（测试计量技术及仪器专业论文）微机电系统谐振器面内运动检测的激光多普勒方法.pdf

摘要 随着微机电系统技术的迅速发展，对器件运动性能检测的需求日益迫切。本 论文旨在探讨微机电系统器件的运动检测技术，主要研究了激光差动多普勒方法 在面内运动检测中的应用。 论文建立了激光差动多普勒测量系统，用于检测谐振器在平面内的振动，系 统的测量光轴垂直于被测速度。该系统主要由光学部分、信号处理电路、数据分 析程序和微动调整装置等组成。光学系统中，在差动多普勒测量光路的基础上加 入了c c d 监控光路，用监视器观察被测器件调整过程和振动情况。电路系统从 光学系统输出的高频信号中提取了多普勒信号。在计算机数据处理程序中，利用 频谱分析、计数法等方法计算了谐振器的速度，并积分得到位移曲线。 测量了电动机转轴转速和加速度计校准仪的往复振动，验证了实验系统的可 靠性和准确性。分别测量了四个谐振器的振动情况，得到了活动梳齿的谐振频率、 瞬时速度和位移等，并用计算机显微视觉方法进行了比对实验。 论文研究了被测谐振器的调整和定位方法，并详细分析了在谐振器运动检测 时，测量系统中可能出现的误差。 论文还建立了活动梳齿的振动模型，推导了活动梳齿的谐振频率和谐振振幅 的解析解。基于体硅工艺，设计了谐振器的具体结构和工艺步骤，并利用有限元 软件，分析了活动梳齿的静态响应和振动模态。进行了流水实验，给出了加工结 果。 关键词：微机电系统，梳齿，谐振器，激光多普勒，振动检测方法 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) ，t h e d e m a n df o rc h a r a c t e r i z a t i o n so ft h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fm e m sd e v i c ei s i n c r e a s e d 。a ni n v e s t i g a t i o no nm e m sm o t i o nm e a s u r e m e n t si sm a d ei nt h i s d i s s e r t a t i o n ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fd i f f e r e n t i a l l a s e rd o p p l e rm e t h o di n i n p l a n e m o t i o nd e t e c t i o ni sd i s c u s s e d ad i f f e r e n t i a ll a s e rd o p p l e rs y s t e mi ss e lu pf o rm e a s u r i n gt h ei n p l a n ev i b r a t i o n o f m e m sr e s o n a t o r s ，a n dt h eo p t i c a la x i so f t h em e a s u r i n g s y s t e mi sp e r p e n d i c u l a rt o t h ev e l o c i t yv e c t o ru n d e rt e s t t h es y s t e mc o n s i s t so fa no p t i c a ls y s t e m ，as i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i t ，d a t aa n a l y s i sp r o g r a ma n dap o s i t i o na d j u s t m e n ts t a g e ac c d c a m e r aw i t hi m a g i n gs y s t e mo b s e r v i n gt h ep o s i t i o na d j u s t m e n ta n dt h er e s o n a t o r s v i b r a t i o ns t a t u si si n t r o d u c e dt ot h eo p t i c a la r r a n g e m e n t t h ed o p p l e rf r e q u e n c yi s e x t r a c t e df r o mt h eh i g h - f r e q u e n c yo u t p u to ft h eo p t i c a l s y s t e mb yt h e c i r c u i t s p e c t r u ma n a l y s i sa n dc o u n t i n gp r o c e s sa r ee m p l o y e dt o c a l c u l a t et h em s o n a t o r v e l o c i t y , a n dt h ed