thesis一种新型微流量计的设计制备及力学分析

1、号 密级 UDC 编号 科学院研究生院一种新型微流量计的设计、及力学分析指导教师：研究员科学院力学研究所教授微学系申请学位级别学科专业名称 固体力学提交日期2003/06/18答辩日期 2003/07/13培养 科学院力学研究所 科学院研究生院学位授予 答辩委员会Design, Fabrication and Mechanical Analysisof a Novel MicroflowmeterDissertation submitted toAcademy of Sciencesin partial fulfillment of the requirements for the degre

2、e ofMaster of ScienceByJin QianSupervisor: Professor Ya-Pu Zhao (CAS)Co-supervisor: Professor Da-Cheng Zhang (Peking Univ.)指导教师签名 研究员科学院力学研究所教授微学系答辩委员会：教授工程力学系委员：院士科学院力学研究所方竞教授力学与工程科学系教授力学与工程科学系棼教授物理系副教授微学系曾研究员科学院力学研究所魏悦广研究员科学院力学研究所目录目录i 目录iii 摘要v Abstract1 绪论 第一章1.11.21.31 引言3 微型流量计的研究概况10 本文的主要工作第

3、二章 微流量计的设计、12和测试2.12.22.32.42.52.612 压阻式微流量计的工作原理 1517压压阻式微流量计的设计阻的体硅工艺及流程19工艺版图及功能说明 21微流量计的初步封装和测试 23本章小结第三章 微光谱仪在微结构27测量中的应用3.13.23.33.43.527散射理论和仪器29试样的准备谱线与的3134实验过程及结果39本章小结i目录40 微传感器及微致动器的材料筛选 第四章4.14.24.34.44.540 Index) 材料筛选的原则：效能因子(Performance 41 微传感器典型结构的效能因子 MEMS 44 微致动器典型结构的效能因子 51 材料性质数

4、据库54本章小结第五章 微机械系统中的残余555.15.25.35.45.55.6残余55 的起源56残余的测量薄膜残余的测量和60残余67 对微结构力学行为的影响应用 TFD 模型计算一级近似的残余73 梯度78本章小结第六章79 全文总结及展望附录 A附录 B单晶硅材料弹性82 的计算Stoney 公式的推导及8489 参考文献攻读学位期间发表的9697 致谢ii摘要摘要本文结合微机械系统(MEMS)中比较典型的一种微传感器微流量计的研究，分析了 MEMS 设计中几个普遍的问题，全文主要四部分的内容：第一部分，与微学系合作，研究了压阻式微流量计的结构形式与流道设计，进行了性能测试。压阻的位

5、置选择在悬臂结构的根部，这里可以得到最大的响应，压阻的通过对硅片进行硼掺杂完成，每个压阻的阻值约为 3.5千欧。每一传感器的四个压阻构造电桥，这样流体对传感器的作用就通过压阻产生电压输出。输出电压随流量的增大而增大，二者之间的函数通过将测试结果进行多项式拟合得到。初步测试结果表明，微流量计能够在预期分辨率下对0-10 L/min(升每分钟)的气体流量范围进造，整个工艺过程共需要 7 块掩膜版。量。该流量计由体硅微技术制第二部分，应用微光谱仪(Micro-Raman Spectroscopy)对一种微流量计结构进行局部测量。根据结构的载荷状况和边界条件，假设结构压阻区内为应力分布，并由此求得与谱

6、线移动之间的。同用有(ABAQUS v6.2)对结构进行了有分析，模拟得到的分布与实验值接近。这表明微光谱技术是一种精确的、无损的测量，它的空间分辨率可以达到 1 微米左右，所以非常适合进行微小结构局部的测量。第三部分，分析了微传感器和微致动器的材料筛选问题，这也是 MEMS 设计中普遍的问题之一。当前，大多数 MEMS 器件都选择硅作为主要材料，其主是： MEMS 技术最早是脱胎于集成电路工业的。但是，工艺技术的发展使要得 MEMS 的选材范围越来越大。这部分内容应用效能因子(Performance Index)的概念，多种典型 MEMS 结构提出了基于力学原理的选材原则。这些效能因子的归纳

