第4章智能傳感器的集成技術(shù)

1、第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 目目 錄錄 第1章 概 述 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 第第4 4章章 智能傳感器的集成技術(shù)智能傳感器的集成技術(shù) 第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實現(xiàn)方法 第6章 通信功能與總線接口 第7章 智能技術(shù)在傳感器系統(tǒng)中的應用 第8章 智能傳感器系統(tǒng)的設計與應用 第9章 無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)概述 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第第4 4章章 智能傳感器的集成技術(shù)智能傳感器的集成技術(shù) 要 點：u 集成電路工藝及典型元件電路的示例；u 微機械工藝及微機械結(jié)構(gòu)的示例；u 集成智能傳感器系統(tǒng)示例。第4章 智能傳感器的集成技術(shù)

2、第第4 4章章 智能傳感器的集成技術(shù)智能傳感器的集成技術(shù) 集成電路的基本工藝制作傳感器的電路部分，主要包括：材料的生長、擴散、離子注入、外延、光刻、腐蝕等。 微機械加工技術(shù)是在集成電路工藝的基礎上發(fā)展起來的，制作傳感器的敏感單元。推薦一本參考書：微傳感器與微執(zhí)行器全書(MICROMACHINED TRANSDUCERS SOURCEBOOK) 美Gregory T.A.Kovacs 張文棟等譯 北京科學出版社第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 不同深寬比示意圖不同深寬比示意圖第4章 智能傳感器的集成技術(shù) (100)硅片各向異性腐蝕圖第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.1 集成電路的基本工藝4.1.14

3、.1.1晶片的制備晶片的制備 單晶硅片是制造半導體智能傳感器最主要的材料，所以有必要先了解單晶硅片是怎么制造出來的。 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 直拉單晶爐直拉單晶爐第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 介紹生長單晶硅的裝置： 1）爐子：包括石英坩堝、石墨基座、旋轉(zhuǎn)裝置、加熱元件及電源； 2）單晶提拉機構(gòu)：籽晶夾持器及旋轉(zhuǎn)裝置； 3）保護氣體控制系統(tǒng)：氣體源、流量控制裝置、抽氣系統(tǒng)。 對籽晶的要求：晶向要合適111； 要使生長出來的晶體有一定的摻雜濃度，在熔體中加入一定量的摻雜劑； 切片的主要參數(shù)：表面晶向、厚度、斜度及彎曲度。 襯底材料的選擇： 1）導電類型和電阻率： 力敏器件多數(shù)是選N型單晶硅作

4、襯底材料，采用擴散或離子注入工藝制作P型摻雜電阻。 同一電阻率的P型硅摻雜濃度高于N型摻雜濃度。摻雜濃度越高，第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 溫度漂移越小。 相同溫度相同表面雜質(zhì)濃度下，P型層的壓阻系數(shù)比N型層的高，有利于提高靈敏度。 2）位錯密度： 位錯是單晶硅的原子排列上出現(xiàn)一種缺陷；位錯會加快雜質(zhì)擴散速度，影響隔離效果，產(chǎn)生應力集中。 3）晶向和晶面 壓阻效應與晶向有關(guān)，P型硅的壓阻效應是111110100；硅單晶的原子密度是以晶面(111)(110)(100)的次序遞減，而擴散速度、腐蝕速度以（111）(110)(100)的順序遞增。 制作力敏器件，為加快擴散速度，縮短腐蝕時間和提高器件

5、的穩(wěn)定性，應選取（100）、（110）晶面。 4）襯底切割的質(zhì)量要求第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 硅片厚度公差0.015mm； 平行度0.02mm； 晶向偏差：1； 彎曲度：影響加工量，一般要求磨片磨削量的1/2。 4.1.24.1.2外延外延 作用：控制雜質(zhì)分布，優(yōu)化器件和電路性能 方法：氣相外延（氣相外延（VPCVPC）；液相外延（LPC）；分子束外延（MBE）。 主要目的：通過一種化學反應的方式，在硅基片的表面生長一層所需的膜層，如摻雜層的生成。 優(yōu)點：在遠低于熔點的溫度下生長。第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 氣相外延常用的三種基座氣相外延常用的三種基座（a a）水平型）水平型 （b b）

