【導(dǎo)讀】速度傳感器作為研究對象。在對其工作原理和相關(guān)制作工藝進(jìn)行了闡述和研究之后，設(shè)。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(xué)。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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)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(guān)鍵工藝 [1820] 光刻 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，以實現(xiàn)選擇性擴(kuò)散和金屬薄膜布線的目的。光刻是半導(dǎo)體器件制造工藝中的關(guān)鍵工藝之一。光刻質(zhì)量的好壞直接影響半導(dǎo)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(zhǔn)方式 對準(zhǔn)方式包括單面光刻對準(zhǔn)和雙面光刻對準(zhǔn)（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(jìn)行對準(zhǔn)，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(fù)性光刻膠。對于不同的襯底，其分辨率不相同，曝光時間也應(yīng)作相應(yīng)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(guān)。 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(xué)性和電絕緣性。因此，二氧化硅用來作為器件的保護(hù)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(kuò)散。 (2) 化學(xué)氣相淀積 化學(xué)氣相淀積是氣態(tài)反應(yīng)物在反應(yīng)器中通過特定的化學(xué)反應(yīng)，使反應(yīng)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(jìn)行的化學(xué)氣相沉積叫常壓化學(xué)氣相淀積；低壓下進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積叫低壓化學(xué)氣相淀積；用等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積叫 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積。常用化學(xué)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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)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(yīng)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(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。 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(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。 腐蝕 腐蝕是指用化學(xué)的、物理的或同時使用化學(xué)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(biāo)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(jī)電系統(tǒng)器件進(jìn)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(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)工藝 [21]。 MEMS 工藝是建立在 IC 工藝基礎(chǔ)上的，主要包括： 1）清洗； 2）氧化； 3）光刻； 4）濺射； 5）PECVD； 6）硼擴(kuò)； 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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn) 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(zhǔn)光刻形成臺階掩膜圖形并 劃片標(biāo)記。 （ 4）對硅片兩面的臺階區(qū)域進(jìn)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(jìn)行雙面對準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行無掩膜的各向異性腐蝕，當(dāng)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(dá)到設(shè)計要求。 （ 12）選用固態(tài)硼擴(kuò)散源，對硅片兩面進(jìn)行硼擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)面鍵合，形成 “玻璃－硅－玻璃 ”的三明治結(jié)構(gòu)。 （ 17）最后進(jìn)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(yīng)主要工藝流程圖如圖 所示 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 28 頁 共 31 頁 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29 頁 共 31 頁 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(fù)雜器件進(jìn)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(jī)械強(qiáng)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(zhǔn)確的傳遞沖擊信號，必須選中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)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(qiáng)的粘接強(qiáng)度，楊氏模量大，蠕變小，滯后小，溫度和力學(xué)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(yīng)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(qiáng)度的金絲。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)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(jìn)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(jìn)行了闡述和研究，設(shè)計計算了傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸。本文所進(jìn)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(yīng)該使懸臂梁厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其寬度，而且應(yīng)使質(zhì)量塊的中心與懸臂梁的中性面重合。 在進(jìn)行加速度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計時，結(jié)構(gòu)尺寸的選取應(yīng)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(bǔ)償側(cè)向腐蝕的影響，應(yīng)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(jìn)行了靜力學(xué)和動力學(xué)仿真，驗證了質(zhì)量塊位移量隨加速度變化的高度線性關(guān)系。 展望 本文完成了 LC 諧振式加速度傳感器的設(shè)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(shè)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(jìn)一步深入研究。 3. 對傳感器的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行研究。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 33 頁 共 31 頁 參 考 文 獻(xiàn) [1] 章吉良 ,楊春生 .微機(jī)電系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù) [M].上海 :上海交通大學(xué)出版社 ,1999:10~11 [2] 王壽榮 .硅微型慣性器件理論及應(yīng)用 [M]. 南京 :東南大學(xué)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(xué)與技術(shù) [J].2020,5(1):1~2 [5] 李炳乾 ,朱長純 ,劉君嘩 .微電子機(jī)械系統(tǒng)的研究進(jìn)展 [J].國外電子元器件 ,2020,1:4~8 [6] Bao M H. 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