基于MEMS的硅微压阻式加速度传感器设计课件.ppt

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1、基于MEMS的硅微压阻式加速度传感器设计一.介简硅微加速度传感器是MEMS器件中的一个重要分支，具有十分广阔的应用前景。响应快易集成功耗小灵敏度高易于小型化在强辐射作用下能正常工作优点：发展迅速二、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。图1、压阻式微传感器结构1、压阻效应弹性元件的结构形式一般采用微机械加工技术形成硅梁外加质量块的形式，利用压阻效应来检测加速度。在双端固支梁结构中，质量块像活塞一样上下动，该结构的传感器示意图如图2所示。图2传感

2、器示意图2、加速度传感器典型结构分析(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）八梁结构本次设计采用双端四梁结构，如图3，惯性质量块是由悬臂梁支撑的，悬臂梁上制作有应变扩散电阻。当被测物体有加速度作用时，硅微结构会随之产生惯性力，悬臂梁在惯性力的作用下产生应力和弹性形变，悬臂梁上的扩散电阻则会产生压阻效应，4个可变的扩散电阻连接为惠斯通电桥，应变电阻通过电桥输出电压的变化，即可将加速度信号的检测转变为电信号输出。质量快悬臂梁应变电阻图3、压阻式加速度传感器基本结构3、测

3、量电路的设计电桥的设计要求：电桥四臂的初始阻值、温度系数相同(在初始状态电桥平衡，输出电压为0)；电桥邻臂的阻值变化量相等，符号相反(可以提高器件输出的线性度，同时可消除横向加速度的影响，降低横向灵敏度)。传统的压阻电桥一般设计成闭环形式，在进行零位调整时普遍采用的方法是在任一桥臂上并联电阻，闭环电桥引出线少。图4、闭环惠斯顿电桥UiUo如果设计成闭环电桥，则需要考虑影响电桥平衡的原因：(1)由于工艺的原因，各个压敏电阻的阻值不可能完全相等；(2)各桥臂由于距离不同，其连接导线的阻值会有所不同。本设计采用的是开环式

4、惠斯通全桥电路。图5、双边四梁结构和惠斯通电桥连接图R1R2R3R4R3’R1’R4’R2’S+R2R3R4R3’R1’R4’R2’R1O+O-S1-S2-如果设计成开环形式，则在调整零位平衡和灵敏度漂移时，即可并联电阻又可串联电阻，大大增加信号处理的自由度。关键工艺介绍a)衬底衬底衬底衬底光刻胶掩膜版光照b)c)d)图6、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

5、何图形，以实现选择性扩散和金属薄膜布线。三、压阻式硅微加速度传感器加工工艺热氧化的生长机制: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

6、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离子注入是掺杂技术的一种，就是将所需的杂质以一定的方式掺入到半导体基片规定的区域，并达到规定的数量和符合要求的分布，以达到改变材料电学性能、制作PN结、集成电路的电阻和互联线的目的。复合量程微加速度计中压敏电阻就是通过硼离子注入得到的。溅射镀膜的原理是在真空室内使微量氩气或氦气电离，电离后的离子在电场的作用下向阴极

7、靶加速运动并轰击靶，将靶材料的原子或分子溅射出来，在作为阳极的基片上形成薄膜。溅射（sputtering）已广泛地用于在基片上沉积铝、钛、铬、铂、钯等金属薄膜和无定形硅、玻璃、压电陶瓷等非金属薄膜。用溅射法制造的薄膜均匀性好，可以覆盖有台阶的表面，内应力小，现已在很大程度取代了蒸发镀膜。本文试用键合工艺制造压阻式加速度传感器。采用键合工艺的优点是能得到高质量的外延层，且悬臂梁的厚度通过硅片减薄工艺易于得到保证，精细的硅片单面研磨，厚度误差可以控制在0.5μm以内；由于EPW腐蚀液对SiO2的腐蚀速度极慢，使得腐蚀过

8、程停止在SiO2层上，从而保证了硅片减薄后的厚度即为弹性梁的厚度。传感器芯片加工工艺流程下图所示：阻尼的分析与设计输出灵敏度分析横向输出灵敏度分析抗过载能力分析与设计四、其他相关设计与要求ThankYou!