（精密仪器及机械专业论文）GaAs基共振隧穿压阻式加速度计研究.pdf

中北大学学位论文 g a a s 基共振隧穿压阻式加速度计研究 摘要 本论文介绍了一种新型的纳电予机械( n e m s ) 压阻式加速度计，其灵敏度有望比硅 微压阻式加速度计灵敏度提高一个数量级。该加速度计是基于g a a s a i a s 共振隧穿二极管 ( r t d ) 的介观压阻特性，即在力学信号作用下，r t d 结构应力分布发生变化：一定条件 下应力变化引起内建电场的产生：内建电场将导致r t d 结构中的量子能级发生变化；量子 能级变化会引起共振隧穿电流变化，在一定的偏压条件下，隧穿电流的变化可以等效为电 阻的变化。 本文详细论述了g a a s 基共振隧穿压阻式加速度计的工作原理及其结构和工艺设计， 分别从g a a sr t d 结构和g a a s 压阻型加速度计的结构进行描述。利用理论和a n s y s 有限 元分析软件对加速度计的基础结构进行了仿真和分析，最终确定了基于r t d 的加速度计的 结构。根据所设计的结构，采用m b e 生长技术、微电子加工工艺和m e m s 加工工艺相结 合确立了g a a s 基共振隧穿压阻式加速度计的工艺流程，并运用空气桥技术降低r t d 的寄 生电容，采用控制孔技术加工g a a s 基加速度计结构，依据该工艺流程进行了版图设计和 工艺加工，最后对加工出的加速度计进行测试分析，初步得出了加速度信号。 主要研究成果如下： 1 利用共振隧穿二极管的介观压阻特性，设计了新型的加速度计； 2 利用空气桥工艺制作r t d ，降低了r t d 的寄生电容： 3 加工出了g a a s 基共振隧穿加速度计的基础结构，并进行了测试，初步得出了加速度 信号。 关键字：g a a s ，加速度计，共振隧穿二极管( r t d ) ，介观压阻效应，m e m s n e m s ，空气 桥工艺，控伟1 1 7 l 技术 中北大学学位论文 s t u d yo fg a a s b a s e dr e s o n a n tt u n n e l i n g p i e z o r e s i s t o ra c c e l e r o m e t e r c h e nj i a n ju n ，z h a n gw e n d o n g ，x u ec h e n y a n g a b s t r a c t t h i st h e s i sr e p o r t san o v e lp i e z o r e s i s t o ra c c e l e r o m e t e r , t h es e n s i t i v i t ym a yb eh i g h e ro n e o r d e rt h a ns i l i c o nm i c r o a c c e l e r o m e t e r t h ea c c e l e r o m e t e ri sb a s e do nm e s o p i e z o r e s i s t a n c e e f f e c to fg a a s a i a sr t d ( r e s o n a n tt u n n e l i n gd i o d e s ) t h ea p p l i e da c c e l e r a t i o no nt h ep r o o f m a s si n d u c e ss t r e s si nt h el a y e r so f t h er t d w h i c hw i l li n d u c ec h a n g ei nt h ee l e c t r o n se f f e c t i v e m a s sa n dt h eg e n e r a t e dp i e z o e l e c t r i cf i e l d si n s i d et h ew e l la n dt h eb a r r i e rm a t e r i a l s t h e nt h e e n e r g ys t a t e sw i l la l s oc h a n g e t h e s ev a r i a t i o n sw i l lc h a n g et h ep e a kc u r r e n ta n dv o l t a g eo ft h e r t d i tl o o k sl i k eac h a n g ei ne l e c t r i c a lr e s i s t a n c eo f r t dw h e ns h b j e c t e dt os t r e s sf i e l d s t h et h e s i si n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e ，s t r u c t u r ea n dt e c h n i q u e sd e s i g no f t h eg a a s p i e z o r e s i s t o ra c c e l e r