微加速度传感器.ppt

LOGO微加速度传感器micro-accelerometer主要内容主要内容微加速度传感器的简介微加速度传感器的简介1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2典型微加速度传感器的制造工艺典型微加速度传感器的制造工艺3微加速度传感器的发展趋势微加速度传感器的发展趋势4微加速度传感器的简介微加速度传感器的简介l微加速度传感器的概况微加速度传感器的概况l微加速度传感器的原理微加速度传感器的原理l微加速度传感器的关键技术微加速度传感器的关键技术微加速度传感器的概况微加速度传感器的概况 微电子机械系统微电子机械系统(MEMS)(MEMS)是在微电子技术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，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、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兴的、多学科交叉、多技术融合的高科技领域域。微加速度传感器的概况微加速度传感器的概况基于基于MEMSMEMS技术的微型传感器是微机电系统研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。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、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。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信号处理信号处理信号处理横向灵敏度横向灵敏度横向灵敏度横向灵敏度频率响应频率响应频率响应频率响应封装和阻尼封装和阻尼封装和阻尼封装和阻尼信号处理信号处理由于硅微加速度传感器的加工采用了与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集成电路工艺兼容的制造工艺，将传感元件将传感元件和信号处理电路集成在同一器件上和信号处理电路集成在同一器件上，制造出制造出“灵巧灵巧”传感器传感器，使传感器的性能大大提高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发展方向是除具有总合的上述功能外，还应还应有信号开关、信号滤波、信号处理、数据转有信号开关、信号滤波、信号处理、数据转换、存储和通讯等功能。换、存储和通讯等功能。频率响应频率响应频率响应范围窄是现有的硅微传感器中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传感器中要扩大传感器的频响范围，就必须就必须提高梁的刚度或减小惯性质量提高梁的刚度或减小惯性质量，这就会使传这就会使传感器的灵敏度下降感器的灵敏度下降，而在其它传感方式而在其它传感方式(如电如电容式、力平衡式和热加速度传感器等容式、力平衡式和热加速度传感器等)中中，除除上述原因外上述原因外，传感方式本身限制了传感器的传感方式本身限制了传感器的频响范围。因此频响范围。因此，改善频率响应特性是硅微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。加速度传感器中的一个重要课题。封装和阻尼封装和阻尼对微加速度传感器的封装的主要要求有对微加速度传感器的封装的主要要求有:l要使敏感元件免受安装带来的应力影响要使敏感元件免受安装带来的应力影响;l当温度变化时当温度变化时，不会因封装材料与制造敏感元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件的材料热膨胀系数不同而产生应力;l应具有保护作用应具有保护作用，防止敏感元件在受冲击时损防止敏感元件在受冲击时损坏坏;l使敏感元件免受使用环境的污染和腐蚀使敏感元件免受使用环境的污染和腐蚀;l提供可靠的引线方式提供可靠的引线方式;l通过一定的手段获得临界阻尼通过一定的手段获得临界阻尼，以得到最好的以得到最好的频响特性。频响特性。横向灵敏度横向灵敏度 由于大多数的硅微加速度传感器所采用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的结构的惯性质量块的中心不在支撑梁的中心面上心面上，所以硅微加速度传感器中普遍存在所以硅微加速度传感器中普遍存在横向灵敏度高的问题横向灵敏度高的问题，这也是硅微加速度传这也是硅微加速度传感器研究中的一个重要方向。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的分类及特点微加速度传感器可通过其加工技术、控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。制系统类型、敏感机理来分类。加工加工技术技术体加工体加工表面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开环式：结构上没开环式：结构上没有反馈控制端，质有反馈控制端，质量块不会自动回到量块不会自动回到平衡位置（除非外平衡位置（除非外加的加速度停止作加的加速度停止作用）。用）。控制系统类型控制系统类型闭环式：结构上有闭环式：结构上有力反馈控制端，用力反馈控制端，用来把检测电路输出来把检测电路输出的电学量转变成静的电学量转变成静电引力，从而使质电引力，从而使质量块重新回到平衡量块重新回到平衡位置。位置。