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新型体微机械工艺制造高性能加速度传感器的研究

作　者: 程保罗
导　师: 王跃林；李昕欣
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微电子机械系统 压阻式加速度传感器 灵敏度 加速度计自检 体硅微机械工艺 侧壁掺杂扩散 垂直绝缘条
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
下　载: 333次
引　用: 3次
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内容摘要


本论文研究了带有自检功能的同平面自限制侧壁压阻敏感加速度传感器的原理、设计、制作工艺和器件测试。为实现该加速度传感器，提出了一套新的体硅微机械工艺，使用普通硅片取代SOI硅片来制作器件。 围绕该加速度计的设计和新工艺验证，在总结分析已有工作的基础上，提出了有新颖特色的设计。传感器芯片由一对悬臂梁沿相反方向排列，敏感加速度方向和芯片同平面，使用悬臂梁刻蚀间隙作为过载保护。采用在深槽侧壁（悬臂梁弯曲的表面）制作压阻的方法，大大提高了加速度传感器的灵敏度。利用集成在加速度传感器上的静电驱动器，实现电自检测功能。 采用解析方法对器件的静态特性、振动阻尼特性、电自检测功能等参数进行了设计。器件的主要设计指标：S=1.10μV／3.3V／g，f0=98.8KHz，Q=50.6。该灵敏度比在硅上表面制作压阻的传统器件高近一倍。 采用普通硅片使用创新的体微机械工艺实现了器件的制作。该工艺包含深沟侧壁扩散+侧壁绝缘槽，使本器件的制作无须采用昂贵的SOI硅片，并且具有工艺流程简单易控、工艺成品率高、与VLSI工艺兼容以制作CMOS-MEMS等优点。 对器件进行了测试。本器件的几个关键测试，均和理论计算值吻合得相当好，验证了前面的设计： 1．半导体电学性能测试成功验证了新工艺的有效性； 2．当外加自检驱动交流电压Vdrive=-15±10cosω0t（V）频率等于谐振频率f0=96.4KHz时，双梁自检峰值输出7.02mV，Q值为74.3； 3．10000g冲击实验，可得器件灵敏度为0.972μV／3.3V／g。 本论文提出的新体硅工艺，除了可以制作这个加速度传感器，还有潜力成为MEMS体硅加工技术中的一项标准工艺，用以在许多场合使用普通硅片替代SOI硅片制作传感器与执行器。

全文目录


摘要  5-7
第一章 引言  7-21
  1.1 微电子机械系统  7-10
    1.1.1 微电子机械系统(MEMS)概述  7-8
    1.1.2 MEMS器件  8-9
    1.1.3 MEMS中用到的材料  9-10
  1.2 MEMS加工技术  10-16
    1.2.1 MEMS加工技术概述  10-13
      1.2.1.1 表面微机械加工技术  10-11
      1.2.1.2 体微机械加工技术  11-13
    1.2.2 制作高深宽比可动结构的体硅绝缘工艺  13-16
      1.2.2.1 使用SOI硅片  13-14
      1.2.2.2 SCREAM工艺  14-15
      1.2.2.3 SBM工艺  15-16
  1.3 微机械加速度计  16-20
    1.3.1 微机械加速度计原理概述  16-18
    1.3.2 压阻式微机械加速度计  18-19
    1.3.3 加速度计的自检  19-20
  1.4 本论文主要内容  20-21
第二章 加速度传感器设计原理  21-35
  2.1 本文设计的加速度传感器介绍  21-23
    2.1.1 带有自检驱动功能的侧壁压阻敏感加速度传感器  21
    2.1.2 加速度计结构介绍  21-23
  2.2 器件特性分析  23-28
    2.2.1 传感器受加速度作用下的压阻灵敏度分析  23-25
    2.2.2 侧壁压阻分析及设计  25-26
    2.2.3 传感器电路分析  26-27
    2.2.4 悬臂梁振动及阻尼特性分析  27-28
  2.3 自检驱动分析  28-33
    2.3.1 自检驱动的传感器电路  29-30
    2.3.2 直流电驱动分析  30-31
    2.3.3 交流电驱动分析  31-33
  2.4 设计结果  33-35
    2.4.1 工作指标  33-34
    2.4.2 自检性能  34-35
第三章 制作工艺研究  35-49
  3.1 关键工艺研究  35-39
    3.1.1 深槽侧壁绝缘工艺的原理及可行性研究  35-37
    3.1.2 侧壁扩散工艺的研究  37-39
  3.2 单步工艺参数的选择和研究  39-43
    3.2.1 硅片和掺杂的基本参数  39
    3.2.2 氧化和扩散的工艺参数  39-41
    3.2.3 湿法腐蚀的工艺参数  41-42
    3.2.4 干法腐蚀的工艺参数  42
    3.2.5 光刻的工艺参数  42-43
    3.2.6 LPCVD的工艺参数  43
  3.3 器件制作完整工艺流程  43-46
  3.4 制作结果(实物照片)  46-49
第四章 器件测试  49-56
  4.1 半导体电学性能测试  49-50
  4.2 电自检测实验  50-53
    4.2.1 直流驱动自检(静态测试)  50-51
    4.2.2 交流驱动自检(动态测试)  51-52
    4.2.3 自检测试结论  52-53
  4.3 加速度实验  53-56
    4.3.1 自由杆冲击测试器件灵敏度原理  53-55
    4.3.2 自由杆加速度冲击实验结果  55-56
第五章 总结与展望  56-58
参考文献  58-61
致谢  61-62
个人简历及成果清单  62

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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