o m e t e ri nd e t a i l s t h eb a s i cs t r u c t u r e so fa c c e l e r o m e t e ri si m i t a t e da n d a n a l y z e db ya n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n dm e c h a n i c st h e o r y ，t h e nt h ef i n a ls t r u c t u r ei s d e s i g n e d f o rt h es t r u c t u r e ，w ee s t a b l i s ht h et e c h n i q u e so ft h eg a a sp i e z o r e s i s t o ra c c e l e r o m e t e r , w h i c hi n c l u d e sm b e ( m o l e c u l a r b e a m e p i t a x y ) t e c h n o l o g y ，s u r f a c e a n db u l k m i c r o m a c h i n i n gp r o c e s s e s a u t o e c i o u s n e s s c a p a c i t a n c ei s r e d u c e db yu s i n ga i rb r i d g e t e c h n o l o g y a n dt h eb e a m m a s s s t r u c t u r eo fa c c e l e r o m e t e ri sm a c h i n e dv i ac o n t r o lh o l et e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s sf l o w t h ed r a w i n gi sd e s i g n e da n dt h ea c c e l e r o m e t e ri s m a c h i n e d f i n a l l y ，t h ea c c e l e r o m e t e ri st e s t e d a n da n a l y z e d ，a c c e l e r a t i o ns i g n a lh a sb e e nf i n d t h et h e s i sr e p o r t st h ek e ys t u d yr e s u l ta sf o l l o w s ： 1 u s i n gm e s o p i e z o r e s i s t a n c ee f f e c to fr t da st h ep r i n c i p l eo fan o v e la c c e l e r o m e t e ri n t h ef i r s t 2t h er t dw a sf a b r i c a t e d b yu s i n ga i rb r i d g et e c h n o l o g y , t h e nt h ea u t o e c i o u s n e s s c a p a c i t a n c ei sr e d u c e d 3 g a a s b a s e dm e m sm i c r o s t r u c t u r ei sm a c h i n e d ，t h e nt h ea c c e l e r o m e t e ri st e s t e da n dg e t t h ea c c e l e r a t i o ns i g n a l k e yw o r d s ：g a a s ，a c c e l e r o m e t e r ，r e s o n a n tt u n n e l i n gd i o d e s ，m e s o p i e z o r e s i s t a n c e e f f e c t ，m e m s ，n e m s ，a i rb r i d g et e c h n o l o g y ，c o n t r o lh o l et e c h n i q u e i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 蠡建呈 日期：加d f 上扩 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采 用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文 被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规 定) 。 签名： 奉婆晕 日期： 蛰：上：2 z 导师签名：日期：矽口谚 中北大学学位论文 1 i 研究意义 1 引言 微( 纳) 机电系统发展的目标在于提高微型化、集成化，探索新原理、新功能的器件 和系统，开辟一个新技术领域和产业。