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：根据敏感机理，可以分为：v微型压阻式加速度传感器微型压阻式加速度传感器v微型电容式加速度传感器微型电容式加速度传感器v微型热电耦式加速度传感器微型热电耦式加速度传感器v微型谐振式加速度传感器微型谐振式加速度传感器v硅微光波导加速度传感器硅微光波导加速度传感器v隧道电流式微加速度传感器隧道电流式微加速度传感器v微机械压电加速度传感器微机械压电加速度传感器v真空微电子式加速度传感器真空微电子式加速度传感器v力平衡式微机械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典型微加速度传感器的制造工艺v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v孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程艺过程v硅四层键合的高对称电容式加速度传感器硅四层键合的高对称电容式加速度传感器的工艺过程的工艺过程v硅微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v差分电容式微加速度传感器工艺流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传感器芯片制作工艺过程：a.a.离子注入离子注入 b.b.外延单晶硅层外延单晶硅层c.c.硼离子注入硼离子注入 d.d.一次光刻一次光刻e.e.反刻压阻反刻压阻 f.f.二次光刻二次光刻g.g.溅射溅射 h.h.三次光刻三次光刻i.i.键合引线键合引线 j.ICP j.ICP二次刻蚀二次刻蚀k.k.沉积沉积 l.l.抛光、划片抛光、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下层SOISOI基底的制作方法基底的制作方法：a.a.离子注入：同样采取氧离子注入，获离子注入：同样采取氧离子注入，获SiOSiO2 2隔离层，同时隔离层，同时SiOSiO2 2层的存在也可充当保护敏感元件工作的隔热层；层的存在也可充当保护敏感元件工作的隔热层；b.b.外延单晶硅层：再用外延单晶硅层：再用LPCVDLPCVD技术在上层硅片上沉淀一定厚技术在上层硅片上沉淀一定厚度的单晶硅层作为加工层；度的单晶硅层作为加工层；c.c.光刻：在光刻：在SOISOI基底上光刻凹槽图样；基底上光刻凹槽图样；d.d.各向异性自停止刻蚀凹槽：将光刻后的硅片进行各向异性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，进行到腐蚀，进行到SiOSiO2 2层上表面时，腐蚀自停止，得到需要的凹层上表面时，腐蚀自停止，得到需要的凹槽；槽；e.e.LPCVDLPCVD法生长抗冲击限位块：最后在凹槽内沉淀一个抗冲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。击限位块。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孔缝悬臂梁压阻式加速度传惑器为小量程传感器，量程为器，量程为O O5g5g，灵敏度设计为，灵敏度设计为0.1mV0.1mV(m/s(m/s2 2)6mV6mV(m/s(m/s2 2)，因此采用悬臂梁结构较为合适。为了，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采用了基于应力集中的悬臂梁设计方案。传感器采传感器采用三明治结构，由上下盖板和中间芯片梁用三明治结构，由上下盖板和中间芯片梁质量块质量块结构三部分组成结构三部分组成。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关键工艺研究：n压阻的形成压阻的形成nKOHKOH湿法腐蚀湿法腐蚀nICPICP刻蚀刻蚀n键合工艺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：工艺流程设计：上盖板上盖板：1.1.备片备片2.2.氧化氧化3.3.RIERIE刻蚀刻蚀腐蚀槽刻蚀刻蚀腐蚀槽4.4.KOHKOH腐蚀槽深腐蚀槽深5.5.氧化氧化6.6.RIERIE刻蚀过载保护刻蚀过载保护7.7.KOHKOH二次槽二次槽深深腐蚀腐蚀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硅微加速度传感器的工艺过程梁梁质量块结构制作工艺质量块结构制作工艺：1.1.备片备片 2.2.硅片氧化硅片氧化3.RIE3.RIE刻蚀刻蚀 4.4.正面扩硼正面扩硼5.5.二次氧化二次氧化 6.RIE 6.RIE刻蚀刻蚀7.7.正面扩浓硼正面扩浓硼 8.8.三次氧化三次氧化9.RIE9.RIE刻蚀刻蚀 10.ICP 10.ICP刻蚀刻蚀11.11.四次氧化四次氧化 12.PEVCD 12.PEVCD正面淀积正面淀积SiSi3 3N N4 413.RIE13.RIE刻蚀刻蚀 14.ICP 14.ICP刻蚀刻蚀15.RIE15.RIE刻蚀刻蚀 16.16.蒸金蒸金17.17.腐蚀金腐蚀金 18.RIE 18.RIE刻蚀刻蚀19.ICP19.ICP刻蚀刻蚀 20.20.硅硅玻璃键合玻璃键合21.21.硅硅硅键合硅键合 22.22.划片封装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孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工艺过程LCC20LCC20型陶深型陶深腔瓷管腔瓷管壳单芯片封装的过程为壳单芯片封装的过程为：管芯分选管芯分选管芯质量检验管芯质量检验(压阻测试，方块电阻测试等压阻测试，方块电阻测试等)用导电肢将管芯贴装至管壳中用导电肢将管芯贴装至管壳中固化固化2 2小时小时压焊压焊3838m m的金线进行内引线键合的金线进行内引线键合封装前质量检验封装前质量检验管壳封盖管壳封盖封盖后质量检验封盖后质量检验测试（线路导通测试）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硅四层键合的高对称电容式加速度传感器的工艺过程v首先分别制作首先分别制作4 4层硅片。其中，对于质量块上层和质量块下层，先层硅片。其中，对于质量块上层和质量块下层，先分别用分别用KOHKOH腐蚀出腐蚀出2 23 3m m的电容间隙，然后从背面使用的电容间隙，然后从背面使用KOHKOH腐蚀至腐蚀至剩余剩余4040m m。