6、圓盤型）圓盤型 （c c）桶型）桶型第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 選擇性外延生長的三種可能方案選擇性外延生長的三種可能方案第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.1.3 4.1.3 熱氧化熱氧化 主要是生成半導體電路中所需的氧化層，如MOSFET電路中的柵氧化層，場氧化層。 氧化層的作用：隔離層、鈍化層 方法：干氧氧化（高純度干燥氧氣） 濕氧氧化（高純度水蒸氣） 特點：干氧氧化（慢、性能好） 濕氧氧化（快，用于較厚氧化層） 反應條件：T：9001000；v（氣體流量）：1cm3/s，T1； 鈍化膜的作用：起掩蔽、保護、絕緣等作用；防止高溫下硅表面以及硅中雜質(zhì)的揮發(fā)，以及化學處理而引起的器件電學性能下

7、降。22SiOSiO22222SiH OSiOH第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 電阻加熱氧化爐結(jié)構(gòu)示意圖電阻加熱氧化爐結(jié)構(gòu)示意圖第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.1.4 4.1.4 物理氣相淀積物理氣相淀積 作用：淀積一些金屬材料，作為電極或連線；對器件進行金屬化。 方法：真空蒸發(fā)淀積（輝光放電）用于鋁等熔點較低的材料；物理濺射淀積（分直流、射頻、磁控、離子束） 用于難熔金屬或化合物材料。直流射頻 磁控濺射離子束氣壓高（1.313.3Pa）0.133Pa 0.133Pa（1.3310-3Pa）高真空只能用于導電材料用于絕緣靶薄膜均勻性好，淀積速率高1m/min可用于絕緣靶，淀積速率高第4章 智能

8、傳感器的集成技術(shù) 蒸鍍、平面濺射、蒸鍍、平面濺射、S S槍濺射臺階覆蓋能力示意圖槍濺射臺階覆蓋能力示意圖第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.1.5 4.1.5 化學氣相淀積化學氣相淀積 作用：淀積用于分立器件和集成電路絕緣和鈍化的介質(zhì)膜，與物理氣相淀積相比產(chǎn)生化學反應。 方法： 常壓化學氣相淀積 低壓化學氣相淀積 等離子體化學氣相淀積 CVD LPCVD PCVD 用于金屬化工藝 用于鈍化器件、絕緣膜 作器件最終鈍化膜 溫度高 溫度中等（750） 溫度低（300） 薄膜電阻 ，氮化硅膜 氮化硅膜4.1.64.1.6光刻光刻 光刻工藝是利用光刻膠受光照部分與未受光照部分溶解特性的巨大差異在襯底表面

9、制作圖形的技術(shù)。這有點類似照相底片的功能。2SiO第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 熱壁低壓化學氣相淀積反應器原理圖熱壁低壓化學氣相淀積反應器原理圖第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 1 1、 光刻工藝流程光刻工藝流程 光刻膠分：正性光刻膠（曝光部分被溶解）；負性光刻膠（又叫反轉(zhuǎn)片）。 工藝步驟：清洗、烘烤涂膠（厚度取決于光刻膠種類、旋轉(zhuǎn)速度、液態(tài)膠粘度）前烘（使膠層中的溶劑揮發(fā)（紅外線、熱板、循環(huán)熱風）增強粘附能力；提高耐磨性；提高和穩(wěn)定感光靈敏度）曝光（使膠層起光化學反應，方式有掩膜曝光、電子束曝光）顯影（樣品放入顯影液，使部分膠層溶解，分正負性）后烘（顯影后的樣品放在一定溫度下烘烤，使其硬化，又叫