i s p l a c e m e n ti so b t a i n e db yi n t e g r a t i o n d e m o n s t r a t i n gt h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h ed o p p l e rs y s t e m ，t h er o t a t i o no f 0 2 1e l e e t r o m o t o ra n dt h er e c i p r o c a t i n gm o t i o no fa na c c e l e r o m e t e rc a l i b r a t o ra r e m e a s u r e df i r s t t h e n ，t h ei n p l a n ev i b r a t i o n so ff o u rm e m sr e s o n a t o r sa r em e a s u r e d t h er e s o n a n tf r e q u e n c i e s ，t r a n s i e n tv e l o c i t i e sa n dd i s p l a c e m e n t so ft h em o v a b l e c o m b sa r ed e t e r m i n e d f u r t h e r m o r e ，ac o m p u t e rm i c r o v i s i o nm e t h o di su s e df o rt h e c o m p a r i n ge x p e r i m e n t s a p o s i t i o na d j u s t m e n ts c h e m ei sp r o p o s e d ，a n de r r o r si nt h em e a s u r e m e n t sa l e d i s c u s s e di nd e t a i l t h ev i b r a t i o nm o d e lo ft h er e s o n a t o r si sb u i l t t h ea n a l y t i ce q u a t i o n so ft h e m o v a b l ec o m b sr e s o n a n tf r e q u e n c ya n da m p l i t u d ea r ed e d u c e d b a s e do ns i l i c o nb u l k m i c m m a c h i n i n gt e c h n o l o g y , t h er e s o n a t o r s a r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d ，a n dt h e p r o c e s sf l o wi sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ，c o m b ，r e s o n a t o r , l a s e rd o p p l e r m e t h o d ，v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘注盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 射厘 i 签字日期：上加f 年月0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权一盘洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 钟压 导师签名： 础a 名 u 签字日期：o 。f 年月g 日 签字日期：加，年二月，。日 第一章绪论 第一章绪论 微机电系统( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，简称m e m s ) 是近年来新兴 的交叉学科，它综合了微电子技术与电学、光学、电磁学、生物、化学等多个领 域的内容。从诞生之初，它的应用和工艺就一直是被关注和探讨的热门课题。由 于微机电系统在结构、工艺、应用等方面的新型性和特殊性，微机电系统的检测 技术也呈现出更多的创新性和挑战性。本课题的目的在于探讨微机电系统的运动 检测技术，提出了基于固体表面散射光检测原理的差动激光多普勒方法，对谐振 器件的运动特性进行测量和研究。 本章首先综述了微机电系统、微机电系统检测技术、以及激光多普勒技术的 研究现状和发展趋势，然后介绍了论文的主要任务。 1 1 微机电系统概述 1 9 5 9 年，美国物理学家，诺贝尔奖获得者rf e y m n a n 首先提出了微型机械的 设想。1 9 8 7 年，美国加州大学佑克利分校利用牺牲层腐蚀工艺和静电驱动原理 在硅衬底上制作出转子直径为6 0 岬1 2 0 呻的微型静电电动机，显示了用硅微 机械加工的方法可以制作三维可动的机电系统。