【導讀】速度傳感器作為研究對象。在對其工作原理和相關制作工藝進行了闡述和研究之后，設。計出了一種對稱的“四梁－質(zhì)量塊”結(jié)構(gòu)的差分電容式微加速度傳感器。本文介紹了利用LC互感諧振原理來實現(xiàn)加速度信號的無線傳輸。元軟件對加速度計的結(jié)構(gòu)建立仿真模型。根據(jù)建立的差分電容式微加速度傳感器的力學。最后，結(jié)合現(xiàn)有MEMS工藝，給出了差分電容式硅微加速度傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸、工藝流程。

　　

【正文】 01691338250736764845510146118371352815218MAY 25 202010:53:57NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =5FREQ=.263E+07USUM (AVG)RSYS=0DMX =15218SMX =152181MNMXXYZ 0105521093164421852736328738284379491MAY 25 202010:54:09NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =6FREQ=.338E+07USUM (AVG)RSYS=0DMX =9491SMX =9491中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 25 頁 共 31 頁 4 LC 諧振式振動傳感器的工藝流程 加工所需關鍵工藝 [1820] 光刻 光刻是一種圖形復印和化學腐蝕相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。在半導體器件生產(chǎn)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的目的。光刻是半導體器件制造工藝中的關鍵工藝之一。光刻質(zhì)量的好壞直接影響半導體器件的性能和成品率。光刻工藝需要注意以下幾個問題： (1) 對準方式 對準方式包括單面光刻對準和雙面光刻對準（包括雙面光刻和鍵合）。此種方式是先給掩膜板照相，然后給硅片照相，通過兩張照片來進行對準，最后曝光。 (2) 曝光及顯影 光刻抗蝕劑（光刻膠）使一種經(jīng)光照后溶解特性起變化的感光材料。若經(jīng)過光照后變得容易被顯影劑溶解的稱為正性光刻膠。相反，若經(jīng)過光照后變得難于被顯影劑溶解的稱為負性光刻膠。對于不同的襯底，其分辨率不相同，曝光時間也應作相應的調(diào)整。同時曝光的質(zhì)量還與掩膜的質(zhì)量和膜厚有關。 薄膜淀積 (1) 氧化 在硅表面形成的二氧化硅能緊緊地依附在硅襯底上，而且具有極穩(wěn)定的化學性和電絕緣性。因此，二氧化硅用來作為器件的保護層和鈍化層，以及電性能的隔離，絕緣材料和電容器的介質(zhì)膜等。二氧化硅的另一個重要性質(zhì)，就是對某些雜質(zhì)能起到掩蔽作用，從而可以實現(xiàn)選擇擴散。 (2) 化學氣相淀積 化學氣相淀積是氣態(tài)反應物在反應器中通過特定的化學反應，使反應物沉積在加熱基片上鍍膜過程的總稱?；訜釡囟雀哂?300℃ 。常壓下進行的化學氣相沉積叫常壓化學氣相淀積；低壓下進行的化學氣相沉積叫低壓化學氣相淀積；用等離子體增強的化學氣相沉積叫 等離子體增強化學氣相淀積。常用化學氣相淀積的方法制備多晶硅、二氧化硅和氮化硅薄膜。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 26 頁 共 31 頁 (3) 濺射 濺射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)應力小，現(xiàn)已在很大程度取代了蒸發(fā)鍍膜。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。 離子注入 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(jié)、集成電路的電阻和互聯(lián)線的目的。 腐蝕 腐蝕是指用化學的、物理的或同時使用化學物理的方法有選擇性地把未被光刻膠掩蔽的部分（如二氧化硅、氮化硅、多晶硅或金屬鋁薄膜）去除，從而最終實現(xiàn)把掩膜圖形轉(zhuǎn)移到薄膜上。理想的腐蝕要求垂直腐蝕（各向異性腐蝕）、有高的選擇比（只對薄膜腐蝕，對襯底不腐蝕或極小腐蝕）和腐蝕指標可控性。腐蝕的方法大體上可分為濕法腐蝕和干法腐蝕兩大類。 靜電鍵合技術(shù) 靜 電鍵合主要用于硅－玻璃鍵合，對微機電系統(tǒng)器件進行封裝。