10、堅膜）腐蝕或淀積（刻蝕掉下面的材料，或淀積所需的材料）去膠（去除作為保護膜的光刻膠）。2 2、 紫外光曝光紫外光曝光 光刻光源： 、 準分子激光器：高亮度、高單色性、方向性好。 2CeClAr第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 光刻主要工藝流程光刻主要工藝流程 接近式暴光裝置示意圖接近式暴光裝置示意圖第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 曝光方式：接觸式、接近式（分辨率： ）、投影式（ ）A：數(shù)值孔徑。 上述曝光方式受衍射效應的影響。 3 3、 幾種新型的曝光系統(tǒng)幾種新型的曝光系統(tǒng) 元件尺寸的減小，要求曝光系統(tǒng)的分辨率高。 1）選用短波長的光源，如x射線（0.45nm）； 2）

11、采用電子束曝光, =0.01nm,但速度慢。4.1.7 4.1.7 刻蝕刻蝕 在IC工藝和微機械加工工藝中占重要地位。 作用：把經(jīng)過曝光、顯形后光刻膠圖形中下層材料的裸露部分去掉。 方法：各向同性腐蝕和各向異性腐蝕（或稱為干法腐蝕與濕法腐蝕），干法效果好；濕法精度低，效果差。12.8 sR0.61N AY第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 簡單介紹：等離子體刻蝕法（見下圖） 1.微波窗口 2.水冷套 3.等離子體發(fā)生室 4.磁場線圈 5.等離子體約束室 6.觀察窗口 7.處理室 8.基片架 9.抽氣口 10.電機轉(zhuǎn)軸 11.光電盤12.光電傳感器 13.門 14.探針口 15.氣體進口第4章 智能傳

12、感器的集成技術(shù) 4.1.8 4.1.8 擴擴 散散 作用：用于對襯底進行選擇摻雜，以形成N型區(qū)或P型區(qū)，例如：制作PN結(jié)。 方法：恒定表面濃度擴散；恒定雜質(zhì)總量擴散 擴散效果：取決于擴散溫度和擴散時間。 集成電路工藝中，一般采用兩步擴散法：預淀積擴散、主擴散（或稱再分布擴散）。 擴散設備：專用的擴散爐（與熱氧化類似），對于硅：T8001000； 擴散源：固態(tài)源： 、 ；液態(tài)源： 、 ；氣態(tài)源： 、 。 （形成掩膜） 23As O25PO3AsAl3POCl3AsH3PH2322343As OSiAsSiO第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 擴散雜質(zhì)在襯底中的分布擴散雜質(zhì)在襯底中的分布第4章 智能傳感

13、器的集成技術(shù) 4.1.9 4.1.9 離子注入離子注入 作用：將一定能量的帶電粒子摻入到硅等襯底中，用來改變襯底的電學性能，與擴散作用類似。 優(yōu)點：可以精確控制摻雜的數(shù)量，重復性好，加工溫度低。 離子注入系統(tǒng)： 離子源、質(zhì)量分析器、(可變狹縫)、加速管、平面掃描電路、靶。 高能離子能量消耗機制： 核阻止過程 電子阻止過程 能量小 砷離子（重離子） 硼離子（輕離子） 磷離子介于兩者之間，臨界能量是130KeV 解釋離子注入損傷的概念。 溝道效應：由入射離子對準某一主要晶向時造成，它的射程比在非 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 晶硅中大很多。 晶格無序：注入離子向晶格轉(zhuǎn)移足夠能量，使晶體原子發(fā)生移位

14、，當原子移動距離接近原子密度時，單晶材料變成非晶材料。 輕離子的能量被吸收的特點：一開始是電子阻止消耗能量，能量減低后變?yōu)楹俗柚瓜哪芰俊?損傷區(qū)的恢復：退火，使注入離子進入晶格點陣（又叫激活） 退火方法：擴散爐（時間長，效果差）；激光、電子束（時間短，低溫，效果好）。 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 離子注入系統(tǒng)示意圖離子注入系統(tǒng)示意圖第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 離子注入形成無序區(qū)離子注入形成無序區(qū)第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.2 典型的集成電路元件制作工藝 集成電路的基本構(gòu)成單元：有源元件（二極管、三極管、場效應管）、無源元件（電阻、電容、電感）。4.2.1 4.2.1 典型的集成電路