到2 0 世纪9 0 年代，以美国a n a l o g d e v i c e si n c 为代表，用硅平面工艺生产的带有信号处理电路的微加速度计问世， 它实现了微机械结构与电路的一体化集成。到1 9 9 9 年为止，微机电系统器件在 世界范围内的销售量已经达到7 0 亿美元，且年平均增长率为2 0 。随着硅微机 械加工技术的发展，微机电系统器件体积小、批量大、成本低的特点日益显著， 其未来的市场前景更为广阔。 在发展初期，微机电系统器件的材料以硅为主，随着微机械加工技术的进步， 现在微机电系统器件应用的材料已经扩展到金属、高分子聚合物和许多生物化学 制品等。一般来说，微机电系统是指以硅、金属等为材料，利用微机械加工技术， 制作出体积为微米量级的微型机械结构，构成如激励器、传感器和执行器等，并 可以集成一体形成的器件或者系统。 1 1 1 微机电系统的工艺技术 微机械j a q - 技术是在半导体集成电路工艺的基础上发展起来的，以光刻、腐 蚀、淀积、溅射等半导体工艺为基础，主要可以归纳为：体硅微机械i j n t 技术、 表面硅微机械加工技术和l i g a 技术等1 1 2 3 ，4 j 】。 体硅工艺是在集成电路工艺基础上直接发展起来的最常用的微机械加工技 术，它主要采用各向异性或各向同性腐蚀剂，对硅进行化学腐蚀、反应离子刻蚀 第一章绪论 等化学反应过程，使硅结构成型。利用体硅工艺可以得到较高的深宽比的硅结构。 表面硅工艺主要是指表面牺牲层技术，首先在衬底上淀积牺牲层材料，利用 光刻、刻蚀形成一定的图形，然后淀积作为机械结构的材料，并光刻出所需要的 图形，然后再将作为支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉，从而形成悬浮的可动的微 机械结构部件。表面牺牲层技术的显著优点是其加工过程与集成电路的工艺完全 兼容，易于实现系统集成。 l i g a ( 德文l i t h o g r a p h i eg a l v a n o f o r m u n ga b f o r m u n g ) 加工技术是德国卡尔 斯鲁尔核研究中心开发的一种利用同步辐射x 射线制造三维微器件的先进的微 型制造技术。它利用同步辐射x 射线对光敏材料进行深层光刻形成模腔，再电 铸金属，从而实现较高的深宽比的微结构。它还可以进一步形成微模具，进行其 他材料的铸塑。利用l i g a 技术可以加工金属、塑料和陶瓷等材料，形成的微结 构深宽比大、精度高，能批量生产。l i g a 技术的加工厚度可以达到毫米数量级， 并且垂直度好，侧壁光滑，表面平整。 1 1 2 微机电系统器件的分类 微机电系统一经闯世，就成为人们的研究热点，各学科的研究人员纷纷把微 机械加工技术和自己学科的应用结合起来，开发出形式多样的微机电系统器件， 应用范围几乎涵盖了军事、科研、生产、生活的各个领域。其中，压力传感器、 惯性传感器、微流体器件、微光学机电系统、射频器件和生物芯片等代表了历年 来微机电系统领域的研究热点，也是微机电系统器件市场占有量的主要组成部 分。 1 1 2 1 压力传感器 压力传感器是最早开始研究的微机电系统器件，压敏电阻和静电电容是常用 的信号检测媒介，图1 - 1 是静电电容式压力传感器的一种基本结构。其中，硅结 构层键合在玻璃或者硅的衬底上，形成一个小的气室，硅岛底部和衬底上的电极 构成了一个检测电容。当外部压强施加在硅膜上时，硅膜和硅岛相对于衬底的位 置发生变化，使检测电容值改变。通过衬底上的电极引线把检测电容的变化引入 电路处理，就得到了外部压强的情况。 图1 - 1 微机电系统压力传感器 利用硅微机械工艺制作的压力传感器灵敏度高，功耗低，长期稳定性好，在 汽车工业，医疗仪器领域都有广泛应用。2 0 0 1 年，微机电系统压力传感器在全 2 第一章绪论 球范围内的总销售额为1 3 亿美元，预计到2 0 0 5 年，这一销售额将上升到1 5 亿 美元阎。 1 1 2 2 惯性传感器 微机电系统的惯性传感器主要包括微加速度计和微陀螺。与传统的惯性传感 器相比，微机电系统惯性器件的体积小，成本低的优势十分明显。目前，在一辆 汽车上使用的测速用微加速度计的数量多达数十个，而微陀螺在航空航天、军事 领域的惯性导航方面的应用前景非常广阔p j 。 a n a l o gd e v i c e si n c 生产的微加速度计a d x l 系列是迄今为止最具有代表性 的微机电系统惯性器件。图1 2 是微加速度计a d x l 2 0 2 硅微结构的照片。图1 3 简要说明了a d x l 2 0 2 的工作原理：四根硅梁支撑起质量块成为可动结构，在质 量块上连接的梳齿和固定梳齿形成检测电容。当没有加速度时，质量块处在平衡 位置，g l = g 2 ，如图a 所示；有外部加速度时，质量块在惯性力的作用下，位置 发生偏摆，这时检测电容值发生改变，如图b 所示。