7、，可以使 MEMS 设计者在设计早期方便迅速地进行材料筛选。第四部分，残余和它在厚度方向的梯度分布是薄膜最为重要的性质之一。这部分内容先概述了薄膜残余的起源、计算、测量以及对微结构的不利影响。然后，表面牺牲层工艺中出现的结构后在厚度方向产生弯曲的实验现iii摘要象，应用改进的 Thomas-Fermi-Dirac (TFD)理论求得残余在厚度方向一级近似的梯度分布，结果表明了和减小残余的几种途径。在这一模型中，薄膜材料与基底材料之间表面密度的差异是产生残余梯度的主要。：微流量计，体硅微技术，压阻效应，微光谱仪，测量，材料筛选，效能因子，微传感器，微致动器，薄膜，残余，残余梯度ivAbstrac

8、tAbstractThis thesis is mainly composed of four parts of contents:In the first part, micro piezoresistive flowmeters with four different types of sensing structures have been designed, fabricated and tested. Piezoresistors were located at the end of the sensors through P- diffusion, and their values

9、 were about 3.5 k. Wheatstone bridge was configured with the piezoresistors in order to measure the output response. The output voltage increases with increasing flow rate of air, obeying determined relationships. The testing results show that the sensors that are designed for measuring 10 L/min in

10、full operational range have desired sensitivities. The sensor chip is manufactured with bulk-micromachining technologies, requiring a set of seven masks.The second part describes the characterization of mechanical stress of a cleverstructure of the microflowmeters using Micro-Raman spectroscopy. In

11、order to obtain therelationship between the stress and the Raman shift, the mechanical stress in the structure was assumed to be uniaxial according to the applied loading and the boundary conditions.Also, the structure was med using finite element tools (ABAQUS v6.2). Theexperimental results agree w

12、ell to those predicted by the finite element simulation. It is concluded that Micro-Raman spectroscopy is an accurate, non-destructive technique with micrometer spatial resolution.The main content of the third part is on materials selection of microsensors and microactuators. Presently, most materia

13、ls used in MEMS devices belong to the silicon material system, which is the basis of the integrated circuit (IC) industry. However, new techniques are being explored and developed, and the opportunities for MEMS materials selection are getting broader. This part tries to apply “performance index” to

14、 select the material best suited to a given application, in the early stage of MEMS design. The selection is based on matching performance characteristics to the requirements. A series of performance indices are given to allow a wide range comparison of materials for several typical sensing and actu

15、ating structures, and a rapid identification of candidates for a given task.Residual stress and its gradient through the thickness are among the most importantproperties of as-deposited thin films. In the overview of the fourth part, the derivation ofvAbstractresidual stress in thin films is conside

16、red, and some measurements are introduced. The Stoneys formula and its extensions are discussed to calculate residual stress in thin films. Residual stress strongly affects the mechanical behaviors of microstructures, such asbuckling and adhesion of microbeams. Recently, a new mechanism based on a r

17、evisedThomas-Fermi-Dirac (TFD) mwas proposed for the origin of intrinsic stress in solidfilms, giving the first order approximation of the stress gradient. The electron densitydifference at the interface is taken as a dominating parameter inducing the stress. Thispart applies the TFD mto multi-layer

18、 case, which is a typical structure in MEMSdevices. The theoretical calculations suggest possibilities to control and reduce theresidual stress.Keywords:Microflowmeters, bulk-micromachining, piezoresistivity, Micro-Ramanspectroscopy,microsensors,stresscharacterization,materialsselection,performancei

19、ndex,microactuators, thin films, residual stress, residual stress gradientvi第一章 绪论第一章绪论1.1 引言微 机械系统(MEMS)的研究和发展兴起于二十世纪八十年代末，它是指将微机械和 IC (Integrate Circuit)集成在一起的可以完成某种特定功能的系统1。MEMS 的诞生和发展，是新的高技术产业生长点，被认为将导致二十一世纪一场新的产业2, 3。一方面，MEMS 技术对于业已成熟的微技术有很大程度的继承；另一方面，也对现有的技术和理论提出许多。图 1.1 MEMS 的尺度范围MEMS 也被称为微系统