15、制造流程典型的集成電路制造流程 設計、掩模版制造、芯片制造（擴散、氧化、離子注入、刻蝕）、封裝、測試等一些步驟，下圖是其流程圖。CPU之類大規(guī)模集成電路的制作前后有兩百多道工序。 1）設計 根據(jù)功能要求，借助CAD設計電路并生成版圖轉(zhuǎn)化為光刻掩模板。 2）芯片制造 利用前面所述的各種工藝，根據(jù)實際使用的需要，將各種加工方法進行合理的組合，最終將各個掩膜板的圖形逐次轉(zhuǎn)移到半導體晶片表面層上，獲得最終的IC器件。如果在一個晶片上制造了多個相同芯片，則還要進行劃片或激光切割將芯片分開。第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 集成電路制造的主要步驟集成電路制造的主要步驟第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 3）封裝：提

16、供合適的散熱和引線連接條件，如帶窗口的ROM。 4）測試4.2.2 4.2.2 集成電路電阻器集成電路電阻器 制作工藝：硅襯底材料（NSi） 二氧化硅層形成制作電阻的圖形 形成電阻器。 ； 通常用符號 表示，稱為薄層電阻，單位： 。4.2.3 4.2.3 集成電路電容器集成電路電容器 硅襯底材料 二氧化硅層 形成所需的窗口 形成 區(qū)集成MOS電容器。 熱氧化 光刻 離子注入擴散1R LWg1g*R*/ 熱氧化 光刻 離子注入擴散P第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 集成電阻器集成電阻器第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.2.4 4.2.4 電感的制造電感的制造 用于測量數(shù)據(jù)的無線傳遞，能量的無線發(fā)送，

17、微執(zhí)行器的電磁驅(qū)動。 制造方法： 1） 在銅膜上制作電感掩膜，然后在腐蝕液中進行腐蝕； 2） 利用電感掩膜在襯底上淀積活化層，接著在活化層上電鍍厚銅層。 上述兩種方法只能制作微型電感。 3）利用光刻膠材料制作電感模具，在模具中電鍍生長銅線圈層，該方法可制作多層電感線圈。 制造過程：襯底（不銹鋼膜片） 基底 基片 再光刻，形成線圈模具 線圈 形成隔離層、引線孔 制造多層。 Pt 濺射用甩膠方法涂聚酰亞胺薄膜 非電鍍電鍍 甩膠光刻 重 復上 述 步 驟 涂 聚 酰 亞 胺 薄 膜第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.2.5 4.2.5 雙極性晶體管雙極性晶體管 雙極性晶體管的制造過程比較復雜，它總共包

18、括：薄膜形成6次；圖形曝光6次；刻蝕4次；離子注入4次，共分6步完成制作過程。 IC中的雙極晶體管大多是NPN型。 1）形成埋層，減少集電極串聯(lián)電阻； 2）生長N型外延層，它的厚度和摻雜濃度決定于工作電壓； 3）形成橫向氧化物隔離區(qū)，將發(fā)射區(qū)與集電區(qū)隔開； 4）形成基區(qū)，基區(qū)與發(fā)射區(qū)位置比較接近； 5）形成發(fā)射區(qū)； 6）用金屬化工藝形成基極、發(fā)射極、集電極引出電極。第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 雙極晶體管制造過程截面圖雙極晶體管制造過程截面圖第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.3 微機械工藝的主要技術(shù) 集成電路工藝基本上是平面工藝，而微機械工藝從某種角度上來說是立體工藝，它不僅僅用于微傳感器的加