当有图中箭头方向的加速度 作用时，c s l ，所以式 d 0d x 0 ( 2 1 ) 中的第二项可以忽略【6 3 删，那么对于图2 4 ( a ) 中的梳齿电容，当活动梳齿在 x 轴方向发生位移x 时，它的电容可以表示为： c ：2 n c h ( x + x o ) 玩 ( 2 2 ) 如图2 5 所示，通过焊点p a d l 和p a d 2 ，分别在两侧的固定梳齿上施加激励 电压，通过p a d 3 在中间的活动梳齿上施加直流偏置电压。对于其中的一个梳齿 电容结构，如果施加在固定梳齿和活动梳齿之间的驱动电压为u ，那么静电场产 生的沿x 轴方向的侧向驱动力为口，6 5 】： 图2 - 5 谐振器静电驱动原理图 皆三u 2 篆( 2 - 3 ) 其中要：_ 2 n c h 是常数。则 0 譬口。 第二章硅微机械谐振器 皆掣u 2 d o ( 2 4 ) 可见，当活动梳齿在x 轴方向运动时，驱动力的大小不会随着活动梳齿的位置改 变而变化。 在实际应用中，常用的激励活动梳齿发生振动的驱动方式有如下三种： 如果在p a d l ( 或p a d 2 ) 上施加激励电压“= u o ，p a d 2 ( 或p a d l ) 悬空，同 时p a d 3 接地，即只在一个固定梳齿上施加直流激励电压，那么活动梳齿在x 方 向发生的位移为 6 3 , 6 4 , 6 5 , 6 6 1 ： 壮乏2 爰2 k d 。o 七， u( 2 5 ) 其中，为图2 - 1 中的悬臂梁支承系统在x 轴方向的弹性系数。设e 为材料的弹 性模量，贝j j 6 3 , 6 4 ： t = 2 e h ( 华) 3( 2 6 ) 由式( 2 5 ) 可见，在直流激励作用下，活动梳齿部分在悬臂梁的支撑下发生偏摆。 如果在p a d l ( 或p a d 2 ) 上施加激励电压萨u d + u d s i n c o t ，p a d 2 ( 或p a d l ) 悬空，同时p a d 3 接地，即只在一侧的固定梳齿上施加正弦形式的激励信号，则 此时驱动力为： 舻丢要小学( u j - i - 2 u d u es i n c o t + 硼s i n 2 c o t ) ( 2 - 7 ) zc 。c d 。 如果使施加的电压中砜 岛 ( 2 4 2 ) 把式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 代入式( 2 _ 4 1 ) 得到： 铲竿 解关于x 的不等式： 妒笔产 州) 可以得到： l x 一 2 令子。x - 再摹一 三厣虿 2 ( 2 - 4 5 ) 一了x o ，8 m a x 就是能保持活动梳齿在y 轴方向侧向稳定的 条件下，允许活动梳齿在x 轴方向的最大行程，称作稳定行程 6 3 , 7 1 。 从以上分析可以看出： ( 1 ) 增大叉指之间的间隙西有利于增强活动梳齿的侧向稳定性，有利于得到 较大的稳定行程。 ( 2 ) 稳定行程随着幻值的增大而增加，所以在结构设计时应尽量减小支承 系统在行程方向的刚度，而增加其在与行程垂直方向的刚度，提高在这两个方向 的刚度比。图2 4 中的打折梁在y 方向上的弹性系数为 6 3 , 7 1 1 ： 驴2 励半 i 代入式( 2 6 ) 可得： ( 2 4 6 ) 第二章硅微机械谐振器 竺：( 三) ： t w ( 2 - 4 7 ) 所以，对于图2 - 6 中的谐振器，提高打折梁的长宽比，有利于增大稳定行程。 ( 3 ) 减小初始状态时叉指的交错长度x o ，有利于增大稳定行程量。 但是，从2 1 1 节的分析可知，增加又指间隙磊会减小在x 轴方向的驱动力 r ：减小初始状态时叉指的交错长度勒，会使梳齿的初始电容减小，可能导致驱 动力随位移变化。因此，在结构设计时，应综合考虑上述问题。 2 1 4 梳齿的粘附效应 梳齿的粘附是指在静电力的吸引下，叉指之间发生粘连的现象。根据前文的 推导，如果活动梳齿发生侧向失稳，y 方向的静电力会随着失稳幅度的增大而越 来越大，最终使叉指相碰并粘在一起，这是梳齿的侧向粘附【7 4 】，如图2 - 9 ( a ) 所示， 它与支承结构在y 方向的刚度有关。此外，如果支承结构在行程方向的刚度不足 够大，还会发生正向粘附，即活动梳齿的齿顶与对应的固定梳齿的齿根粘附在一 起，如图2 - 9 ( b ) 所示。叉指之间一旦粘附在一起，就很难再分离，是对结构的彻 底破坏。为了避免侧向粘附，支承结构在y 方向的刚度要满足式( 2 4 4 ) 的侧向稳 定的条件；同样，为了避免正向粘附，支承结构在x 方向的刚度也需满足一定的 条件。 母y 幽艮 目 丌i t 蜀r 一 ( a )t b j 图2 - 9 梳齿的侧向粘附和正向粘附 根据式( 2 4 ) ，梳齿电容在正常工作时，当激励电压u 旋加在一个梳齿电容上 时，x 方向的静电力为： 7 = - - 丝u 2 d o 如果活动梳齿在x 方向的位移不断增大，接近正向粘附时，梳齿电容的两组叉指 的顶部端面和其对面的叉指根部之间的电容就不可忽略，可以把这部分电容看作 是一组平板电容，如图2 4 的梳齿参数，当活动梳齿在x 轴方向发生位移x 时， l 第二章硅微机械谐振器 这部分电容值为 c 1 = ( 2 ”一1 弦_ 旦生 d x x o 通常”很大，由这部分电容产生的静电吸引力为【7 3 】： f x l 丢u 2 篆* 两n e 习a h u 2 ( 2 - 。