20、，它与微器件在尺度上有相同的量级，范围从毫米到亚微米(图 1.1)。如图 1.2 所示，微系统中微传感器、微致动器、微处理器等功能组件，其中微传感器通过测量机械的、热的、生物的、化学的、磁的以及光学的现象来获取信号，由微处理器分析，进而由微致动器产生响应。与微系统的其它组件相比，微传感器是研究最为活跃、发展最为迅速、产业化最为的一个领域，它也在当前 MEMS的市场销售中占据大部分(如表1.1 所示)。微传感器对于微系统就如同感官对于人一样重要，近二十年以来，微传1第一章 绪论感器的研究已经取的很多成果，各种形式的微传感器、微陀螺仪、微度计、微生化传感器、微流量计层出不穷，并在各个领域有广泛的应

21、用。MEMS系统封装微传感器微处理器微致动器图 1.2MEMS 的功能组件表 1.1 MEMS1996 年市场销量和 2003 年(：百万)(System Planning Corporation Market Survey, 1999)前面已经提到，MEMS技术(Micromachining)是在微工艺基础上,逐步吸收融合其它技术而发展起来的，表 1.2 列出了几种常用的微技术及其性能比较4。其中，表面硅微技术和体硅微技术统称为硅基 MEMS 技术5，是当前 MEMS技术的两个主流，MEMS 器件中真正形成产业或即将投入大量生产的微度计、微陀螺仪和数字阵列等等，都是以硅基 MEMS 技术的。

22、2MEMS Devices and Applications19962003Inertial Measurement: Accelerometers and rate gyros350-540700-1400Microfluidics: Ink-jet printers, mass-flow sensors, bio-lab chips400-5003000-4450Optics: Optical switches, displays25-40440-950Pressure Measurement: Automotive, medical, industrial390-7601100-2150

23、RF Devices: Cell phone components, devices for radarNone40-120Other Devices: Microrelays, sensors, disk heads510-10501230-2470第一章 绪论表 1.2 常用 MEMS技术的比较4加州大学 Berkeley 分校的研究组首先完成，他表面硅微工艺体系由们在 1988 年的直径在 60-120 m 的硅微静电马达6标志着微机械系统领域的开端。表面硅微技术是把 MEMS 的“机械”部分沉积于硅晶体的薄膜之上，然后将薄膜作为牺牲层腐蚀掉，使机械部分局部与硅体分离而形成可动结构。目前

24、常用的结构材料为多晶硅，牺牲层材料有二氧化硅和磷硅酸等等。表面硅微工艺只能对表面进行，其结构几乎是没有厚度的。与表面硅微工艺相比，体硅微技术是三维的。它采用各性或同性腐蚀剂对硅体进行腐蚀，或者利用深反应离子刻蚀硅体，从而得到可动结构，传感器中常见的薄膜、桥、悬梁臂等结构大多要经过体硅腐蚀。其中最为常见的是湿法各向腐蚀，湿法腐蚀使用的腐蚀剂是强碱(如 KOH)。1.2 微型流量计的研究概况基于 MEMS工艺的微流量传感器是微机械系统(MEMS)传感器中重要的一种，按工作原理主要分为热式(thermal microflowmeters)和机械式(mechanicalmicroflowmeters)

25、两大类7。与传统流量计相比，它具有小、成本低、易于批量生产等优点，在工业上有着广泛的应用前景8, 9。从表 1.1 中数据可以看出，与流体相关的微器件将在未来的 MEMS 市场中占据最大的份额。3名称材料大批量生产的可能性易与 IC集成维数深度精度表面硅微技术多晶硅Si3N4等准 2几至 10m0.1mLIGA金属，陶瓷，31mm0.1m体硅微加工技术单晶硅金属31mm0.1m准 LIGA半导体金属2.5150m1m第一章 绪论巨大的市场潜力和需求大大促进了用于流体测量和的微器件的相关研究。1974 年，van Putten 等10了第一个基于硅微技术的流量传感器，这一器件的工作原理是基于热的

26、。20 世纪八十年代末到九十年代初，微流量传感器成为国际上许多研究组的重要研究方向之一，不同原理、不同结构、不同用途的微流量传感器也相继涌现。根据传感方式的不同，热式微流量计有以下两种主要类型：第一种称为风速计(anemometers)，上文提到的 van Putten 等制作的微流量计就属于这一类型。它通常一个或多个加热器，流体经过加热器时，会加快加热器散发热量的速度。风速计有两种工作模式：恒定功率和恒定温度。在恒定功率模式下，加热器的功率保持一定，通过测量流体作用下加热器的温度变化来反映流量；在恒定温度模式下，加热器的温度保持一定，通过测量流体作用下加热器的功率变化来反映流量。在传统工艺制