它可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也 可嵌入大系统中，把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平1 1 1 j 。由于微( 纳) 机电 系统体积小、重量轻，具有隐蔽和抗过载的性能，特别适用于现代军事装备中。另外微( 纳) 机电器件在航空、航天、信息、生物医学、环境、交通、工业等领域都有着广阔的应用前 景。现代武器装备发展急需提高武器装备的精确打击能力，推动武器装备的信息化改造， 产生新一代的微型装备。军事装备发展体系化、信息化、隐身化、精确制导化与智能化的 趋势，对信息获取技术与系统提出了微型、灵敏、精巧、隐秘与高可靠的强烈需求。目前 利用微机电( m e m s ) 工艺研制的微型器件已经成功的应用在多种军事装备系统中，在微 型、低功耗与高可靠性等方面有很大的提高。但是，微型器件随着器件的微型化，其有效 的敏感部件也随之急剧减小，其灵敏度和分辨率等指标的提高已达到检测的极限状态，因 而限制了检测精度的进一步提高，难以适用于现代军事装备发展的需要。这就有待于基于 新原理，新效应的新型器件来突破微机电器件的极限。 随着材料研究的深入，一些纳米材料展现出全新的物理性能、物理效应。新一代基于 这些新原理、新效应的纳机电器件呼之欲出。当器件的特征尺寸达到纳米量级，各种因为 尺度变小而产生的效应( 包括量子效应) 就会凸现出来，在机电结构中力电耦合更加显著， 纳米尺度的力学问题也会体现出新的特征和新的性能。纳机电器件的机理在于将在纳米尺 度的材料结构所展现的新效应新性能应用到机电系统中，进而突破常规器件的性能极限。 超晶格量予阱的概念是在1 9 7 0 年提出后，随着分予束外延( m b e ) 和金属有机化学汽 相沉积( m o c v d ) 技术及各种刻蚀技术的突破性进展，至今人们已经能够制造出各种各 样的超晶格量予阱材料。其中g a a s a i g a a s 类超晶格由于晶格匹配生长技术最为成熟。纳 中北大学学位论文 米尺度的超晶格量子阱将量子物理的研究从原子尺寸( 0 1 n m ) 扩宽到更大的尺寸( 1 0 n m ) ， 其电子的共振隧穿与微带输运显示了良好的电子工程应用价值。由于超晶格量子阱材料可 实现量子尺度效应，并且能够通过改变合金的比例、阱、垒宽度，实现控制半导体的能带 和物理特性，因此它是目前已经广泛成功应用的量子光电子器件的核心，如在量予阱激光 器，共振隧穿器件，光双稳器件，光电探测器和高电子迁移率晶体管等新型高性能的光电 子器件中。其中量子阱红外探测器和共振隧穿器件就是由能态改变形成电子的共振隧穿而 实现的。近来，介观压阻理论研究发现在满足一定的条件下，力场的作用同样可以影响或 引起量子共振隧穿，其原理可用于力学信号检测【5 “ 。如果能将超晶格薄膜集成于纳机电结 构中便可构成新型纳机电系统。本课题就是将共振隧穿二极管( r t d ) 超晶格薄膜材料应 用于加速度计中，利用r t d 的介观压阻效应来实现加速度的测量。 图1 2 超晶格薄膜微腔结构的示意图 2 中北大学学位论文 1 2 国内外研究的概况和发展趋势 1 2 1 纳机电器件发展概况 纳机电器件技术是纳米科学与技术的重要组成部分，是9 0 年代末、2 l 世纪初提出来 的一个新概念。纳机电器件是基于纳机电效应的、特征尺寸在0 1 一1 0 0 纳米的新型器件i 】3 。”j 。 该技术是研究纳米器件和构成微米纳米混合系统的重要基础技术。纳机电器件以 t o p d o w n 为丰要制造方式，结合b o t t o m u p 方式，以纳米机械制造为基础，构成纳机电传 感器、纳机电执行器及其组成的系统。它可实现利用现有技术难以实现的超高灵敏的传感 和探测，超高精细的执行和操纵，超高密度的存储和传输等等。 纳机电器件是在微机电系统( m e m s ) 技术的基础上发展起来的纳米科技的一个重要 方向。m e m s 从一开始就受到美国军方重视，得以迅速发展，从2 0 0 0 年起d a r p a 进而将 注意力瞄准纳机电器件，投入大量资金开展纳机电器件研究，预计纳机电器件将带来又一 次新的军事高科技革命。纳机电器件比m e m s 器件灵敏度可提高i 6 个量级，功耗减少 l 2 个量级。纳机电器件将产生新原理、新概念器件，将突破常规器件的性能极限，并将 实现超微型化和高功能密度化。纳机电器件既可以用于改造现役装备，又能够发展新一代 微型武器装备。因此，有必要研究和发展n e m s 器件。 5 0 年代末，著名的物理学家诺贝尔物理学奖获得者r f e y n m a n 曾指出，科学技 术发展的途径有两条，条是“自上而下( t o p d o w n ) ”的途径，另一条是“自下而上 ( b o t t o m u p ) ”的途径，这两种方法也同样可应用于n e m s 器件制造中旧。近几十年来的 主流是“自上而下”的微型化过程。如目前的m e m s 制造基本上采用这种方法。即采用光刻 刻蚀等微细加工方法，将大的材料割小，形成结构或器件，并与电路集成，实现系统微型 化。