19、工，而且用于電力電子器件、真空場發(fā)射陣列器件、掃描隧道顯微鏡中的微探針頭、微電子機械系統(tǒng)等。4.3.1 SOI4.3.1 SOI晶片（晶片（Silicon on InsulatorSilicon on Insulator） 作用：將有源部分（電路部分）與敏感部分隔開，同時與惡劣環(huán)境隔開。 構(gòu)成： 制備方法： 1）SIMOX（Separation by Ion Implantation of oxygen）氧離子注入； 2）SDB（Silicon Wafer Direct Bonding）鍵合； 注意點：防止襯底非晶化。第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.3.2 4.3.2 硅的各向異性刻蝕技術(shù)硅

20、的各向異性刻蝕技術(shù) 基于硅的不同晶面具有不同的腐蝕速率的特性，在硅襯底上加工出各種各樣的微結(jié)構(gòu)。（100）：最快；（110）：一般；（111）：最慢。1、 腐蝕劑的種類 a）有機腐蝕劑：EDP（乙二胺，鄰苯二酚，水）；聯(lián)胺。 b）無機腐蝕劑：（堿性）KOH，NaOH水溶液2、 影響腐蝕特性的因素 a）腐蝕系統(tǒng)成分配比不同，腐蝕特性不同； b）晶體的晶向及摻雜濃度 例如：在重摻硼（約 ）樣品中，腐蝕速率接近于零；這種特性可用于自致停止腐蝕技術(shù)（摻硼的P型硅，摻磷的N型硅腐蝕速率隨濃度升高而降低變慢）。 c）溫度：溫度越高，腐蝕速率越大。20103cm第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 3、 各向異性腐

21、蝕的機制 a）硅不同晶面的懸掛鍵密度的不同， ； b) 由于硅在腐蝕過程中存在表面預鈍化層，（111）面預鈍化層容易生長。4、 應用： a）傳感器：懸臂梁，壓力流量傳感器芯片 b）電力電子器件：VVMOS； c）場發(fā)射陣列； d）STM（掃描隧道顯微鏡）探頭； e）太陽能電池。（100）（111）第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.3.3 4.3.3 干法刻蝕干法刻蝕1、 濕法刻蝕的缺點 1）使用化學藥品，不利于安全操作和環(huán)境保護； 2）腐蝕后要清洗，效率低； 3）由于側(cè)向腐蝕和鉆蝕，難以獲得高精度的細線條； 4） 、難熔金屬難腐蝕。 目前干法刻蝕是VLSI的標準腐蝕技術(shù)。2、 等離子體腐蝕技術(shù)

22、 1）濺射腐蝕和離子束銑蝕；具有高的分辨率，但選擇性不夠好，屬物理反應。 2）等離子體腐蝕：ECR等離子體刻蝕機 惰性氣體（ ）在高頻或直流電場中受到激發(fā)并分解，然后34Si N4CF第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 與被腐蝕材料起反應，形成揮發(fā)性物質(zhì)（ ），再由抽氣泵排出去，屬物理/化學反應。 3）反應離子腐蝕和反應離子束腐蝕，屬化學反應，各向同性。只是用分子氣體取代離子源中的惰性氣體。 4）影響腐蝕的因素 a）氣體的成分 的刻蝕速率迅速上升，氧含量： （12）， （20）； b) 其他因素 離子能量，入射角，氣體的流速、壓強，功率密度，頻率，溫度等。4SiF42C

23、FOSiSi2SiO422,CFHSiSiO C:F 2:SiOSi4CF2CHF1:4 1:11:2 10:1 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 3、 硅的直接激光加工 作用：對VLSI電路制造的各階段中出現(xiàn)的差錯進行局部修改 原理：利用強聚焦的激光束，促使表面進行化學反應（熱激活反應、光化學反應）4、 LIGA技術(shù)：光刻電鑄成型 設備：使用由功率強大的同步輻射加速器所產(chǎn)生的軟x射線源。 原理：使軟x射線通過掩膜版，在導電的襯底上，將圖形深深地刻在聚合物上，利用高能照射改變聚合物的腐蝕速率這一特性，將經(jīng)照射后的聚合物，經(jīng)過濕法腐蝕后在聚合物上留下了部件的主體模型。再用電鍍工藝將金屬淀積進入模型；