27、作的风速计中，加热器都采取热电阻丝来制作。在微系统技术中，加热器通过在基底上沉积薄膜来制得(如图 1.3 所示)。Hot filmFlow图 1.3在基底上的加热器11第二种称为量热器(calorimetric sensor)，它的基本原理是利用外热源对被测流体加热，根据由流体造成的温度场变化来反映流体的质量流量。量热器最为典型的结构如图 1.4 所示12。被测流体的流量Q 与加热器前后两端温度差DT 之间的是：Q =P(1.1)JrcpDT4第一章 绪论式中 P 为加热功率， J 为热功当量，为流体密度， c p 为被测流体的定压比热。T1T2Flowx图 1.4 量热器的工作原理12当流体

28、流量很小时，量热器的灵敏度要比风速计高；但是流量变大时，风速计在这一方面变得更具优势。热式微流量传感器有许多缺点，例如加热器与流体的绝缘问题、加热器的能量消耗、传感器响应时间较长等等13。PiezoresistorsFlow图 1.5 利用流体的粘滞力测量流量的结构14机械式微流量计则没有上述不足，它利用流体对传感元件的机械作用力来反映流体的流量。机械式微流量计有多种工作方式。Ng等研究者14于 1991 年了可动平板悬挂在四根微梁上的结构(如图 1.5 所示)，利用流体对可动平板的粘滞力来反映流体流量。他们采用键合和背腔腐蚀的体硅工艺，以便得到精确、较小的结构，整个结构的为 120 140

29、5 m3。当流体从图 1.5 所示的方向流过时，它对平板的粘滞力使得上游的压阻受到拉，而下游的压阻受到压应力，引起的压阻阻值变化通过电桥产生差分信号。这一微流量计对于粘滞力的5第一章 绪论分辨率为 0.1 mN。1995 年，Pan 15在与Analog Devices公司关于微流量计的合作研究中，采用了与Ng相似的原理，他用梳齿结构代替了图 1.5 中的可动平板，利用梳齿之间的电容变化来输出信号。由于梳齿结构比平板结构柔软，加上多个梳齿的使得电容变化比较显著，所以这一设计大大提高了传感器的灵敏度。图 1.6 利用流体中微涡轮的转速测量流量的结构16等16利用 LIGA 技术中的同步辐刻、微电

30、铸技术和微装配技术，制造了图 1.6 所示的微涡轮流量计，该流量计的工作原理是：微涡轮在流体的作用下旋转，其转速与管道内的平均流速成正比，所以利用光学测得的涡轮转速可以反映流体的流量。图中微涡轮的高度为 230 m，半径为 200 m，转轴的半径为 80m，在 30-6000 转/分钟的转速下能够平稳转动，经换算，对应的气体流量量程为0.9-180 L/min。Svedin 等17在 1997 年了利用流体升力(lift force)对结构的作用来反映流体流量的微流量计。如图 1.7，平板结构被倾斜地置于流场中，结构上下表面流速的不均衡产生差，由于结构中部被固定，上下表面差引起的弯矩将导致结构

31、内部变化，最大的发生在结构中部的固定轴处，这一变化通过6第一章 绪论预先的压阻产生信号输出。Svedin 等的研究发现，该流量计的输出与流速的平方成正比，并且，倾斜角在 20时，结构有最高的灵敏度。图 1.7 利用流体升力测量流量的结构17图 1.8 所示微流量计18的传感结构类似与压阻式微度计，流体对悬臂结构的作用相当于一个弯矩，这一作用导致结构根部的变化，位于根部的压阻将的变化转化为电信号进行输出。当流速很小时，作用在悬臂结构上的要是由流体的粘性引起的，这时作用力与流速成正比；当流速很大时，悬臂结构上下表面差导致的作用力成为流体对结构的主要作用力，此时作用力与流速的平方成正比。图 1.91

32、9和图 1.1020所示的微流量计的原理是：在层流条件道中的压降与流速成线性，所以流速可以通过测量不同两点的差得到，进而通过流速求出流量。在图 1.9 和 1.10 中，不同两点的分别通过压阻式计和电容式计来测得。7第一章 绪论FlowPiezoresistorSilicon clever图 1.8 利用流体的作用力测量流量的悬臂结构18Piezoresistive pressure sensorP1P2siliconinletoutlet图 1.9 利用压降与流量的测量流量的压阻式结构19Capacitive pressure sensorP1siliconP2inletoutlet图 1.