这种技术途径易于批量化和系统集成。 纳器件有两种制造途径。一是继续发展t o p d o w n 的途径，如采用电子束光刻已可达到 2 0n m 线宽。但该方法的限制是，尺寸愈小，成本愈高，偏差愈难维持。另一种为b o t t o m ：u p 的途径，是分子、原子组装技术的办法，即把具有特定理化性质的功能分子、原予，借助 3 中北大学学位论文 分子、原子内的作用力，精细地组成纳米尺度的分子线、膜和其它结构，再由纳米结构与 功能单元集成为微系统。这种制造技术反映了纳米技术的一种理念，即从原予和分子的层 次上设计、组装材料、器件和系统，是一种很有前途的制造技术，但目前还只是处于实验 室研究阶段。 与m e m s 工艺技术相比，n e m s 的研究涉及更广范围的材料和更高空间分辨率的制造 工艺，因此，纳米制造技术还处于发展阶段。要充分发挥t o p d o w n 和b o t t o m u p 的优势， 将两种途径结合使用是解决n e m s 制造的有效方法。如前面提到的分予电机，纳米桨片利 用了电予束蒸发、电子束刻蚀和各向同性腐蚀等技术，而装配则采用了自组装法。 纳机电器件优异的性能吸引了各国对n e m s 的重视，近来的一些国外的研究结果已经 展现出纳机电器件诱人的前景。例如u c b e r k e l e y 物理系的r i c h a r dp a c k a r d 教授领导的课 题小组于1 9 9 7 年首次发现了“量子声音”现象：当推动超流体通过微孔时，超流体会发生振 动。这种现象也被称作“超流体的量子干涉效应”，利用这一原理可制成超高精度的量子陀 螺仪。又如，g e r o g i a t e c h 物理系超低温原子物理研究组的m i c h a e lc h a p m a n 等人利用世界 上最小的原子存储环首次成功地实现了超冷中性原子的导引【9 “0 1 。还有美国的s v a t a n n i a 等人对共振隧穿效应进行了研究，在普通的隧道间隙间加入一个共振隧穿位移转换器，在 不减小灵敏度和隧道电流的情况下，可提高隧道间隙大约1 0 0 埃，这不仅大大减小了n e m s 系统制造和安装的难度，也给大幅度提高隧道效应传感器的灵敏度提供了可能；另外，一 维或准一维纳米结构( 如碳纳米管和纳米带) 具有超高的韧性、超高的强度和极灵敏的电 导特性。将其制成纳米悬臂梁，作为传感器件的敏感结构，可实现高灵敏度、低功耗检测。 美国c a l t e c h 的y a n g 、e k i n c i 等人首次研制了尺度为i o o n m 的s i c n e m s 谐振器件”】，具 有高频( g h z ) 、高q ( 数万到十几万) 、低驱动功率( 1 0 - 1 2 w ) 、低热噪声和高性噪比等 优点，可满足射频通信系统的要求。另外，美国康乃尔大学的m o n t e m a g n o 博士领导的一 个研究小组研制出一种生物分子电机f 1 ”。该电机由一个三磷酸腺苷酶分子( a t p ) 、一个金 属镍制成的桨片( 直径15 0 n m ，长7 5 0 n m ) 和一个金属镍柱体( 直径8 0 n m ，高2 0 0 n m ) 组 成，平均速度可达每秒钟4 8 转，运行时间长达4 0 分钟至2 5 小时。生物分予电机为进一 步研制有机或无机的智能纳系统创造了条件。再如美国乔治亚理工学院王中林教授等人利 4 中北大学学位论文 用多壁纳米碳管研制出纳谐振器，通过其共振频率的变化可称出3 0 f g ( 1 f g = l o 一1 5 9 ) 的碳 微粒的质量。这种渚振器可做为分子秤检测分子或细菌的质量。 ( a ) s i c 纳机电凿振器件( b ) 纳米粱谐振器 1 8 1 2 2g a a s 微器件发展概况 ( c ) 以碳纳米管为轴的n e m s 马达 图1 1 研制的纳机电器件图例 g a a s 是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；这就便 它在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占 有独特的优势，制作的各种各样的有源和无源光学器件使g a a s 基材料的光学和机械特性 能直接结合起来。近年来，g a a s 也被广泛应用于力学传感器，射频m e m s 及光学k 伍m s 器件等。在g a a s m e m s 领域，表面微机械加工技术、体微机械加工技术、腐蚀白停止 技术及选择性刻蚀技术等都被广泛采用 1 9 - 2 1 。利用离子注入及脉冲刻蚀技术，已成功制作 了十字桥薄膜结构、盘绕薄膜结构及锨褶薄膜结构，其中十字桥薄膜结构可用于制作红外 热电耦传感器、加速度计等，盘绕薄膜结构可用作射频m e m s 中电感器件，而皱褶薄膜结 5 中北大学学位论文 构由于其形变潜力大的优点，可以用于制作高灵敏度电容式声传感器，其s e m 图如图1 2 ( a c ) 所示圈： ( a ) 十字桥薄膜结构 f b ) 盘绕薄膜结构耻2 ( c ) 皱褶薄膜结构【2 2 】( d ) 2 岬厚的g a a s 悬臂梁和m e s f e t t 2 ” 图1 2 制作出的部分g a a s 基m e m s 结构 利用体微加工技术及腐蚀自停止技术，已成功制作了与g a a s 微波电路工艺兼容的悬 臂梁及m e s f e t ，可以实现g a a s 悬臂梁的热激励；其s e m 图如图j 2 ( d ) 所示【2 3 】。 