《微加速度传感器》PPT课件.ppt

微加速度传感器micro-accelerometer,主要内容,微加速度传感器的简介,微加速度传感器的概况微加速度传感器的原理微加速度传感器的关键技术,微加速度传感器的概况,微电子机械系统(MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科，它以微电子及机械加工技术为依托，范围涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科，是一个新兴的、多学科交叉、多技术融合的高科技领域。,微加速度传感器的概况,基于MEMS技术的微型传感器是微机电系统研究中最具活力与现实意义的领域。微加速度传感器作为微传感器的重要分支一直是热门的研究课题。采用微机电技术制造的微加速度传感器在寿命、可靠性、成本、体积和重量等方面都要大大优于常规的加速度传感器，使得其无论在民用领域，还是在军用领域都有着广泛的应用。在军用上可用于各种飞行装置的加速度测量、振动测量、冲击测量，尤其在武器系统的精确制导系统、弹药的安全系统、弹药的点火控制系统有着极其广泛的应用前景。,微加速度传感器的原理,惯性式加速度传感器的力学模型如下图所示。,微加速度传感器的原理,微加速度传感器的原理,微加速度传感器的关键技术,微加速度传感器的关键技术,信号处理,由于硅微加速度传感器的加工采用了与集成电路工艺兼容的制造工艺，将传感元件和信号处理电路集成在同一器件上，制造出“灵巧”传感器，使传感器的性能大大提高，给传感器的使用带来了极大的方便。将来的发展方向是除具有总合的上述功能外，还应有信号开关、信号滤波、信号处理、数据转换、存储和通讯等功能。,频率响应,频率响应范围窄是现有的硅微传感器中存在的一个重要问题。在硅微压阻式加速度传感器中要扩大传感器的频响范围，就必须提高梁的刚度或减小惯性质量，这就会使传感器的灵敏度下降，而在其它传感方式(如电容式、力平衡式和热加速度传感器等)中，除上述原因外，传感方式本身限制了传感器的频响范围。因此，改善频率响应特性是硅微加速度传感器中的一个重要课题。,封装和阻尼,对微加速度传感器的封装的主要要求有:要使敏感元件免受安装带来的应力影响;当温度变化时，不会因封装材料与制造敏感元件的材料热膨胀系数不同而产生应力;应具有保护作用，防止敏感元件在受冲击时损坏;使敏感元件免受使用环境的污染和腐蚀;提供可靠的引线方式;通过一定的手段获得临界阻尼，以得到最好的频响特性。,横向灵敏度,由于大多数的硅微加速度传感器所采用的结构的惯性质量块的中心不在支撑梁的中心面上，所以硅微加速度传感器中普遍存在横向灵敏度高的问题，这也是硅微加速度传感器研究中的一个重要方向。,微加速度传感器的分类及特点,微加速度传感器可通过其加工技术、控制系统类型、敏感机理来分类。,加工技术,体加工,表面加工,微加速度传感器的分类及特点,微加速度传感器的分类及特点,根据敏感机理，可以分为：微型压阻式加速度传感器微型电容式加速度传感器微型热电耦式加速度传感器微型谐振式加速度传感器硅微光波导加速度传感器隧道电流式微加速度传感器微机械压电加速度传感器真空微电子式加速度传感器力平衡式微机械加速度传感器,典型微加速度传感器的制造工艺,硅微压阻式加速度传感器的工艺过程孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程硅四层键合的高对称电容式加速度传感器的工艺过程硅微电容式加速度传感器的工艺过程差分电容式微加速度传感器工艺流程,硅微压阻式加速度传感器的工艺过程,传感器芯片制作工艺过程：a.离子注入b.外延单晶硅层c.硼离子注入d.一次光刻e.反刻压阻f.二次光刻g.溅射h.三次光刻i.键合引线j.ICP二次刻蚀k.沉积l.抛光、划片,硅微压阻式加速度传感器的工艺过程,硅微压阻式加速度传感器的工艺过程,下层SOI基底的制作方法：离子注入：同样采取氧离子注入，获SiO2隔离层，同时SiO2层的存在也可充当保护敏感元件工作的隔热层；外延单晶硅层：再用LPCVD技术在上层硅片上沉淀一定厚度的单晶硅层作为加工层；光刻：在SOI基底上光刻凹槽图样；各向异性自停止刻蚀凹槽：将光刻后的硅片进行各向异性腐蚀，进行到SiO2层上表面时，腐蚀自停止，得到需要的凹槽；LPCVD法生长抗冲击限位块：最后在凹槽内沉淀一个抗冲击限位块。