模型41ppt課件6.阻尼的分析與設計在系統(tǒng)中添加粘滯流體，利用流體41阻尼的設計可以通過靜電鍵合技術，在硅結構層的下面制作玻璃蓋板實現(xiàn)。由流體力學的雷諾方程可知，調節(jié)質量塊-玻璃蓋板間距可以調節(jié)阻尼參數(shù)。其中42ppt課件阻尼的設計可以通過靜電鍵合技術，在硅結構層的下面42因此得到阻尼比與質量塊-玻璃蓋板間距之間的關系，如圖。阻尼比的計算公式綜合考慮四種結構的性能要求以及工藝實現(xiàn)的精度要求，取質量塊下底面與玻璃蓋板之間的距離為xxxum。得到四種結構的阻尼比分別為w1、w2、w3和w4。43ppt課件因此得到阻尼比與質量塊-玻璃蓋板間距之間的關系，如圖。阻尼比437.抗過載能力分析與設計硅結構層包括框架、質量塊和四根梁；下層為玻璃結構。靜電鍵合間距為5um。以量程為Ag的結構為例進行抗過載性能的仿真與分析。當作用在結構上的加速度載荷g時，質量塊在z方向上振動的最大位移量達到5um，起到了限位保護作用。44ppt課件7.抗過載能力分析與設計硅結構層包括框架、質量塊和四44

復合量程微加速度計結構示意圖45ppt課件復合量程微加速度計結構示意圖45ppt課件45第三階段工藝設計與仿真46ppt課件第三階段工藝設計與仿真46ppt課件46加工復合量程微加速度計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，形成背腔5、第二次KOH背腔腐蝕，減薄質量塊6、正面光刻引線孔7、正面濺射金屬鋁8、以鋁為掩模，正面ICP，釋放結構9、正面光刻將鋁層圖形化做出導線47ppt課件加工復合量程微加速度計的整套工藝流程包括硅工藝流程、47a)形成P-區(qū)b)形成P+區(qū)c)形成N+區(qū)d)第一次背腔腐蝕e)第二次背腔腐蝕f)形成引線孔g)鋁金屬引線、釋放結構P-SiO2P+N+Si3N4凹槽SiAl硅加工工藝流程48ppt課件a)形成P-區(qū)b)形成P+區(qū)c)形成N+區(qū)d)第一次48B離子注入，形成P-區(qū)濃硼摻雜，形成P+區(qū)第一次背腔腐蝕第二次背腔腐蝕正面ICP刻蝕釋放結構49ppt課件B離子注入，形成P-區(qū)濃硼摻雜，形成P+區(qū)第一次背腔腐蝕49二、玻璃工藝與靜電鍵合玻璃工藝所用的材料為Plan-optikBorofloat