另外，g a a s 基共振隧穿二极管( r t d ) 近年来也得到了很大的发展。共振隧穿二极管是 当前纳米电子学中最有希望的器件，它是一种基于量子隧穿效应的两端负阻器件。从江崎 和朱兆祥观测到双势垒量子阱结构的共振隧穿效应以来，对r t d 的研究已持续2 0 多年。 因为它具有速度快、频率高、低压低功耗的特点，特别是在完成同等功能时，所需器件数 大幅度下降，有利于减小芯片面积，使得它在微波振荡和高速数字电路两个方面有着广阔 的应用前景。 1 目前我们所见到过的报道，在常温下，r t d 的电流峰谷比( p v c r ) 以g a a s 为衬底可达 到7 6 ：1 1 3 ，实际制作的r t d 单管最高振荡频率已达7 1 2 g h z ，开关时间1 5 d s ，一些1 虱) 1 - 6 中北大学学位论文 的研究机构已经用r t d 制成了大规模集成电路。据了解国内共振隧穿器件除了少量的物理 模型方面的文章发表外，尚未见到实际工作r t d 单个器件研制成功的报道。 近期，研究者发现在外力的作用下，共振隧穿二极管将会产生电阻的变化，该现象被 称为介观压阻效应 8 】。介观压阻效应是通过以下四个物理过程来实现：即在力学信号作用 下，纳米带结构中的应力分布及变化规律：一定条件下应力变化引起内建电场的产生i 内 建电场将导致纳米带结构中量子能级发生变化；量子能级变化会引起共振隧穿电流变化。 简言之，在共振隧穿电压附近，通过上述四个物理过程，可将一个微弱力学信号转化为一 个较强的电学信号。 研究者还发现g a a s 基共振隧穿二极管的介观压阻效应其灵敏度有望比传统的硅微压 阻敏电阻提高二个数量级1 2 “。因为传统的硅压阻式传感器通常具有温度依赖性大和一致性 差等缺点。温度的依赖性大主要是因为硅压敏电阻是通过高掺杂制作的，载流予浓度高受 温度影响大，所以温度对硅压敏电阻的灵敏度影响很大。而共振隧穿二极管的量子阱的阱 层垒层均采用非掺杂材料，所以共振隧穿二极管载流子浓度受温度影响现对较小。硅压敏 材料一致性差也主要是由于掺杂浓度和掺杂尺寸不易精确控制引起的：而基于分子束外延 方法生长的共振隧穿二极管的薄膜结构一致性很高。硅压阻的这些缺点限制了硅压阻式传 感器的灵敏度，而g a a s 基共振隧穿二极管的介观压阻特性则有望突破硅压阻传感器灵敏 度的极限。 g a a s 材料的优越特性使它被用来制作更高性能的m e m s 器件成为可能，虽然g a a s 材料的机械强度比不上硅，但足够满足m e m s 的应用 2 6 】，所以有必要开展g a a s 基m e m s 的研究工作。 随着g a a s 半导体材料的发展，g a a s 基m e m s n e m s 器件也将成为人们研究的热点， 我们相信，在不久的将来，g a a s 基m e m s n e m s 器件将成为微器件的重要组成部分。 7 中北大学学位论文 1 2 3 微加速度计的发展概况与趋势 加速度计是一利t 应用十分广泛的惯性传感器之一汽车防撞气囊的启动就是用加速度 计控制的。当发生强烈碰撞时，汽车具有很大的与运动方向相反的加速度，加速度计感知到 此加速度后，发出电信号给控制系统，使气囊迅速弹出，保护乘车人的安全。另外，利用加速度 计还可以感知汽车的颠簸，通过调节汽车的悬挂系统，使汽车更加平稳舒适。此外，加速度计 也应用在轮船、飞机和航天器的导航中。传统机械加工方法制造的加速度计因体积大、质 量大、成本高，应用场合受到很大限制。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点： 体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等 2 8 - 2 9 】。它可以广泛地运用于航空航天、汽 车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。常见的微加速度计按敏感原理 的不同可以分为：压阻式、电容式、隧道效应式、共振式以及热敏式等 2 。 按检测方式，微加速度计有压阻式、电容式、隧道式、共振式、热形式等几种。 1 压阻式微加速度计 压阻式微加速度计是由悬臂梁和质量块以及布置在梁上的压阻组成，横粱和质量块常 为硅材料。当悬臂梁发生变形时，其固定端一侧变形量最大，故压阻薄膜材料就布置在悬臂梁 固定端一侧。当有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的 压阻膜也随之发生变形，其电阻值就会由于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压 值发生变化，从而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。压阻式 微加速度计是最早出现的微加速度计 ，其优点是：结构简单，芯片的制作相对容易，并且接 口电路易于实现。