【導(dǎo)讀】本文在對(duì)各種硅微加速度傳感器特點(diǎn)進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，選擇了差分電容式硅微加速度傳感器作為研究對(duì)象。在對(duì)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(jì)出了一種對(duì)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(shí)現(xiàn)加速度信號(hào)的無線傳輸。根據(jù)建立的差分電容式微加速度傳感器的力學(xué)模型，利用有限元方法對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。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。傳感器技術(shù)是一項(xiàng)快速發(fā)展的高新技術(shù)，它是新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，已被許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家列為國(guó)家科技和國(guó)防技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容。正是由于世界各國(guó)的普遍重視和投入開發(fā)，傳感器技術(shù)發(fā)展速度非常迅猛。

　　

【正文】 氣密性和長(zhǎng)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?yàn)殇X（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(shí)進(jìn)行。4．2　LC諧振式振動(dòng)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 微電容式加速度傳感器的整個(gè)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(diǎn)浸。（2）在雙面拋光硅片上熱氧化生長(zhǎng)氧化層。（3）雙面對(duì)準(zhǔn)光刻形成臺(tái)階掩膜圖形并劃片標(biāo)記。（4）對(duì)硅片兩面的臺(tái)階區(qū)域進(jìn)行各向異性腐蝕，形成臺(tái)階。（5）在形成臺(tái)階的硅片兩面熱氧化生長(zhǎng)氧化層。（6）對(duì)硅片進(jìn)行雙面對(duì)準(zhǔn)光刻，形成質(zhì)量塊和梁區(qū)的掩膜圖形。（7）對(duì)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(shí)質(zhì)量塊、梁和其之外的區(qū)域形成臺(tái)階。（8）雙面腐蝕除去梁上的氧化層掩膜。（9）對(duì)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(shí)，表面上的梁同時(shí)被腐蝕下沉至質(zhì)量塊的中平面附近而形成對(duì)稱梁。此時(shí)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(shí)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(jì)要求。（12）選用固態(tài)硼擴(kuò)散源，對(duì)硅片兩面進(jìn)行硼擴(kuò)散，作為動(dòng)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(gè)小時(shí)后雙面涂膠，并在玻璃上與動(dòng)極板電極對(duì)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(huì)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。 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(jí)和圓片級(jí)兩種形式[22]。圓片級(jí)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(jí)真空封裝后的 MEMS 器件，其腔體內(nèi)部的壓強(qiáng)會(huì)隨時(shí)間和溫度的改變而改變，穩(wěn)定性較差。器件級(jí)的真空封裝是指將單個(gè)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(jí)真空封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn) Si—Si 鍵合三明治式電容加速度計(jì)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)多信號(hào)、地和電源層結(jié)構(gòu)，并具有對(duì)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(gè)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(shí)，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(hào)，必須選用高質(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(duì)封裝性能的影響。因?yàn)榉庋b膠很薄，質(zhì)量可以忽略不計(jì)，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(gè)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(tái)的上限頻率以上。管殼材料的性能對(duì)封裝后器件的動(dòng)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(shí)滿足這兩個(gè)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(duì)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。5　總結(jié)與展望本文在對(duì)各種微加速度傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)進(jìn)行比較的前提下，選擇了對(duì)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(duì)象，對(duì)其工作原理和結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了闡述和研究，設(shè)計(jì)計(jì)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(gè)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(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸的選取應(yīng)使其第一階振型為激勵(lì)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(duì)差分電容式加速度傳感器進(jìn)行了靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)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(jì)，但是由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)該傳感器成品的制作。本文對(duì)研究工作的展望如下：對(duì)于設(shè)計(jì)所提出的結(jié)構(gòu)及其模擬的結(jié)果，用實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。對(duì)傳感器測(cè)試電路、引線和接口電路有待于進(jìn)一步深入研究。3. 對(duì)傳感器的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行研究。參 考 文 獻(xiàn)[1] 章吉良,[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1999:10~11[2] [M]. 南京:東南大學(xué)出版社,2000:26[3] [J].現(xiàn)代防御技術(shù),1997,1:5[4] [J].2000,5(1):1~2 [5] 李炳乾,朱長(zhǎng)純,[J].國(guó)外電子元器件,2001,1:4~8[6] Bao M H. 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