s ) 其中，x 是活动梳齿在x 方向的位移。因此，作用在活动梳齿上的总的静电力是： f s 哪耻等扩+ 丽n e a h u2(2-49) 因为支承结构在x 方向的剐度必须足够大，以平衡静电力的吸附，所以防止正向 粘附的临界条件是： kx婴(2-50) 对于图2 - 9 中谐振器的打折支承梁，把式( 2 6 ) 和( 2 - 4 9 ) 代入式( 2 5 0 ) 得到： e ( 3 丽r l , 繇l u 2 ( 2 5 1 ) 综上所述，为了避免侧向失稳，应减小支承梁在行程方向的刚度，但是为了避免 正向粘附，也应该使支承梁在行程方向保持足够大的刚度。 2 1 5 活动梳齿的漂浮效应 当激励电压旌加在固定梳齿上，驱动活动梳齿侧向运动时，理论上，活动梳 齿和固定梳齿应该在同一个平面内，这是稳定的工作状态。但实际上，在静电场 的作用下，活动梳齿在垂直于硅片平面的z 方向上存在微小的位移，这就是梳齿 的漂浮效应7 5 1 。图2 1 0 是关于漂浮效应的梳齿侧向剖面图，图中施加在两个固 定梳齿上的驱动电压的极性相同时，电场分布如图中的箭头所示。 设静电场在活动梳齿上感生的电荷是q ，活动梳齿的电位是，那么在活动 梳齿上储存的电能是1 7 6 】： e = q of 2 5 2 ) 上式对z 求偏导数，得到在z 方向的电场力为： 皆i o e ；西安+ 口娑( 2 - 5 3 ) 从图中电力线分布可得，在z 轴方向上，函0 ，挲0 ，且g 0 ，所以在竖直 方向的静电力e 0 。在足的作用下，活动梳齿倾向于向上漂离硅片表面，或者 向下贴近硅片下面的衬底平面，活动梳齿的在竖直方向的最终位置取决于b 和 第二章硅微机械谐振器 悬臂梁结构的支撑力的合力的作用结果。值得注意的是，因为微机电系统器件的 体积非常小，重力的影响很小。 图2 - 1 0 梳齿的漂浮效应 漂浮效应的影响是多方面的，一方面，可以在结构层下方的衬底上设置不同 的金属电极或多晶硅导体层，利用e 的作用，控制活动梳齿在z 轴方向的运动； 另一方面，对大多数侧向驱动的应用来说，漂浮效应使活动梳齿偏离工作平面， 造成了不稳定的负面影响。此外，漂浮效应引起的位置偏移和可能激起的振动模 态，是跟梳齿结构和支承结构的参数有关。 对于不希望发生的漂浮效应，从理论上讲，有多种措施可以消除。例如，去 掉活动梳齿下面的导体平面，或者在结构层上方设置一块导体平面，构成三明治 结构等。不过，这两种方法都需要修改工艺过程。相比之下，最简单的方法是改 变驱动电压的极性，当两个固定梳齿上驱动电压的极性相反时，电力线分布如图 匀， 2 1 1 所示。此时，在三轴方向上，毋= o ，= ；= 0 ，所以毋o 。 出 在实际应用中，由于工艺缺陷、残余应力等因素的影响，通常不能彻底实现 膨o 。不过使用这种极性相反的驱动方式，对于削弱漂浮效应是有好处的。 图2 11驱动电压极性相反时的电力线分布 2 2 谐振器结构设计 在前一节理论分析的基础上，结合有限元分析软件a n s y s 模拟仿真的结果， 并充分考虑硅微机械加工技术的工艺特点和可行性，提出了两种结构形式，共四 第二章硅微机械谐振器 种结构参数的谐振器设计。图2 一1 2 是谐振器的光刻版图重叠后的图样，它体现 了谐振器的结构和布局。 图2 1 2 谐振器版图 这些谐振器的结构层材料是单晶硅，厚度为8 0 9 t m ，主要结构尺寸如表2 1 所示。表中标注的尺寸参数可参见图2 4 和图2 - 8 。 表2 - 1 谐振器的主要结构尺寸 2 2 1活动梳齿稳定行程的验算 利用前文理论分析得到的公式，验算了每种结构的支承梁的弹性系数，结果 如表2 ，2 中的疋和岛。根据式( 2 4 5 ) 初步估算了谐振器不会发生侧向失稳的稳定 行程，结果如表2 2 中的艿。因为图2 - 1 2 中谐振器活动叉指的顶端与固定叉 指根部的最大距离为3 5 b u n ，所以从表2 2 可见，活动梳齿的可能的运动范围都 在稳定行程之内，不会发生侧向失稳。这里在计算时，忽略了硅的各向异性，并 选取弹性模量e = i 7 1 0 ”p a 。 第二章硅微机械谐振器 表2 2 支承粱的弹性系数与稳定行程 谐振器编号 段bj m a x ( m ) ( a ) 4 7 0 1 0 7 3 2 6 1 0 “2 6 6 ( b ) 6 ，4 4 1 0 7 3 6 2 1 0 ”2 7 6 ( c ) 1 2 6 1 0 8 4 5 3 1 0 ” 1 7 4 ( d ) 6 4 4 1 0 3 6 2 x1 0 1 l2 2 3 2 2 2 谐振器的静力学特性 借助有限元分析软件a n s y s ，使用静力学分析方法，对每个谐振器的可动 部分在静态力作用下的位移和应力分布情况进行了模拟。 考虑到如果对梳齿的细微结构划分网格和逐个计算，运算量很大，而且，对 谐振器的静刚度和支承梁应力具有影响的只是梳齿部分的质量，所以在建模时， 为了减小计算量，忽略了梳齿的细微结构，而把它折合成相同体积的等效质量， 添加在活动质量块上。此外，因为对谐振器而言，锚点只起到固定连接的作用， 即支承粱与锚点连接处的自由度为零，所以在模型中不设置锚点，丽是把支承梁 与锚点相连的端点完全约束，限制其自由度全部为零。