24、將聚合物除去，就可得到最終部件。4.3.4 4.3.4 自致停技術(shù)自致停技術(shù) 書中介紹的 自致停腐蝕和PN結(jié)自致停腐蝕以及埋層（SOI晶片）方法，屬于通過控制摻雜濃度或控制硅的電位而達到自致停腐蝕的目P第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 的，下面介紹幾種其它方法。1、 注入損傷自致停腐蝕 進行陽極腐蝕時，空穴參與腐蝕過程。通過低劑量離子注入在硅表面形成一層損傷層，其中空穴的壽命非常短，則腐蝕液遇到損傷層速率明顯降低。腐蝕完成后，需將硅片退火，使損傷層得到恢復。2、 異質(zhì)結(jié)構(gòu)自致停腐蝕 利用分子束外延（MBE）或金屬有機化學氣相淀積技術(shù)獲得 的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，然后對這些結(jié)構(gòu)進行

25、選擇性腐蝕，如EDP、KOH腐蝕Si而不腐蝕 。4.3.5 4.3.5 犧牲層技術(shù)犧牲層技術(shù) 利用 作為犧牲層，采用選擇性腐蝕技術(shù)，將兩層薄膜中的下層薄膜腐蝕掉。 1 xxSiGe Si1 xxSiGe Si1 xxSiGe2SiO第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.3.6 4.3.6 鍵合技術(shù)鍵合技術(shù)1、 靜電鍵合 1）鍵合原理： 外加電壓時，玻璃中的 向負極方向漂移，在緊鄰硅片的玻璃表面形成耗盡層。由于耗盡層帶負電荷，硅片帶正電荷，所以硅片和玻璃之間存在較大的靜電吸引力，使二者緊密接觸。 當： 時，F(xiàn)24大氣壓力。 溫度的作用，使硅/玻璃界面發(fā)生化學反應，形成

26、化學鍵。Na63 10/EV cm SiOSi第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 2）影響靜電鍵合的因素 a）溫度：180500 低：導電性差；高：軟化。 b）電壓：2001000V 低：引力不夠；高：擊穿玻璃。 c）鍵合引入的應力：選擇熱膨脹系數(shù)相同的材料；選擇合適的溫度點，T300。 d）陽極形狀的影響 采用雙平行板電極會產(chǎn)生部分孔縫。 3）應用 a）制作微傳感器中傳感器的封裝； b）SOI材料的制備； c）場發(fā)射陣列的制備。2、 熱鍵合技術(shù)（SDB） 兩硅片通過高溫處理直接鍵合在一起，不需要粘合劑和外加電場。 1）工藝步驟第4章 智能傳感器的集成技術(shù) a）表面處理； b）預鍵合，在室溫下將兩硅

27、片面對面貼合在一起； c）鍵合 。 在 或 環(huán)境中經(jīng)數(shù)小時的高溫處理，書中給出了鍵合原理示意圖。 2）應用 適用于 ， ， 等。 a）電力電子器件，如雙極模式MOSFET； b）SOI材料的制備； c）傳感器與微結(jié)構(gòu)； d）真空微電子器件。 自封閉真空微二極管： (見右圖）2O2NSiSi2SiSiO22SiOSiO第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 前面我們主要介紹了一些微機械加工技術(shù)，如：各向異性腐蝕、干法腐蝕、自致停技術(shù)以及鍵合技術(shù)等，在這里，我們結(jié)合微機械加工的基本技術(shù)，介紹典型的微機械結(jié)構(gòu)及其加工過程。 為了開闊大家的眼界，這里羅列了一些采用微機械加工技術(shù)的多種器件，如：“噴墨嘴、微型光柵