靜電鍵合又稱場助鍵合或陽極鍵合。它不同于任何粘結(jié)劑粘合，鍵合界面有良好的氣密性和長期穩(wěn)定性。 合金 芯片經(jīng)過蒸發(fā)金屬如鋁、金以后，在劃片前需經(jīng)過合金工藝，因為鋁（或金）和硅之間有很大的接觸電阻，并且接觸不牢靠。合金的目的是使鋁與硅（或金與硅）之間形成低歐姆接觸，并具有強的機械強度。合金工藝是先將蒸好鋁（或金）的硅片在真空或惰性氣體中加熱，使一部分鋁（或金）熔化到硅中，形成硅鋁或金硅共晶體，得到低的歐姆接觸，也可以去膠、合金同時進行。 4． 2 LC 諧振式振動傳感器工藝流程 加速度傳感器是基于 MEMS 技術(shù)的，它符合 MEMS 的標準工藝 [21]。 MEMS 工藝是建立在 IC 工藝基礎上的，主要包括： 1）清洗； 2）氧化； 3）光刻； 4）濺射； 5）PECVD； 6）硼擴； 7）濕法腐蝕； 8）鍵合； 9）封裝等。本文給出這種 MEMS 微電容中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 27 頁 共 31 頁 式加速度傳感器的整個制作工藝流程，主要流程如下： （ 1）采用 P 型（ 100）晶向的雙面拋光硅片，進行標準 RCA 清洗，用稀釋 HF 溶液點浸。 （ 2）在雙面拋光硅片上熱氧化生長氧化層。 （ 3）雙面對準光刻形成臺階掩膜圖形并 劃片標記。 （ 4）對硅片兩面的臺階區(qū)域進行各向異性腐蝕，形成臺階。 （ 5）在形成臺階的硅片兩面熱氧化生長氧化層。 （ 6）對硅片進行雙面對準光刻，形成質(zhì)量塊和梁區(qū)的掩膜圖形。 （ 7）對形成掩膜后的硅片兩面進行各向異性腐蝕，每一面腐蝕的深度為 25μm， 這時質(zhì)量塊、梁和其之外的區(qū)域形成臺階。 （ 8）雙面腐蝕除去梁上的氧化層掩膜。 （ 9）對硅片兩面進行無掩膜的各向異性腐蝕，當梁和質(zhì)量塊周圍的穿通區(qū)完全腐蝕穿通時，表面上的梁同時被腐蝕下沉至質(zhì)量塊的中平面附近而形成對稱梁。此時梁厚約為 50μm。 （ 10）雙面光刻去除硅片兩面的掩膜。 （ 11）改用等離子體干法刻蝕同時減薄硅片的質(zhì)量塊及梁區(qū)，直至將梁的厚度減至達到設計要求。 （ 12）選用固態(tài)硼擴散源，對硅片兩面進行硼擴散，作為動極板電極。 （ 13）將 7740（ Pyrex）玻璃作為微傳感器的定極板，并在玻璃上做電容器的電極。將玻璃做標準清洗后烘干一個小時后雙面涂膠，并在玻璃上與動極板電極對稱的位置上光刻電極圖形。 （ 14）采用磁控濺射工藝，先濺射 20nm 的鈦，再濺射 300nm 的鋁。 （ 15）考慮上下電極在大加速度作用下會接觸的情況，用 PECVD 法 在金屬電極上淀積 Si3N4膜作為上下電極的絕緣層，再用丙酮去膠。 （ 16）采用靜電鍵合法將上下玻璃電極和中間硅片鍵合，玻璃上濺射金屬面和硅片硼擴面鍵合，形成 “玻璃－硅－玻璃 ”的三明治結(jié)構(gòu)。 （ 17）最后進行 V 型槽腐蝕、金屬化、劃片等后續(xù)工藝處理。與上面工藝流程對應主要工藝流程圖如圖 所示 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 28 頁 共 31 頁 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 29 頁 共 31 頁 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 30 頁 共 31 頁 圖 主要工藝流程圖 傳感器的封裝 封裝形式 MEMS 真空封裝可以分為器件級和圓片級兩種形式 [22]。圓片級的真空封裝是指以晶圓為單位進行統(tǒng)一封裝，芯片與 封裝間的所有工藝步驟都以晶圓為單位進行，大大節(jié)省了封裝的成本，但圓片級真空封裝后的 MEMS 器件，其腔體內(nèi)部的壓強會隨時間和溫度的改變而改變，穩(wěn)定性較差。器件級的真空封裝是指將單個的芯片從硅晶圓上分離出來，然后采用焊接或粘貼的方法依次將芯片密封于金屬或陶瓷外殼內(nèi)，該種封裝方法可通過選取 MEMS 工業(yè)中常用的材料及工藝步驟進行，故本文擬采用器件級真空封裝技術(shù)實現(xiàn) Si—Si 鍵合三明治式電容加速度計的真空封裝。 MEMS 真空封裝按材料來分有金屬封裝和陶瓷封裝兩種。金屬封裝具有氣密性好、能提供優(yōu)異的散熱和電 磁屏蔽的優(yōu)點，但它外型靈活性較小。陶瓷封裝不僅氣密性、散熱性好，還可實現(xiàn)多信號、地和電源層結(jié)構(gòu)，并具有對復雜器件進行一體化封裝的能力，更適合于 MEMS 封裝。一般來說，封裝有以下四個主要功能： 1. 