在分析过程中，忽略了硅 材料的各向异性，弹性模量按各向同性计算，取e = i 6 9 x1 0 “p a ，泊松比取值为 0 2 。此外，硅的密度取2 3 3 1 0 3 k g m 3 ，空气中的介电常数用e = 8 8 5 4 x1 0 4 2 f m ， 并选用s o l i d 9 5 单元划分网格。 对于谐振器( a ) ，在一侧固定梳齿上施加直流偏置电压1 1 0 v 时，根据式( 2 - 3 ) ， 产生的静电力为皆4 2 9 1 0 5 n ，这时谐振器的形变和y 方向应力分布云图如图 2 1 3 ( a ) 所示。用路径操作的方法，考察了与活动梳齿相连的支承梁上的应力，应 力分布曲线如图2 1 3 ( b ) 。其中的纵坐标是梁的应力，正值代表拉应力，负值表 l 拿il 卜 k ；n ；l 3i 一一_ 孑孓 1 _ 一j ：i 一乙毒一 卜。卜i h 一一 “ n _ ， 。 弋j 5 1 $ 0 2 s o2 5 00 ( a ) c o ) 图2 1 3 谐振器a 的应力分布 第二章硅微机械谐振器 示压应力，单位是m p a ：横坐标代表观察路径上点的位置，单位是l a m 。由图2 1 3 可见，应力在梁中部比较均匀，在接近根部的位置出现最大值，最大应力数值为 6 5 0 6 1 0 6 p a 。 用同样的方法分析了谐振器b 、c 、d 在适当直流偏置电压作用下的应力情况。 因为结构形式相近，所以谐振器b 、c 、d 的应变形式与a 相似，此处不再列出； 其他主要结果和支承梁应力曲线列成表格2 3 所示。 表2 - 3 谐振器的应力分布 第二章硅微机械谐振器 2 2 3 谐振器的模态分析和谐响应分析 a n s y s 中的模态分析是指通过有限元方法对结构的振型和固有频率进行仿 真和计算。图2 1 4 是对谐振器a 进行模态分析的结果，在分析时选用的材料参 数与2 2 r 2 节中的相同，并假设谐振器工作在无阻尼条件下。分析时用s o l i d 9 5 单 元划分网格，在提取模态时选用了b l o c kl a l l c z o s 方法。其中，第一阶模态的振 型是支承梁带动活动梳齿在平面内侧向偏摆，这是设计期望的谐振器正常振动时 的工作模态；第二阶模态是谐振器绕y 轴方向扭转；第三阶和第四阶模态分别是 两个支承梁发生高阶的侧向弯曲。 图2 1 4 谐振器a 的振动模态 对其他三个谐振器也进行了同样的分析，它们的振型与a 相似。谐振器a 、b 、 c 、d 的前四阶模态的固有频率列于表2 4 。从2 1 2 节的理论分析可知，谐振器 的固有频率与梁的刚度和质量块的质量有关，有限元分析的结果验证了这一结 论。从每个谐振器固有频率的数值还可以看出，谐振器的工作模态( 第一阶模态) 的固有频率与其他高阶模态的固有频率相差很大，这样，在施加第一阶固有频率 表2 - 4 谐振器的固有频率 编号 第一阶( 1 f f l z )第二阶( 1 ( h z )第三阶( i o q z )第四阶( k h z ) a6 1 7 3 2 7 4 5 63 9 。0 0 5 4 1 。5 6 2 b6 5 8 41 8 5 8 43 9 ，9 3 74 2 2 0 5 c6 2 9 01 7 3 4 6 2 1 0 6 7 2 3 3 1 3 d6 2 8 6 1 8 5 7 5 3 6 2 8 23 7 8 3 7 第二章硅微机械谐振器 相近频率的激励信号时，谐振器的高阶模态的振动不易被激起，也就是说，谐振 器抵抗干扰的能力较强。 在模态分析的基础上，对每个谐振器进行了谐响应分析。a n s y s 中的谐响 应分析能够确定线性结构在承受随时间按正弦规律变化的载荷时的稳态响应。此 处选用了谐响应分析中的f u l l 方法进行求解，估算了谐振器的位移一频率响应。 在计算时，分别在两个固定梳齿上施加激励电压1 = 时u d s i n c o t 和屹= 一 u d s i n c o t ，那么根据式( 2 1 0 ) ，作用在中间活动梳齿上的驱动力为： 辟4 n e ，hu d u a s i n c o t a n 对谐振器a ，取u o = 1 1 0 v ，砜= 1 0 v ，则驱动力的幅值为：1 5 5 8 1 0 - s n 。因为其 工作模态的频率为6 1 7 3 k h z ，所以设定分析的频率范围为0 1 0 k h z ，主要考察 谐振频率附近带宽的位移一频率响应，得到的曲线如图2 1 5 。其中的纵坐标代表 谐振器活动梳齿部分的位移( 单位：l a m ) ，横坐标代表激励电压的频率( 单位： h z ) 。 可见，当激励力的频率位于活动梳齿固有频率周围一定带宽范围之内时，可 以激励活动梳齿产生较大幅值的振动：当二者频率一致时，振动的幅值最大；其 他频率的激励力不能使谐振器发生振动。在后文的实验中，对每个谐振器均尝试 用了不同频率的电压激励，观察到的结果与这一分析结论相符，并根据这一结论 确定了谐振器固有频率的范围。 1 u u3 0 0，u u，u u，u u ! r r z q 图2 1 5 谐振器a 的位移一频率特性曲线 用同样的方法计算了其他三个谐振器的频率响应，主要结果列于表2 5 。