33、10 利用压降与流量的测量流量的电容式结构208substratesubstrate第一章 绪论加州理工学院(Caltech)的(Tai Y C)研究组21利用表面硅工艺，将前面图 1.3, 1.5 和 1.9 对应的三种微流量传感器集成在一块上，形成一个初步的微流量传感器阵列，这样可以集中不同原理的传感结构的优点。他们的研究结果显示，在层流范围内，三者中最为灵敏的是利用流体的粘滞力测量流量的结构(图1.5)。图意图。1.11(a)显示的是实现集成的表面工艺，图1.11(b) 是封装后的器件示(a)(b)图 1.11 微流量传感器阵列：(a)工艺；(b)封装后的器件21当前关于大量程微型流量计

34、的研究相对不足的现状，本文研究的微型气体流量计的预期量程为 0-10 L/min (升每分钟)，预期分辨率为 0.1 L/min。从灵敏度考虑，根据尺度律，电容式传感器的灵敏度为：k = DU = d h L-1(1.2)DFe lw9第一章 绪论式中DU 为电压变化量， DF 为外力变化量， d 为电容板之间的距离， 为介电常数， l , w , h 分别为结构的长，宽，高。压阻式传感器的灵敏度为：k = DRR = psl= 6p L-2(1.3)DFDFwh2式中 R 为电阻阻值， DR 电阻变化量，s 为， 为材料的压阻系数， DF , l , w ,h 的意义与(1.2)式相同。比较

35、 (1.2)和(1.3)式可以得到，测量同样量级的力，随着传感结构的减小，压阻式比电容式具有更高的灵敏度。所以，我们选择压阻式微流量计作为设计方案。确定微流量计设计方案之后，需要解决的是传感器结构的选材问题。我们知道，当前绝大多数 MEMS 器件由基于硅的材料体系制成，这一现状与 MEMS技术脱胎于集成电路工艺有关。随着 MEMS 工艺技术的不断发展，MEMS 器件的选材范围正在不断扩大。本文研究的压阻式微流量计，材料压阻效应的大小是器件灵敏度的决定因素，所以我们选择压阻效应最为显著的单晶硅作为制作传感器结构的材料，关于其它 MEMS 典型结构的材料筛选将在第四章详细讨论。接下来需要解决的是选

36、择工艺的问题。在硅基 MEMS 技术中，表面硅微结构几乎是没有厚度的，这不符合我们希望工艺只能对表面进行，其获得大量程器件的要求。另外，表面硅微工艺的牺牲层技术不可避免地导致结构中残余，这会大大影响到器件的成品率和可靠性22, 23。因此，我们选择体硅微工艺来获得较厚的结构，并实现较小的残余。关于表面硅微加工工艺中的残余以及残余梯度问题，本文将在第五章详细讨论。1.3 本文的主要工作本文内容除了对于一种大量程的压阻式微流量计的设计、和性能测试之外，还应用微光谱仪测量了器件压阻区的分布，并与有模拟的结果进行了对比。理论部分的主要工作是，MEMS 设计中的两个普遍的问题：材料筛选和残余梯度进行了分

37、析。全文共分为六章，主要内容安排如下：10第一章 绪论第一章：全文的绪论部分，简要说明了 MEMS 和微传感器的基本概念以及常用加工，了微流量计的研究概况和典型结构；第二章：了压阻式微流量计设计、和性能测试的全过程24；第三章：应用微光谱仪测量了一种微流量计结构压阻区的局部分布，并将所得的实验结果与有的模拟值进行了对比；第四章：对于 MEMS 设计中的材料筛选问题，几种微传感器和微致动器的典型结构，应用效能因子(Performance Index)的概念，给出了基于力学原理的评价原则25；第五章：综述残余的起源、测量和对微结构的不利影响，对于表面牺牲层的问题结构在厚度方向发生弯曲的现象，应用改