28、光譜儀、氣相色譜儀、微型冷卻器、觸覺傳感器、生物探針與生物傳感器、陀螺儀、微型馬達以及半導體壓力傳感器、硅加速度傳感器等。”實際上這些器件的總的加工工藝都是大同小異，主要加工技術(shù)仍為：薄膜生成技術(shù)、刻蝕技術(shù)、鍵合技術(shù)。這里僅具體介紹硅微壓阻式加速度傳感器和同步馬達。第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 惠普噴墨器件圖第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 微型光柵光譜儀第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 微機械氣相色譜法系統(tǒng)第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 幾種不同形式的觸覺傳感器第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 生物傳感器的基本原理圖

29、中表示生物分子與提供輸出電信號的二級傳感器的結(jié)合第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 陀螺儀的基本工作原理和工作模式第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 帶有片上有源電路的電鍍環(huán)陀螺的制造過程第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 集成化學分析系統(tǒng)的清洗、校準、采樣方案第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 堆積流體模塊方案第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.4 典

30、型微機械結(jié)構(gòu)的制造1、 微傳感器 以表面加工為基礎的微傳感器的設計與研究主要取決于工藝水平與新結(jié)構(gòu)開發(fā)之間的相互關(guān)系，下面是基于微機械加工技術(shù)的微傳感器設計，制備和測試流程圖。 一般來說，我們要研究一種微傳感器，首先要明確它的功能及要求，然后進行結(jié)構(gòu)設計，在進行結(jié)構(gòu)設計時，必須要考慮它的加工方法和步驟，即工藝流程，而且這兩者之間的相互關(guān)系要反復多次才能協(xié)調(diào)起來。第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 2、 硅微壓阻式加速度傳感器 1）加速度芯片的制作： 從設計傳感器的角度，首先根據(jù) 功能要求確定加速度芯片的結(jié)構(gòu)。如：質(zhì)量塊的質(zhì)量大小，對應的外形尺寸；梁的尺寸，應變電阻的位置，應變電阻阻值的大小，引出方式

31、等；對應最大量程，質(zhì)量塊的最大振幅以及極限振幅。在上述工作的基礎上再進行結(jié)構(gòu)設計；在進行結(jié)構(gòu)設計的同時需考慮加工的工藝，即加工手段、方法和加工次序。 a）芯片的選擇 N型（100）硅晶體。 b）壓敏電阻的制作 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 微機械壓阻加速度計的整體結(jié)構(gòu)第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 按照集成電阻的制作方法進行：先采用熱氧化的方法生成1.5um厚的氧化層，再進行光刻和擴散形成電阻。 c）質(zhì)量塊和懸臂梁的制作 采用熱氧化的方法生成一層 膜作為掩膜；采用光刻工藝刻出懸臂梁及質(zhì)量塊的圖形；采用各向異性或干法腐蝕工藝，將沒有被掩膜覆蓋的部分腐蝕掉，從而刻出梁周圍空氣隙和窗孔。 2）上下兩層

32、玻璃蓋的制作 a）材料的選型 7740型玻璃，注意玻璃的熱膨脹系數(shù)要與硅片相同（一致）。 b）槽井的制作 槽井的外形尺寸及深度取決于前面的設計值，槽井也是采用制作掩膜，然后進行光刻，再腐蝕的方法進行。 c）在上玻璃片上制作金屬焊接片 2SiO第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 先對玻璃面進行拋光處理，使之達到光學平整度，然后用Cr-Au膜做掩膜，通過光刻、淀積工藝，形成金屬焊接片。 d）做好鍵合前的準備工作 3）靜電鍵合 將準備好的玻璃片與硅片對準貼合在一起，在t400，U600V的條件下進行鍵合密封，鍵合要分兩次進行（考慮極性的影響）。 4）檢測與校正3、 微型同步馬達 下圖是微型同步馬達的結(jié)構(gòu)圖