其 中的曲线在谐振频率附近比较尖锐，在其他频率处相对平缓，这说明谐振器具有 较好的振动模态。 综上所述，在谐振器结构设计过程中，充分考虑了不同的静电激励方式对谐 振器的影响，通过合理地选取了结构参数，有效地提高了谐振器抵抑侧向失稳和 粘附效应的能力。同时，借助有限元软件的仿真和计算，优化了谐振器结构参数， 使工作模态远离其他高阶模态，具有良好的频率特性。 第二章硅微机械谐振器 表2 - 5 正弦激励下谐振器的频率响应 2 3 谐振器的工艺流程和加工结果 通过前面的理论分析和仿真计算，确定了谐振器的基本结构，在此基础上， 设计了谐振器的工艺流程方案。这一工艺方案的主要特点是： 这是一套以体硅工艺为基础，制作大尺寸谐振器的工艺方案，它的结构层 厚度达到8 0 t i n ，加工得到的谐振器振动性能可靠、稳定。 为了保证谐振器具有良好的振动特性，在流程中避免使用易于产生较大残 余应力的重掺杂工艺。 工艺简单，由1 8 步单项硅微加工工艺组合而成，只需3 块光刻版图，工艺 第二章砖微机械谐振器 可靠性高，成本较低。 谐振器加工工艺流程的总体设计版图如前文的图2 1 2 所示，加工的对象分别 是n 型掺杂的硅片和玻璃衬底。图2 1 6 至2 3 4 是主要工艺步骤的器件剖面示意 图和某些阶段的照片。 图标说明： ( 1 ) 高温氧化，在硅片上下表面生成s i 0 2 层，作为后续工艺的掩膜。 ( 2 ) 硅片正面1 # 版光刻，形成对s i 0 2 层掩膜区的保护，此时工艺结果实现的 器件的剖面如图2 1 6 所示。 图2 1 6 正面1 版光刻 ( 3 ) r j e ( r e a c t i v ei o ne t c h i n g ，反应离子刻蚀) 刻蚀s i 0 2 层，稍微过刻蚀，形 成s i 0 2 掩膜区的图形，然后去除表面的光刻胶，如图2 - 1 7 所示。 图2 - 1 7 r i e 刻蚀 ( 4 ) 用k o h 溶液腐蚀s i ，腐蚀深度约4 p m ，硅片上表面形成的凸台将作为键 合时的锚点，也就是谐振器可动结构的固定支承点( 图2 - 1 8 ) 。 倒2 - 1 8 k o h 溶液腐蚀 ( 5 ) 在硅片背面涂胶，保护背面的s i 0 2 层，然后在b h f 溶液中腐蚀掉f 面剩 余的s i 0 2 ，暴露锚点顶部的s i ，它们是键合时与玻璃表面的接触区，玻璃 表面的金属引线将通过这些接触区把激励电信号引入( 图2 - 1 9 ) 。 第二章硅微机械谐振器 图2 - 1 9 背面涂胶 ( 6 ) 去除背面的光刻胶后，以s i 0 2 层作为硅片背面的保护层，在高温下扩散磷， 增强键合区的s i 层的导电性，这样有利于在键合时使锚点与金属电极形成 欧姆接触。 ( 7 ) 在b h f 溶液中腐蚀掉背面的s i 0 2 层，暴露出s i 层，如图2 2 0 所示。至此， 硅片单独的加工基本完成，将等待与玻璃衬底键合。 图2 2 0 腐蚀掉背面的s i 0 2 层 图2 2 l 是在显微镜下拍摄的此时硅片正面两个局部区域的照片，它显示了 扩磷后的工艺结果。其中，多个方形小块就是凸台，是键合时的锚点。右 图的右上角的是光刻对准标记，在较高倍数显微镜下拍摄它的照片如图 2 2 2 。从照片中可以看到每个凸台的边缘都很平滑清晰，这说明工艺结果 良好。 图2 2 l 扩磷后硅片正面照片 图2 2 2 硅片上的光刻对准标记 ( 8 ) 在玻璃表面用2 # 光刻版光刻，形成金属电极的图样。然后，用光刻胶作 掩膜，在玻璃面上腐蚀出浅槽，用来承纳会属以制作电极( 图2 2 3 ) 。 第一二章硅微机械谐振器 图2 2 32 # 版光刻和腐蚀掉玻璃后的结果 ( 9 ) 在玻璃面上依次溅射金属t i 、p t 和a u ，制作电极( 图2 2 4 ) 。其中，a u 是所需的金属电极层，但它与玻璃的黏附性较差，因此选择t i 作为黏附层 与玻璃面直接接触，同时，为了防止a u 与t i 发生互溶，用p t 作为它们的 隔离层。这样，从玻璃表面向上，依次是t i p t a u 的金属层，它们共同构 成了金属电极层。 图2 2 4 溅射金属层 ( 1 0 ) 剥离玻璃表面的光刻胶( 图2 2 5 ) ，溅射后覆盖在光刻胶上面的金属层一 起都被去除，只剩下溅射在玻璃面上浅槽内的金属，这样就形成了金属电 极，玻璃片单独的工艺基本完成。 图2 2 5 剥离玻璃表面的光刻胶 图2 2 6 是玻璃片工艺完成后两个局部区域的照片。其中，细长的导线就 是金属电极，如果将来需要外接引线，那么将从照片中的小方块( 即焊点) 上向外焊接金属线。左图左上角是光刻对准标记，它与硅片上的光刻对准 标记是镜向对应的。因为玻璃是透明的，因此从照片中看到的“污渍”其 实是显微镜载物台上的污点。 图2 2 6 玻璃面金属电极的照片 第二章硅微机械谐振器 ( 1 1 ) 将图2 2 0 中的硅片翻转，使硅片的正面与玻璃面对准，进行硅一玻璃键 合，形成稳定牢固的连接，同时金属电极也与硅结构层连接导通( 图2 - 2 7 ) 。 