為器件提供合適的外引線結(jié)構(gòu)； 2. 為芯片提供散熱和電磁屏蔽條件； 3. 為器件提供真空或其他特殊的環(huán)境；4. 提高芯片的機械強度和抗外界沖擊的能力。 封裝中需要注意的問題 1. 封裝膠和封裝膠厚度的選擇 封裝時，一般選用封裝膠將芯片粘貼在基板上。為了準確的傳遞沖擊信號，必須選中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 31 頁 共 31 頁 用高質(zhì)量的封裝膠。具體表現(xiàn)在 :封裝膠要與芯片表面有很強的粘接強度，楊氏模量大，蠕變小，滯后小，溫度和力學性能參數(shù)與芯片相匹配。下面我們從理論上討論封裝膠的選擇對封裝性能的影響。因為封裝膠很薄，質(zhì)量可以忽略不計，因此封裝膠 質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)可以等效為彈簧 質(zhì)量塊系統(tǒng)，可以得到安裝固有頻率 : 式中， A― 封裝膠與傳感器的接觸的面； E― 封裝膠的楊氏模量； M― 加速度傳感器的質(zhì)量； t― 封裝膠的厚度。 根據(jù)公式 ()，封裝膠的厚度越小，封裝膠的楊氏模量越大，器件封裝固有頻率越小。 2．封裝管殼的考慮 好的管殼，必須保證每個自由度都有足夠的剛度，敏感方向的一階諧振頻率都應該在工作臺的上限頻率以上。管殼材料的性能對封裝后器件的動態(tài)性能起重要作用?？梢姙榱颂岣咧C振頻率，可以增加管殼剛度或者減輕管殼質(zhì)量，反映到材料的特性上，即選擇楊氏模量大，密度小的管殼材料。但同時滿足這兩個條件是比較困難的，所以往往要求材料的比剛度越大越好 [23]。另外，對于沖擊、過載傳感器，根據(jù)封裝單位的工藝條件盡量選取較大強度的金絲。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 32 頁 共 31 頁 5 總結(jié)與展望 總結(jié) 本文在對各種微加速度傳感器結(jié)構(gòu)及特點進行比較的前提下，選擇 了對稱 “四梁－質(zhì)量塊 ” 和 “二梁－質(zhì)量塊 ”結(jié)構(gòu)的差分電容式加速度傳感器作為研究對象，對其工作原理和結(jié)構(gòu)模型進行了闡述和研究，設計計算了傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸。本文所進行的主要研究工作及結(jié)論包括以下幾個方面： 為了降低加速度傳感器的橫向靈敏度，應該使懸臂梁厚度遠遠小于其寬度，而且應使質(zhì)量塊的中心與懸臂梁的中性面重合。 在進行加速度傳感器結(jié)構(gòu)設計時，結(jié)構(gòu)尺寸的選取應使其第一階振型為激勵振型。 為了精確控制傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)并補償側(cè)向腐蝕的影響，應采用各向異性濕法腐蝕和等離子體干法腐蝕相結(jié)合的加工工藝。 采用有限元分析軟件 ANSYS，對差分電容式加速度傳感器進行了靜力學和動力學仿真，驗證了質(zhì)量塊位移量隨加速度變化的高度線性關系。 展望 本文完成了 LC 諧振式加速度傳感器的設計，但是由于時間和實驗條件的限制，本文只是在理論上提出該傳感器的結(jié)構(gòu)模型及其制作方法，未能實現(xiàn)該傳感器成品的制作。本文對研究工作的展望如下： 對于設計所提出的結(jié)構(gòu)及其模擬的結(jié)果，用實驗測試數(shù)據(jù)加以驗證。 對傳感器測試電路、引線和接口電路有待于進一步深入研究。 3. 對傳感器的優(yōu)化技術(shù)進行研究。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 33 頁 共 31 頁 參 考 文 獻 [1] 章吉良 ,楊春生 .微機電系統(tǒng)及其相關技術(shù) [M].上海 :上海交通大學出版社 ,1999:10~11 [2] 王壽榮 .硅微型慣性器件理論及應用 [M]. 南京 :東南大學出版社 ,2020:26 [3] 成楚之 .末端子彈技術(shù)發(fā)展的探討 [J].現(xiàn)代防御技術(shù) ,1997,1:5 [4] 丁衡高 .微系統(tǒng)與微米 /納米及其發(fā)展 .微米 /納米科學與技術(shù) [J].2020,5(1):1~2 [5] 李炳乾 ,朱長純 ,劉君嘩 .微電子機械系統(tǒng)的研究進展 [J].國外電子元器件 ,2020,1:4~8 [6] Bao M H. 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