33、, 與參考教材中所講的渦輪機結(jié)構(gòu)有點類似。 1）它的制作過程: a）在硅片上先熱氧化生長一層 （h0.3m）；再淀積一層 （h1m）；然后淀積第一層多晶硅（h0.3m），通過光刻形成轉(zhuǎn)子2SiO第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 的接地面。 b）淀積一層PSG（磷硅玻璃，h2.2m）并進行光刻，然后淀積第二層多晶硅(h1.5m)，并對多晶規(guī)進行氧化(h0.1m)，光刻后形成靜子和轉(zhuǎn)子。 c）淀積一層 （h0.34m），然后用（RIE，反應離子刻蝕）刻蝕 ，使之形成襯套。 d）濕法腐蝕PSG形成凸緣，然后再淀積一層PSG（h0.7m）以填充轉(zhuǎn)子下的側(cè)向腐蝕部分。 34Si N34Si N第4章 智能傳

34、感器的集成技術(shù) 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) e）開出軸空，淀積第三層多晶硅并光刻形成圖形。 f）最后用BHF（10 1 ）腐蝕掉所有的PSG。 2）工作原理 在上圖中，加三相脈沖電壓，波形如右圖所示。由于靜電感應，轉(zhuǎn)子與定子間靜電力的作用，將使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。當U350V，n500（轉(zhuǎn)/min）。 3） 的作用 多晶硅之間的摩擦力大于多晶硅與 之間的摩擦力，起減小摩擦力的作用。4NH FHF34Si N34Si N第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 微機械磁旋轉(zhuǎn)泵的橫截面圖第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 4.5 集成智能傳感器系統(tǒng) 參考教材中介紹了好幾種集成智能傳感器的例子，這里僅講解兩種，一種

35、是集成血液流量微傳感器，另一種是集成智能傳感器。4.5.2 4.5.2 集成血液流量微傳感器集成血液流量微傳感器1、 明確設計要求 1）功耗：P10mW； 2) 溫度要求：傳感器的工作溫度與血液溫度間的溫度T5K； 3）外形尺寸：可置于2mm的導管內(nèi)工作； 4）傳感器置于血管內(nèi)無不良反應，亦即表面材料與血液相容。2、 傳感器的設計和工作原理 1）工作原理 利用流速改變薄膜溫度的原理，在晶片背面腐蝕形成兩個硅膜片，每個膜片上有一個溫度二極管，其中一個膜片由一個功耗恒定的電阻器加熱。流動的液體與整個芯片接觸，使被加熱的薄膜冷卻，薄膜的溫度變化第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 流量傳感器工作原理結(jié)構(gòu)示意

36、圖第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 依賴于液體流動速度的變化。另一個未被加熱膜片上的PN結(jié)用來監(jiān)測環(huán)境溫度。根據(jù)兩個PN結(jié)測出的溫差就可以反映出液體流動的速度。 PN結(jié)的溫度特性： ， ：飽和電流； ：二極管指數(shù)。若保持I恒定，則結(jié)電壓V是T的函數(shù)。靈敏度為：2.1mv/k，I10A。 2）設計： 以SOI晶片襯底，晶片的背面作為PN結(jié)的制作面；正面利用CMOS工藝制作集成電路部分，它包括：放大電路、脈寬調(diào)制電路以及控制單元。 為提高流量傳感器的靈敏度和降低功耗，加熱膜周圍刻有8個隔熱微槽，微槽中充滿二氧化硅層。 為防止電路短路，在上邊淀積了一層氮化硅鈍化層。 共有四個傳感器。0exp() 1qvkTII0I第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 外形尺寸：15 ，T 2K，P5mW； 流量為010L/min時，t：45s25s。3、 傳感器的制作流程 1）選用的工藝：2m CMOS工藝 2）選材：晶片為h300m的P型（100）晶片。 3）制作 a）SOI晶片的制備 采用氧離子注入工藝，再退火處理， 層厚400nm； 在 層上淀積200nm的單晶硅層。 b）制作隔離槽 在單晶硅層上外延生長一層5m硅層； 用等離子體刻蝕的方法，在外延層上刻蝕出5m深的隔離