图2 2 7 硅一玻璃键台 ( 1 2 ) 在k o h 溶液中腐蚀s i ，从背面整体减薄硅片，留8 0 1 t m 厚，作为器件的 结构层。 ( 1 3 ) 在硅片上溅射金属a 1 的薄层，准备作刻蚀硅结构时的掩膜( 图2 2 8 ) 。 图2 2 8 溅射a l 薄层 ( 1 4 ) 在硅片上用3 # 光刻版进行光刻，然后以光刻胶作保护膜腐蚀a l ，形成掩 膜的图样，被掩膜覆盖的硅片上的区域将形成质量块、梁等结构( 图2 - 2 9 ) 。 图2 2 93 # 版光刻 ( 1 5 ) 在玻璃面划片，准备把每个单独的谐振器芯片从硅片整体分离出来。因为 划片机产生的机械力较大，因此这步工艺选在释放硅结构之前进行，这时 硅结构层还是整块的硅片，不易被损坏( 图2 - 3 0 ) 。 图2 3 0 玻璃面划片 ( 1 6 ) i c p 刻蚀硅结构层，穿透硅片，形成的深槽使硅片上的质量块、梳齿、梁 第二章硅微机械谐振器 等结构按版图设计的图样互相分离( 图2 3 】) 。因为锚点的连接支撑作用， 这些互相分离的结构在硅片平面内，或者在垂直硅片的方向上运动，这样 就形成了悬浮、可动的三维微机械结构 图2 - 3 1i c p 刻蚀 ( 1 7 ) 沿划片槽裂片，形成独立的器件单元。 图2 3 2 谐振器器件单元的全局照片 图2 3 3 一个谐振器的照片 经过上述步骤就获得了若干独立的谐振器器件单元，通过扫描电镜拍摄的 一个器件单元的照片如图2 3 2 所示。其中，每个单元中包含4 个谐振器， 第二章硅微机械谐振器 每个谐振器对应玻璃面上的三个金属焊点，金属电极引线把焊点与谐振器 结构底部的锚点相连接。图2 3 3 是把其中的一个谐振器的放大得到的照 片。 ( 1 8 ) 封装。首先，用绝缘胶把图2 3 2 所示的器件单元粘贴在金属管壳底上； 然后，用压焊机，依次把每根金属丝的一端压焊在器件芯片上的焊点上， 另一端压焊到管壳内的金属管脚的端面上，这样，谐振器芯片内的微机械 结构就与管壳外部的管脚电气连通了。盖上管壳盖，就初步形成了封装好 的谐振器芯片。图2 3 4 是一个已经封装好的、没有盖上管壳盖的谐振器 芯片与计算机鼠标的尺寸对比照片。 图2 3 4 封装后的谐振器芯片与鼠标 由于光学测量的需要，当谐振器芯片用作被测对象时，一般需要掀去管壳的 盖；以便使测量光束直接入射到芯片内某个谐振器的活动梳齿的表面上。另外， 为了给谐振器施加激振信号，可以把谐振器芯片安插在电路板上，再通过电路板 与驱动电路相连。 2 4 谐振器初步测试实验 为了考察工艺结果和初步了解谐振器的振动性能，对一个谐振器旋加了激励 电压，在显微镜下观察了它的振动情况。 图2 3 5 是封装后的谐振器芯片中的一个谐振器，其中的焊点已经通过金属线 与管壳内部的管脚端面相连。为了保护谐振器不被损坏，用探针接触管壳内的管 脚，把高压激励信号引入谐振器。在实验时，采用了单边激励的方式，即只在谐 振器的一个固定梳齿上施加激励电压。在活动梳齿振动的同时，用安装在显微镜 上的c c d 摄像机观察谐振器的振动情况。 第二章硅微机械谐振器 图2 - 3 5 显微镜f 的谐振器照片 实验1 ：把激励电压的频率固定为1 h z ，调节正弦激励电压的幅值从0 v 开 始逐渐缓慢增加，当激励电压的峰一峰值达到1 4 0 v 时，谐振器出现缓慢的有节 奏的偏摆和回复运动。考虑到激励信号的频率接近直流，所以认为这种现象与在 直流激励下谐振器发生偏摆时的运动情况类似。 实验2 ：固定激励电压的幅值为7 0 v ，调节其频率从小到大逐渐变化。观察 到：从1 0 h z 开始，谐振器的偏摆和回复运动停止；当激励频率达到2 k h z 时， 谐振器突然开始快速振动，因为c c d 摄像机图像采集的速率有限，因此只能看 到活动梳齿及其边缘变得模糊；当激励频率达到2 3 k h z 时，谐振器的快速振动 嘎然而止。这说明，驱动信号频率在2 k h z 2 3 k h z 之间时，激励谐振器发生了 谐振。根据前文分析的结果，估计该谐振器的谐振频率在4 k h z 4 6 k h z 之间。 通过上述实验，观察到谐振器能够按照设计要求产生有规律的运动，初步验 证了设计结论，并说明谐振器具有较好的运动特性。 小结 本章阐述了在微机电系统谐振器的设计、加工、及测试等方面的所做研究工 作，主要包括： ( 1 ) 设计了基于体硅工艺的大尺寸谐振器，针对课题后续测试需要，在设计时 注意考虑了粘附效应、侧向失稳等影响因素，保证了谐振器振动性能的稳 定可靠； ( 2 ) 从理论上分析了谐振器的驱动原理，并借助有限元方法对谐振器的静力学 特性、振动模态和频率响应进行了仿真和计算，使结构参数得到优化，保 证谐振器具有良好的振型、力学特性和频率特性； ( 3 ) 设计了谐振器加工的工艺流程，进行了流水实验，完成了谐振器的加工制 作； ( 4 ) 在显微镜下，进行了谐振器振动特性的初步测试实验，证明谐振器振动的 稳定性，并估算了谐振器的谐振频率。 第三章激光多普勒运动检测实验系统 第三章激光多普勒运动检测实验系统 3 1总体结构 根据散射物的多普勒频移测量原理，并综合考虑硅微机械谐振器在结构、运 动状态、表面反射性能等方面的特殊性，设计建立了激光多普勒运动检测系统， 用于测量