对于上下极板，将其氧化。对于上下极板，将其氧化2 2m m构成绝缘层，然后用构成绝缘层，然后用BOEBOE在对应于电容间隙的位置腐蚀出防撞凸点，见在对应于电容间隙的位置腐蚀出防撞凸点，见下下图图(a)(a)。v采用硅采用硅硅直接键合的方法键合上、下质量块层，见硅直接键合的方法键合上、下质量块层，见下下图图(b)(b)。v用用DRIEDRIE释放下层梁，见释放下层梁，见下下图图(c)(c)。v在下电极上制作在下电极上制作0 01 1m m厚的硼硅玻璃层，然后将质量块层与下电厚的硼硅玻璃层，然后将质量块层与下电极进行玻璃软化键合，见极进行玻璃软化键合，见下下图图(d)(d)。v用用DRIEDRIE释放上层梁，然后在真空条件下键合上电极，方法与下电释放上层梁，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，见极相同，从而实现了圆片级真空封装，见下下图图(e)(e)和和(f)(f)。v用用KOHKOH腐蚀穿上电极的引线窗，漂去表面的腐蚀穿上电极的引线窗，漂去表面的SiOSiO2 2后对硅片的上、下后对硅片的上、下面蒸铝，获得引线电极，见面蒸铝，获得引线电极，见下下图图(g)(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硅微电容式加速度传感器的工艺过程v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，用图形，用BHFBHF液腐蚀出凹槽，如图（液腐蚀出凹槽，如图（a a）所示。玻璃凹槽内的电极采用）所示。玻璃凹槽内的电极采用磁控溅射的方法实现。磁控溅射的方法实现。v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，利用化出氧化层，利用CarsussCarsuss光刻机双面光刻相应的图形，该图形是为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（了得到质量块而设计的削角补偿图，如图（b b）俯视图所示。）俯视图所示。v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 c）所示。）所示。v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（及质量块，如图（d d）所示。）所示。v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，刻蚀气体为为SFSF6 6，刻蚀后如图（，刻蚀后如图（e e）所示。）所示。v引线和封装，引线后在一分钱硬币为背景时，整个器件如图（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 f）所）所示示。硅微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差分电容式微加速度传感器工艺流程1.1.采用采用P P型（型（100100）晶向的双面抛光硅片，进行标准）晶向的双面抛光硅片，进行标准RCARCA清洗，用稀释清洗，用稀释HFHF溶液点浸。溶液点浸。2.2.在双面抛光硅片上热氧化生长氧化层。在双面抛光硅片上热氧化生长氧化层。3.3.双面对准光刻形成台阶掩膜图形并划片标记。双面对准光刻形成台阶掩膜图形并划片标记。4.4.对硅片两面的台阶区域进行各向异性腐蚀，形成台阶。对硅片两面的台阶区域进行各向异性腐蚀，形成台阶。5.5.在形成台阶的硅片两面热氧化生长氧化层。在形成台阶的硅片两面热氧化生长氧化层。6.6.对硅片进行双面对准光刻，形成质量块和梁区的掩膜图形。对硅片进行双面对准光刻，形成质量块和梁区的掩膜图形。7.7.对形成掩膜后的硅片两面进行各向异性腐蚀对形成掩膜后的硅片两面进行各向异性腐蚀。8.8.双面腐蚀除去梁上的氧化层掩膜。双面腐蚀除去梁上的氧化层掩膜。9.9.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。而形成对称梁。差分电容式微加速度传感器工艺流程差分电容式微加速度传感器工艺流程10.10.双面光刻去除硅片两面的掩膜。双面光刻去除硅片两面的掩膜。11.11.改用等离子体干法刻蚀同时减薄硅片的质量块及梁区改用等离子体干法刻蚀同时减薄硅片的质量块及梁区。12.12.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。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。13.13.将将77407740（PyrexPyrex）玻璃作为微传感器的定极板，并在玻璃上做电容器）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。上与动极板电极对称的位置上光刻电极图形。14.14.采用磁控溅射工艺，先溅射采用磁控溅射工艺，先溅射20nm20nm的钛，再溅射的钛，再溅射300nm300nm的铝。的铝。15.15.考虑上下电极在大加速度作用下会接触的情况，用考虑上下电极在大加速度作用下会接触的情况，用PECVDPECVD法在金属电法在金属电极上淀积极上淀积SiSi3 3N N4 4膜作为上下电极的绝缘层，再用丙酮去胶。膜作为上下电极的绝缘层，再用丙酮去胶。16.16.采用静电键合法将上下玻璃电极和中间硅片键合，玻璃上溅射金属采用静电键合法将上下玻璃电极和中间硅片键合，玻璃上溅射金属面和硅片硼扩面键合，形成面和硅片硼扩面键合，形成“玻璃玻璃硅硅玻璃玻璃”的三明治结构。的三明治结构。17.17.最后进行最后进行V V型槽腐蚀、金属化、划片等后续工艺处理型槽腐蚀、金属化、划片等后续工艺处理。微加速度传感器的发展趋势微加速度传感器的发展趋势加强基础加强基础理论研究理论研究探索新工作机理探索新工作机理开发新器件结构开发新器件结构向微机械谐振式向微机械谐振式传感器发展传感器发展多维化多维化实用化与实用化与产业化产业化LOGO