其缺点是：温度系数比较大，对温度比较敏感：和其他原理微加速度计相比， 其灵敏度比较低；蠕变和迟滞效应比较明显。 压阻式加速度计主要用于军用点火装置、航空航天中的飞行导航、作战时撞弹药和点 火控制、飞行动力测量、弹药运输振动监控、安全系统位移检测、机器人过程控制、汽车 力学研究、汽车停车控制、汽车刹车控制、汽车碰撞测试、前侧撞气囊系统、冲撞检测仪 器、工业震动仪器、机床监控、地球物理检监测、运动控制、计算机外围设备、医院病人 8 中北大学学位论文 的活动监控，其测量范围从士1 9 至l j m l 0 0 0 9 ，精度从0 1 到2 。 2 电容式微加速度计 电容式微加速度计是最常见的，也有成熟推广的产品。其基本原理就是将电容作为检测 接口，来检测由于惯性力作用导致惯性质量块发生的微位移。质量块由弹性微梁支撑连接在 基体上，检测电容的一个极板一般配置在运动的质量块上，一个极板配置在固定的基体上。图 1 3 所示为典型的三明治结构的平板电容式微加速度计，芯片中央是一个被悬置的敏感质 量块上、下电极与中间质量块的间隙相等。还有a d 公司开发的电容式微加速度计采用梳 齿阵列电容作为检测接口。 下电极 s i 质量块 玻璃 图1 3 电容式微加速度计示意图 电容式微加速度计的灵敏度高、噪音低、漂移小、结构简单、功耗极低，而且过载保护 能力较强；能够利用静电力实现反馈闭环控制，显著提高传感器的性能。在汽车安全气囊 系统和防涓系统获得广泛应用，其检测范围与准确度的性能指标分别为5 0 9 ( 重力加速度) ， 2 0 0 0 s 、5 0 0 m g 、1 0 。s 、1 0 0 。s 、i 。s ，安全气囊系统检测碰撞的微加速度计的检测范围为 a ：3 0 5 0 9 ，精度1 0 0 m g ，检测侧面碰撞大约为2 5 0 9 或5 0 0 9 ，防滑稳定系统的测量范围士2 9 ， 精度1 0 m g 。 3 扭摆式微加速度计 扭摆式微加速度计的敏感单元是不对称质量平板，通过扭转轴与基座相连，基座上表 面布置有固定电极，敏感平板下表面有相应的运动电极，形成检测电容( 如图1 4 ) 。当有加速 9 中北大学学位论文 度作用时，不对称平板在惯性力作用下，将发生绕扭转轴的转动刚。转动角与加速度成比 例关系，可用下式表示： m a l = k 0 ( 3 ) ( 式1 1 ) 式中，a 为输入加速度；l 为质量平板质心到支撑轴转动中心的距离；k 为支撑轴的扭 转刚度系数；0 为平板的扭转角。 图1 4 扭摆式微加速度计的结构 当质量平板发生偏移时，可以利用电容的静电力来调节平板的偏转角度，提高系统的 测量范围，改善系统的动态特性。其基本特点与电容式类似。 4 隧道式微加速度计 隧道效应就是平板电极和隧道针尖电极距离达到一定的条件，可以产生隧道电流。由 j g s i m m o n s 推导的隧道电流和针尖与下电极之间的距离关系可以描述为 3 2 - 3 4 1 ： 一 ，i m 。o o v i 。e x p ( 一十x ) ( 式1 2 ) 式中，v 。为施加在电极两端的电压；为有效势垒高度；x 为电极间隙：，m 为常数。 ：t u n n e ld e v i c e i 一_ ： ab ： i l 一掣! 二一- j l o 中北大学学位论文 这样可以看出，隧道电流与极板之间的间隙x 呈负指数关系。隧道式微加速度计常用悬 臂梁或者双端固支梁支撑惯性质量块，质量块在惯性力的作用下，位置将发生偏移，这个偏移 量直接影响到隧道电流的变化，通过检测隧道电流变化量来间接检测加速度值。系统的典型 结构示意图如图i 5 所示【j “。 隧道式微加速度计具有极高的灵敏度，易检测，线性度好，温漂小，抗干扰能力强，可靠性 高。但是由于隧道针尖制作比较复杂，所以其工艺比较困难。还有其他一些新型加速度计， 譬如基于热阻抗原理的热加速度计，也具有很好的实验结果。 微加速度计是武器装备所需的关键传感器之一，具有广阔的军事运用前景。国外已有文 献报道将微加速度计与微陀螺运用于远程制导弹药( e r g m ) 上 ” ，能有效改善弹药的战斗性 能，但目前大部分微加速度计的精度不高，不能适应军事装备发展的需求。 国内研制微加速度计的单位有：北京大学微电子所，清华大学、上海冶金所、电了信 息产业部十三所、信息产业部第四十九所，哈尔滨工业大学、中北大学等十多家单位，北 京大学微电子所研制的微机电加速度计样机指标为：量程：一1 9 + 1 9 灵敏度：3 v g 、线性 度：0 3 9 1 、分辨率：1 m g ；清华大学研制的加速度计样机指标为：量程：土1 0 9 灵敏度 o 4 v g 零轴稳定性2 + i o - 4 m g ；上海冶金所研制的微机电加速度计样机的指标如f ：量程：土0 叭 4 - 1 ：灵敏度：0 0 5 0 1 ；电子信息产业部十三所研制的样机指标如下：量程： 7 5 9 、 灵敏度：0 1 v g 、分辨率：1 m g 。 自1 9 7 7 年美国斯坦福大学首先利用微加工技术制作了一种开环微加速度计以来，国内 外开发出了各科，结构和原理的加速度计，国外一些公司已经实现了部分类型微加速度计的 产品化，例如美国a d 公司1 9 9 3 年就开始批量化生产基于平面工艺的电容式微加速度计。 相比之下国内的相关研究还存在很多问题，有很多共性难题没有解决。 ( 1 ) 微结构的振动质量比较小，产生的输出信号非常微弱，基本上与机械噪声以及电噪声 同数量级，因此弱电量检测以及噪声抑制成为提高加速度计性能的难题； ( 2 ) 微结构的迟滞和温漂是影响微加速度计精度的重要因素，如何改善结构减小迟滞效 应，采取措施降低温漂的影响，是微加速度计实用化的重要课题； ( 3 ) 微加速度计存在明显的横向干扰，如何采用合理的结构实现结构在各方向解耦，并且 中北大学学位论文 通过合理布置检测单元，实现对横向干扰的抑制，也是研究的重要内容； f 4 1 除了基于半导体平面工艺的特殊结构电容式加速度计成本较低，利于批量生产外 ( 例如a d 公司的微加速度计系列) ，其他原理的加速度计的制作成本相对较高，不利于批量 生产i 针对上述问题，国内外研究人员已经进行了充分的研究。也有学者采用在线温度补偿 技术，实现微加速度计温漂补偿。 同时微机电系统技术的进步和工艺水平的提高，也给微加速度计的发展带来了新的机 遇。通过了解国内外微加速度计的研究动态，分析其研究特点，总结出微加速度计以下几点发 展趋势： ( 1 ) 高分辨率和大量程的微硅加速度计成为研究的重点。由于惯性质量块比较小，所以 用来测量加速度和角速度的惯性力也相应比较小，系统的灵敏度相对较低，这样开发出高灵 敏度的加速度计显得尤为重要。无论是民用还是军事用途，精度高、量程大的微加速度计将 会大大拓宽其运用范围。 ( 2 ) 温漂小、迟滞效应小成为新的性能目标，选择合适的材料，采用合理的结构，以及应用 新的低成本温度补偿环节，能够大幅度提高微加速度计的精度。 ( 3 ) 多轴加速度计的开发成为新的方向。已经有文献报道开发出三轴口5 】微硅加速度计， 但是其性能离实用还有一段距离，多轴加速度计的解耦是结构设计中的难点。 ( 4 ) 将微加速度计表头和信号处理电路集成在单片基体上，也能够减小信号传输损耗，降 低电路噪声，抑制电路寄生电容的干扰。 ( 5 ) 选择合理的工艺手段，降低制作成本，为微加速度计批量化生产提供工艺路线；同时 标准化微机电系统工艺，为微加速度计投片生产提供一套利于操作、重复性好的工艺方法 也是微硅加速度计发展的重要方向。 1 2 中北大学学位论文 3 本课题的研究内容 本论文结合国家下达的课题( 9 7 3 项目) 任务要求，根据国内外的研究现状，进行了 g a a s 基共振隧穿压阻式加速度计的理论研究、g a a s 基微机械加速度计的结构设计、工艺 研究和实验测试。论文的主要研究内容包括以下四个大的方面： 1 加速度传感器的理论研究 ( 1 ) 介观压阻效应 ( 2 ) g a a s 基压阻式加速度计的传感机理 2 g a a s 基微机械加速度计的结构设计 ( 1 ) 共振隧穿薄膜二极管结构设计 ( 2 ) 加速度传感器的方案选择 ( 3 )悬臂梁加速度计的结构设计 3 g a a s 基微机械加速度计的工艺研究 ( 1 ) 化合物半导体的丰要工艺 ( 2 )加速度计的关键工艺 ( 3 )加速度计的版图设计及其工艺流程 4 实验测试 ( 1 ) r t d 加压特性测试 ( 2 )加速度测试 本论文根据以上的研究内容，最后一章总结全文，归纳出整个论文研究工作的成果及其 展望。 1 3 中北大学学位论文 2l 介观压阻效应 2 共振隧穿压阻式加速度计的理论基础 2 1 1 介观压阻效应理论【5 _ 8 在介观物理领域，若电子的平均自由程度大于样品的特征几何尺寸，电子的波动性质 就突现出来了。电予的行为可以用向类似光学那样的理论来描述，称之为电子光学。这为 研究复杂纳结构中的电了波动行为提供了理论依据。 超晶格的概念最初主要是为了寻找优良负微分电阻器件提出的。超晶格生长技术的成 熟，为电子的光学在纳电子器件方面的应用奠定了技术基础。数年来，超晶格多量子阱结 构的电学特性也达到了充分的体现与发展，其中电子的共振隧穿与微带输运显示了良好的 电子工程应用价值。在纳米电子器件的研究工程中，也非常需要单电子能量得到精确控制 的电子源。 以应变超晶格微为代表的纳米面线材料中的应力分析，已有相当的研究基础，其中内 建电场的产生与分布机理也多种多样，内建电场对纳结构的电子能态会产生比较大的影响， 而共振隧穿电流与电子能态有直接关系的。 介观压阻效应就是通过四个物理过程来实现的。原理上讲，在力学信号作用下，纳米 结构中的应力分布将发生变化：一定条件下应力变化可引起内建电场的产生；内建电场将 导致纳米带结构中量子能级发生变化；量子能级变化会引起共振隧穿电流变化。简言之， 在共振隧穿电压附近，通过上述四个物理过程，可将一个微弱力学信号转化为一个较强的 电学信号。下面简要的概述这四个物理过程： 1 超晶格多量子阱中的应力分析 多层结构中的应力分析方法多种多样，其中两种基本的方法是：完全相干生长与完全 不相干生长的立方晶系周期性超品格多量子阱中的应力分析。对于完全不相干情况，其四 1 4 中北大学学位论文 方形变可写作如下形式： a s = i 【p p ”】l ( 式2 1 ) 其中，t 为生长温度与室温之差；为室温下的热膨胀系数；卢”为公共膨胀系数。 扛3 a l v 4 4 c2 + c c 。o 一五，) + 3 c ! ( 1 3 m 3 r 3 ) 2 ( 式2 2 ) 其中，五。