微加速度计设计实例

《微加速度计设计实例》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、微加速度计设计1.量程:0～10g、0～100g、0～1000g和0～10000g性能指标2.抗过载能力大于10000g3.频响范围：>1kHz4.具有抗干扰能力第一阶段知识储备一、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R1R2R3R4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π11、π12、π44的数值如下。π11、π12、π4

2、4的数值（10-11m2/N）晶体电阻类型π11π12π44SiPN+6.6-102.2-7.1+53.4+138.1-13.6为了使所设计的传感器具有较高的结构灵敏度（输出灵敏度），可以选用N型（100）硅片，在硅片的<011>、<0-11>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——π44。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

3、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(μm-μN-kg)参数EXPRXY弯曲强度断裂强度硅2.33×10-151.9×1050.370-2107000一般硅材料所能

4、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>=80µm；3)梁长（L1）：L1<=1000µm；4)梁厚（h1）：h1>=30µm；5)质量块厚度（h2）h2<=395µm;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

5、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。压敏电阻结构图引线孔P－电阻条长度LP－L孔P+LP+压敏电阻工艺要求层功能工艺要求备注P－形成压敏电阻最小宽度20μm200Ω/□P+与金属形成低阻互连与P－最小覆盖5μm引线孔形成金属接触孔最小宽度8μm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a)衬底

6、衬底衬底衬底光刻胶掩膜版光照b)c)d)图2光刻和图形转移过程衬底d)光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。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500Å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

7、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。硅硅硅a)初始b)线性c)抛物线二氧化硅的生长阶段腐蚀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。hh/2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

8、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。同时，不同的加工单位对ICP刻蚀深度的要求也不