38、进的 TFD 方工艺中普遍法求得残余在薄膜厚度一级近似的梯度分布，并提出和减小残余应力的途径26, 27；第六章：总结全文，并对的工作提出几点建议。11第二章 微流量计的设计、和测试第二章微流量计的设计、和测试2.1 压阻式微流量计的工作原理FlowPiezoresistorSiclever图 2.1 压阻式微流量计的工作原理本文讨论的压阻式微流量计的基本原理如图 2.1 所示：当一个物浸入的流体中时，流体对结构主要有两种作用力，一种是由于物两侧差而引起的，假设流经结构的是均匀的，则由压差导致的作用力为13：Fp = C p r A V2(2.1)式中Cp 是一个关于物形状和的，为流体的密度，

39、 A 是物在流动的面积，V 是流体的平均流速。流体对结构的另一种作用力是由流体的粘性引起的，在层流的情况下，这一作用力的大小可由 Navier Stokes 方程求得13：Fs = Cs L V h(2.2)式中Cs 也是一个关于物几何形状的， L 为物的特征，V 是流体的平均流速， 是流体的绝对粘性系数。比较(2.1)和(2.2)式，可以看到这两种作用力的比是雷诺数(Reynolds number)的函数：当雷诺数较小时，由流体粘性引起的作用力是主要的，由压差导致的作用力与之相比可以忽略；相反，当雷诺数较大时，由压差导致的作用力成为流体对物的主要作用力。12第二章 微流量计的设计、和测试上述

40、两种作用力的方向都平行于方向，当物为悬臂结构时，它们对障碍物施加一个弯矩的作用，这样将会引起结构内部的变化。1856 年，英国物理学家 W. Thomson 首先发现了金属的压阻效应，并由 B.W. Bridgemen 于 1923 年进行了实验验证。与金属相比，单晶硅材料的压阻效应要明显得多，当材料内部应力发生改变时，硅体的电阻也会随之改变，所以，流体的可以通过结构的变形转化为电阻阻值的变化，这就是压阻式微流量计的工作原理。描述半导体材料压阻28：效应的表Drij= p ijkls kl(2.3)， Drij 是s kl 导致的材料式中p ijkl 为材料的四阶压阻系数电阻系数的变化量。，s

41、 kl 为对于单晶硅这样的立方晶体，压阻系数只三个分量，记为p 11 , p 12 , p 44 ，它们分别代表主晶轴坐标系下的纵向、横向及剪切压阻系数。表 2.1 总结了室温下 N 型硅和 P 型硅p 11 , p 12 , p 44 的实验值。从表中数据可以看出，对于N 型硅，p 44 值最小， p11 值最大，因而在计算时只取p11 和p12 ；对于 P 型硅，p 44远大于p11 和p12 ，因而在计算时只取p 44 。表 2.1 室温下 N 型硅和 P 型硅的压阻系数28当压阻取向不在主晶轴方向时，压阻系数需要通过坐标变换来计算。对于采用离子注入的、形状为长而窄的、任意取向的压阻条来

42、说28：DR = p s + p s(2.4)l lt tR其中 R 为压阻阻值， DR 为阻值的变化量， 是材料的压阻系数， s 是压阻处的应力，下标l 和t 分别表示纵向和横向(与压阻条长度方向相比)。(2.4)式中的系数p l 和p t 可通过p 11 , p 12 , p 44 导出：13晶体电阻率(cm)p 11(10-11 Pa-1)p12(10-11 Pa-1)p 44(10-11 Pa-1)N 型硅11.7-102.253.4-13.6P 型硅7.86.6-1.1138.1第二章 微流量计的设计、和测试(l m + l n + m n )p = p- 2(p- p- p)2 2

43、2 22 2(2.5a)l11111244111 11 1(l l + m m + n n )p = p+ (p- p- p)2 2222 2(2.5b)t121112441 2121 2式中(l1 , m1 , n1 )和(l2 , m2 , n2 )分别为压阻纵向和横向在主晶轴坐标系下的弦。在本文讨论的压阻式微流量计中，P 型压阻被在(100)硅片的110，纵弦分别为 (12 , 12 , 0) 和向和横向在主晶轴坐标系下 的(- 12 , 12 , 0) ，这样：p= 1 (p+ p+ p) = 71.810-11 Pa -1(2.6a)l , 1101112442p= 1 (p+ p- p) = -66.310-11 Pa -1(2.6b)