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AlN压电薄膜制备及铰链式高量程加速度计研究

作　者: 范克彬
导　师: 熊斌
学　校: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: AlN薄膜正交设计微电子机械系统压阻式高量程
分类号: TH824.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

随着科技的发展，惯性传感器在工业应用中越来越得到广泛应用，比如应用于汽车防撞气囊的加速度计和导航系统的陀螺仪。微电子和微机械加工紧密结合的MEMS惯性传感器已经显示出巨大的生命力。本论文主要针对将用于声表面波陀螺的压电材料AlN薄膜的制备做了预研工作，同时也对一种铰链式高量程加速度传感器进行了设计，工艺制作，封装及测试。论文的前两章主要介绍了AlN薄膜的制备。第一章介绍了制作声表面波陀螺的动机以及AlN薄膜制备研究的进展及其应用。第二章首先简要介绍了反应性直流溅射的原理、声表面波原理，然后根据声表面波器件所要求的薄膜的特性，利用正交设计试验设计法直流磁控溅射制备AlN薄膜，并就溅射参数，如溅射气体总压强、衬底温度和N₂的浓度，对薄膜晶体结构和表面粗糙度的影响程度进行了讨论。最后我们得到了最佳的成膜期望条件，这为AlN薄膜在声表面波器件特别是声表面波陀螺上的应用打下了基础。论文的后四章主要介绍了一种铰链式高量程加速度传感器，该结构可使加速度传感器在保持一定灵敏度的情况下大大提高器件固有频率，从而在更宽的频带内真实地反映冲击过程的加速度波形。本部分主要对铰链式高量程加速度传感器的设计、工作原理、结构优化、工艺制作、封装和测试进行了研究。其中第四章详细论述了铰链式高量程加速度传感器的工作原理及其力学模型分析，并用ANSYS模拟验证了简化模型和改进模型的计算结果。最后由分析数据得出该加速度计的优化结构参数。在满量程为20000g下，优化得到的两组芯片的理论灵敏度为0.9和1.2μV／5V／g，仿真得到特征频率分别达577和494KHz。第五章详细论述了铰链式结构加速度传感器芯片的版图设计和制作工艺。第六章首先介绍了高量程加速度计的封装要求，据此选择了合适的封装材料。而后简要介绍了加速度器件的静态和动态测试方法。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
第一章绪论  7-13
  1.1 声表面波器件介绍  7-8
  1.2 研究动机  8-10
    1.2.1 声表面波陀螺研究意义  8-9
    1.2.2 声表面波器件研究  9-10
  1.3 ALN的晶体结构及特性  10-12
    1.3.1 AlN晶体结构  10
    1.3.2 AlN的材料特性及其应用  10-11
    1.3.3 目前关于AlN制备及性能研究工作与进展  11-12
  1.4 本部分的主要工作  12-13
第二章反应直流磁控溅射ALN薄膜及特性分析  13-31
  2.1 反应溅射原理  13-16
    2.1.1 辉光放电  13-14
    2.1.2 磁控溅射原理  14-15
    2.1.3 反应性溅射  15-16
  2.2 声表面波(SAW)原理  16-20
    2.2.1 压电效应  16-18
    2.2.2 表面声波概论  18-20
  2.3 制备ALN薄膜的正交实验设计  20-24
    2.3.1 正交实验介绍  20-22
    2.3.2 溅射参数的正交试验设计  22-24
  2.4 ALN薄膜特性分析  24-30
    2.4.1 AlN薄膜(002)择优取向的方差分析  24-27
    2.4.2 AlN薄膜的表面粗糙度方差分析  27-30
  2.5 本章小结  30-31
第三章加速度传感器简介  31-44
  3.1 MEMS(微电子机械系统)简介  31-33
  3.2 MEMS加速度传感器的工作原理  33-34
  3.3 MEMS加速度传感器的优点  34-35
  3.4 MEMS加速度传感器在国内外的发展  35-42
    3.4.1 压电式加速度传感器  36
    3.4.2 声表面波加速度传感器  36
    3.4.3 隧穿式加速度传感器  36-37
    3.4.4 电容式加速度传感器  37-39
    3.4.5 压阻式加速度传感器  39-42
  3.5 本章小结  42-44
第四章铰链式加速度传感器的工作原理及设计  44-66
  4.1 引言  44-45
  4.2 传感器的结构  45
  4.3 传感器的简化模型分析  45-48
    4.3.1 表面应力分析  47-48
  4.4 传感器的频率响应  48-50
    4.4.1 特征振动频率  48-49
    4.4.2 加速度计的阻尼设计  49-50
  4.5 加速度传感器的结构优化  50-52
    4.5.1 S·ω_0~2优值法设计  50-51
    4.5.2 最大应力法结构优化设计  51-52
  4.6 改进模型分析  52-58
    4.6.1 改进模型计算  52-54
    4.6.2 模型理论与仿真分析  54-58
  4.7 传感器的横向效应  58-61
  4.8 工艺误差对器件的影响  61-64
    4.8.1 光刻对准误差对器件性能的影响  61-63
    4.8.2 键合对准误差对器件性能的影响  63-64
  4.9 本章小结  64-66
第五章加速度传感器的工艺研究  66-78
  5.1 传感器基本工艺参数和工艺流程的确定  66-67
  5.2 加速度传感器的版图设计及制作工艺  67-73
    5.2.1 以干法刻蚀技术为主的工艺流程  67-70
    5.2.2 以湿法刻蚀技术为主的工艺流程  70-73
  5.3 工艺中的监控和测量  73-76
  5.4 流片中需要注意的问题  76-77
  5.5 本章小结  77-78
第六章高量程加速度传感器的封装与动静态测试方法  78-85
  6.1 封装中需注意的问题  78-79
  6.2 加速度传感器的静态特性测试方法  79-80
  6.3 加速度传感器的动态特性测试方法  80-84
  6.4 本章小结  84-85
第七章工作总结  85-87
参考文献  87-93
致谢  93-94
个人简历  94
硕士期间发表文章  94-95
学位论文独创性声明  95
学位论文使用授权声明  95

AlN压电薄膜制备及铰链式高量程加速度计研究

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