微加速度計設(shè)計-課件

微加速度計設(shè)計1ppt課件微加速度計設(shè)計1ppt課件11.量程:0～Ag、0～Bg、0～Cg和0～Dg性能指標2.抗過載能力大于Mg3.頻響范圍：>NHz2ppt課件1.量程:0～Ag、0～Bg、0～Cg和0～Dg性能2精品資料精品資料3你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結(jié)一節(jié)課的重點的難點，你是否會認為老師的教學(xué)方法需要改進？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽曬，也不怕那風(fēng)雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學(xué)問無顏見爹娘……”“太陽當空照，花兒對我笑，小鳥說早早早……”微加速度計設(shè)計--ppt課件4第一階段知識的積累5ppt課件第一階段知識的積累5ppt課件5一、壓阻式微加速度計的工作原理以單晶硅為例，當壓力作用在單晶硅上時，硅晶體的電阻率發(fā)生顯著變化的效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。壓阻式微傳感器結(jié)構(gòu)壓阻效應(yīng)工作原理6ppt課件一、壓阻式微加速度計的工作原理以單晶硅為例，當壓力作6R1R2R3R4壓敏電阻的相對變化量與應(yīng)力的關(guān)系為在平衡情況下在加速度作用下惠斯通電橋連接所以有7ppt課件R1R2R3R4壓敏電阻的相對變化量與應(yīng)力的關(guān)系為在平衡情況7二、硅材料的選擇室溫下，N型和P型硅電阻的π11、π12、π44的數(shù)值如下。π11、π12、π44的數(shù)值（10-11m2/N）晶體電阻類型π11π12π44SiPN+6.6-102.2-7.1+53.4+138.1-13.6為了使所設(shè)計的傳感器具有較高的結(jié)構(gòu)靈敏度（輸出靈敏度），可以選用N型（100）硅片，在硅片的<011>、<0-11>晶向上通過硼離子注入得到P型壓敏電阻。從而可以利用最大壓阻系數(shù)——π44。8ppt課件二、硅材料的選擇室溫下，N型和P型硅電阻的π11、π12、π8N型硅——P型電阻條P型硅——N型電阻條結(jié)論：設(shè)計壓阻式微加速度計時，采用N型(100)硅片其輸出靈敏度比采用P型(100)硅片的輸出靈敏度高2倍以上。9ppt課件N型硅——P型電阻條P型硅——N型電阻條結(jié)論：設(shè)計壓阻式9三、典型結(jié)構(gòu)分析(a)單懸臂梁(b)雙懸臂梁(c)雙端梁(d)雙島五梁(e)雙端四梁(f)四邊梁結(jié)構(gòu)（g）八梁結(jié)構(gòu)10ppt課件三、典型結(jié)構(gòu)分析(a)單懸臂梁(b)雙懸臂梁(c)雙端梁10(a)和(b)為懸臂梁式結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是靈敏度高，但其一階固有頻率低，頻率響應(yīng)范圍窄，且橫向靈敏度較大。(c)～(g)為固支梁結(jié)構(gòu)，其一階固有頻率比懸臂梁式結(jié)構(gòu)高得多，有利于擴大傳感器的頻率響應(yīng)范圍。但在電橋中壓敏電阻數(shù)量相同的情況下，其靈敏度低于懸臂梁式結(jié)構(gòu)。(g)圖所示的四邊八梁結(jié)構(gòu)橫向靈敏度最低，但其輸出靈敏度也最低。綜合考慮，所要設(shè)計的傳感器采用雙端四梁結(jié)構(gòu)(e)，該結(jié)構(gòu)在保證一定的輸出靈敏度的基礎(chǔ)上能夠較好地解決橫向靈敏度的問題。11ppt課件(a)和(b)為懸臂梁式結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是靈敏度高，但其一階固有頻11四、設(shè)計約束材料屬性約束硅的材料參數(shù)(μm-μN-kg)參數(shù)EXPRXY彎曲強度斷裂強度硅2.33×10-151.9×1050.370-2107000一般硅材料所能承受的最大應(yīng)變?yōu)?，為了保證傳感器的輸出具有較好的線性度，懸臂梁根部所承受的最大應(yīng)變范圍為～。為了滿足這個范圍，梁根部的最大等效應(yīng)力值不超過80MPa。12ppt課件四、設(shè)計約束材料屬性約束硅的材料參數(shù)(μm-μN-kg12工藝條件約束邊界約束主要考慮加工工藝的影響，根據(jù)某加工單位的實際加工水平提出的約束條件如下：