,硅微压阻式加速度传感器的工艺过程,孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程,孔缝悬臂梁压阻式加速度传惑器为小量程传感器，量程为O5g，灵敏度设计为0.1mV(m/s2)6mV(m/s2)，因此采用悬臂梁结构较为合适。为了获得高灵敏度，除了使梁的厚度尽可能小之外，还采用了基于应力集中的悬臂梁设计方案。传感器采用三明治结构，由上下盖板和中间芯片梁质量块结构三部分组成。,孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程,关键工艺研究：压阻的形成KOH湿法腐蚀ICP刻蚀键合工艺,孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程,工艺流程设计：上盖板：备片氧化RIE刻蚀刻蚀腐蚀槽KOH腐蚀槽深氧化RIE刻蚀过载保护KOH二次槽深腐蚀,孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程,梁质量块结构制作工艺：1.备片2.硅片氧化3.RIE刻蚀4.正面扩硼5.二次氧化6.RIE刻蚀7.正面扩浓硼8.三次氧化9.RIE刻蚀10.ICP刻蚀11.四次氧化12.PEVCD正面淀积Si3N413.RIE刻蚀14.ICP刻蚀15.RIE刻蚀16.蒸金17.腐蚀金18.RIE刻蚀19.ICP刻蚀20.硅玻璃键合21.硅硅键合22.划片封装,孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程,LCC20型陶深腔瓷管壳单芯片封装的过程为：管芯分选管芯质量检验(压阻测试，方块电阻测试等)用导电肢将管芯贴装至管壳中固化2小时压焊38m的金线进行内引线键合封装前质量检验管壳封盖封盖后质量检验测试（线路导通测试）,硅四层键合的高对称电容式加速度传感器的工艺过程,首先分别制作4层硅片。其中，对于质量块上层和质量块下层，先分别用KOH腐蚀出23m的电容间隙，然后从背面使用KOH腐蚀至剩余40m。对于上下极板，将其氧化2m构成绝缘层，然后用BOE在对应于电容间隙的位置腐蚀出防撞凸点，见下图(a)。采用硅硅直接键合的方法键合上、下质量块层，见下图(b)。用DRIE释放下层梁，见下图(c)。在下电极上制作01m厚的硼硅玻璃层，然后将质量块层与下电极进行玻璃软化键合，见下图(d)。用DRIE释放上层梁，然后在真空条件下键合上电极，方法与下电极相同，从而实现了圆片级真空封装，见下图(e)和(f)。用KOH腐蚀穿上电极的引线窗，漂去表面的SiO2后对硅片的上、下面蒸铝，获得引线电极，见下图(g)。,硅四层键合的高对称电容式加速度传感器的工艺过程,硅微电容式加速度传感器的工艺过程,玻璃是传感器的一个电极，又是传感器的衬底。玻璃清洗烘干后光刻图形，用BHF液腐蚀出凹槽，如图（a）所示。玻璃凹槽内的电极采用磁控溅射的方法实现。硅晶片制作传感器的硼硅膜，同时又制作质量块。先在硅片的两面氧化出氧化层，利用Carsuss光刻机双面光刻相应的图形，该图形是为了得到质量块而设计的削角补偿图，如图（b）俯视图所示。把溅射好电极的玻璃和硼扩腐蚀过的硅片进行静电键合。键合后如图（c）所示。最后用自停止腐蚀法去掉轻掺杂层与单晶硅，得到重掺杂层的硼硅膜及质量块，如图（d）所示。硅膜片再次光刻出梁结构图形，用等离子刻蚀机进行刻蚀，刻蚀气体为SF6，刻蚀后如图（e）所示。引线和封装，引线后在一分钱硬币为背景时，整个器件如图（f）所示。,硅微电容式加速度传感器的工艺过程,差分电容式微加速度传感器工艺流程,采用P型（100）晶向的双面抛光硅片，进行标准RCA清洗，用稀释HF溶液点浸。在双面抛光硅片上热氧化生长氧化层。双面对准光刻形成台阶掩膜图形并划片标记。对硅片两面的台阶区域进行各向异性腐蚀，形成台阶。在形成台阶的硅片两面热氧化生长氧化层。对硅片进行双面对准光刻，形成质量块和梁区的掩膜图形。对形成掩膜后的硅片两面进行各向异性腐蚀。双面腐蚀除去梁上的氧化层掩膜。对硅片两面进行无掩膜的各向异性腐蚀，当梁和质量块周围的穿通区完全腐蚀穿通时，表面上的梁同时被腐蚀下沉至质量块的中平面附近而形成对称梁。,差分电容式微加速度传感器工艺流程,双面光刻去除硅片两面的掩膜。改用等离子体干法刻蚀同时减薄硅片的质量块及梁区。选用固态硼扩散源，对硅片两面进行硼扩散，作为动极板电极。将7740（Pyrex）玻璃作为微传感器的定极板，并在玻璃上做电容器的电极。将玻璃做标准清洗后烘干一个小时后双面涂胶，并在玻璃上与动极板电极对称的位置上光刻电极图形。采用磁控溅射工