= ，；+ 埘；+ ；，c = c 。一c 1 2 2 c 。， = c ，c 己+ ( c c 。2 ) ( c 。+ c , 2x l 一五，) + c 2 ( c 。+ 2 c 。：+ c 。x 1 3 m ， ，) 2 对于完全相干生长立方晶系周期超晶格，其四方形变为 a s = ”一占1 = 手s ” ( 式2 3 ) 其中，s 4 为平面应变。 2 超晶格多量子阱中的压电场 纳结构中场产生内建电场的方法也有很多，如自发激化法、铁电机理法即压电效应法。 相对而言，人们对压电效应的研究与应用最为成熟与普遍，因此可以为可控内建电场产生 的首选。对于纳结构中压电场的描述，宏观理论仍是适用的，并为学术界认可。对于具有 压电特性的晶体，其压电极化强度与应变的关系为： 孚陪c ：+ 2 c 己乙) ( f 3 训( 舰4 ) 压电场仅在三个方向余弦，1 3 ，m ，和都不为零的生长方向上产生。 3 内建电场引起的价带阶 量子阱的阱宽有层厚确定。对于电子而言，阱深一般有相邻两层材料的导带底差决定。 对于空穴而言，阱深则由价带顶决定。压电场的存在导致方势阱发生倾斜与带价的产生。 如果分别用e b 与e w 代表势阱与势垒的价带的价带能，此处定义的价带阶e b - w = e b e 。 由压电场引起的价带阶增量a e b - w = a e b a e w ，其中a e b 与a e w 分别为由压电场引起的价 带能。一般而言，势阱( 垒) 两边的价带阶增量是不同的，是两个值，依赖于压电场的大 1 5 中北大学学位论文 小、层厚以及温度与压力。势阱两边的僵口 写为如r 彤式： i h i e l + h 2 e 2 a n d 0 e l p 2 _ 0 出日= e , t o l e l a n d h 2 e 2 ，e i p 2 _ 1 0 ；a 、b 分 别相当于周期性超晶格中的基本单元。上述结构的哈密顿两可写为 一篆箬+ 塾 c 趣， 当b 一) x b ，+ ) 时，y b z ，) = ，其他为零。v 。与b 分别是垒高与垒宽。与求 解周期性超晶格的过程类似，可以通过传输矩阵的方法，求解阱一垒边界处的电子反射与 投射系数。 ( 置 = m ，( ：= ： ，m ，= ( 瑟! z i c 式zs ， 其中 = ( ，笔等s m 汹) + c 础湎) p “) m , 2 = - i k 2 。+ 彬f 1 2 s i n n 油) 。其中印u e 嬲。表 示第i 条边界处的反射与透射振幅系数，由边界条件决定；女2 = 2 m ， 3 2 = 2 m ( u 一e 珞； 1 6 中北大学学位论文 u 与b 分别是垒高和垒宽：d 为一个单元的长度；s 表示复数共轭；整个系统的传递矩阵为： m 7 = 兀m ，= m m m ( 式2 9 ) 其中n 为势垒总数。电子的总反射几率与总投射几率之比为 亭= ) 。1 2 ( 姐1 0 ) 逻辑上讲，通过上述四个物理过程可以实现介观压阻效应，并预示了功能器件的小型 化、高灵敏度与多偏压选择性。 21 2r t d 的介观压阻效应及其优点 1 r t d 的隧穿机理 r t d 是一种超晶格结构，它的核心是纳米级薄层的宽带隙材料中夹着纳米级薄层窄带 隙材料【3 8 1 。从能带图上看，在导带上形成了两垒一阱的结构( o h 图2 1 所示) 。由量子力学可 知，在势阱中形成了分立能级，对一般隧穿而言，越过势垒的隧穿几率随势垒宽度的减少 成指数性增长；对共振隧穿而言，穿透几率还和阱中能级电子的能量和动量守恒有密切关 系。隧穿电子在整个隧穿过程中必须满足两个基本的条件：能量守恒和横向动量守恒。 鲫扯剀拈 1 7 中北大学学位论文 v o l 惝g cr 图2 1r t d 超晶格能带图及1 v 特性 从能带图上看，在导带上形成了两垒一阱的结构，两端是发射极与集电极。e o 是势 阱的第一量子化能级，e f 是发射极的费米能级，e c 为发射极导带底能级。 ( a ) 当没有偏压时： e 。e ，双势垒薄膜没有发生共振，通过双势垒的电流为零。 ( b ) x v j , r j ( 势垒薄膜加偏压后e 。 e 。 e f双势垒薄膜发生共振，随着偏压的增大，e o 不断减小透射几率增大，因而电流不断增大。 ( c ) 当e o = e 。，电流达到最大值。 ( d ) 随电压进一步增大，e 。 方向，获得的压阻系数为”i = ”1 = 0 0 2 ”一。，压阻系数”一n = 1 3 8 1 1 0 1 p a ，所以灵敏度可估算为： 4p 2 ( ”+ 叩i ) p = 2 o 0 2 _ 0 5 5 2 4 l o p a - 1 ( 式2 肥) 通过比较r t d 和硅的灵敏度，可得出r t d 压阻灵敏度比硅压阻灵敏度高一个数量级。 1 9 中北大学学位论文 3 ) 灵敏度随温度升高降低少 硅压阻一个主要缺点就是具有很强的温度依赖性，是由于重掺杂，含有高的载流子浓 d 度引起的，环境温度发生变化，压敏电阻中的自由载流予的平均自由程变化，导致的电阻 率变化，表2 1 显示了p 型和n 型硅的电阻温度系数( t c r ) 和灵敏度温度系数( t c p ) 与扩散浓度的关系。 表2 1 温度系数与扩散浓度的关系团1 扩散浓度 10 18 c m 一3 p -