2)梁寬（b1）：b1>=μm；

3)梁長（L1）：L1<=μm；

4)梁厚（h1）：h1>=μm；

5)質(zhì)量塊厚度（h2）h2<=μm;由于要在同一批工藝中同時實現(xiàn)復(fù)合量程微加速度計中的四個結(jié)構(gòu)，因此四個結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊的厚度、梁的厚度必須一致。13ppt課件工藝條件約束邊界約束主要考慮加工工藝的影響，根據(jù)某加工單位的13加工單位所能實現(xiàn)的壓敏電阻如右所示。壓敏電阻包括三部分：P－、P+和引線孔，壓敏電阻的寬度由P－決定，長度由P+決定。壓敏電阻結(jié)構(gòu)圖引線孔P－電阻條長度LP－L孔P+LP+壓敏電阻工藝要求層功能工藝要求備注P－形成壓敏電阻最小寬度20μm200Ω/□P+與金屬形成低阻互連與P－最小覆蓋5μm引線孔形成金屬接觸孔最小寬度8μm14ppt課件加工單位所能實現(xiàn)的壓敏電阻如右所示。壓敏電阻包括三部14版圖設(shè)計約束1.出于測試考慮，電極的最小尺寸為100um*100um。2.P+層與P+層之間的最小距離為10um。3.一個cell的尺寸為9mm*9mm。4.劃片槽的寬度為300um。15ppt課件版圖設(shè)計約束1.出于測試考慮，電極的最小尺寸為100um*15五、關(guān)鍵工藝介紹a)襯底襯底襯底襯底光刻膠掩膜版光照b)c)d)圖2光刻和圖形轉(zhuǎn)移過程襯底d)

光刻是一種圖形復(fù)印和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中，光刻的目的就是按照器件設(shè)計的要求，在二氧化硅薄膜或金屬薄膜上面，刻蝕出與掩膜版完全對應(yīng)的幾何圖形，以實現(xiàn)選擇性擴散和金屬薄膜布線。16ppt課件五、關(guān)鍵工藝介紹a)襯底襯底襯底襯底光刻膠掩膜版光照b)c)16

熱氧化的生長機制:開始時，氧原子與硅原子結(jié)合，二氧化硅的生長是一個線性過程。大約長了500?之后，線性階段達到極限。為了保持氧化層的生長，氧原子與硅原子必須相互接觸。在二氧化硅的熱生長過程中，氧氣擴散通過氧化層進入到硅表面，因此，二氧化硅從硅表面消耗硅原子，氧化層長入硅表面。隨著氧化層厚度的增加，氧原子只有擴散通過更長的一段距離才可以到達硅表面，因此，從時間上來看，氧化層的生長變慢，氧化層厚度、生長率及時間之間的關(guān)系成拋物線形。硅硅硅a)初始b)線性c)拋物線

二氧化硅的生長階段17ppt課件熱氧化的生長機制:開始時，氧原子與硅原子結(jié)合，二氧化17腐蝕分為濕法腐蝕和干法腐蝕。利用KOH腐蝕劑在(100)晶面進行各向異性腐蝕是體硅微機械加工工藝中一種簡單易行且重要的加工工藝。濕法腐蝕形成質(zhì)量塊的時候需要進行凸角補償。最常用的凸角補償方法如下所示。hh/2其中，h=腐蝕深度/0.54通過上述的方法可以實現(xiàn)質(zhì)量塊邊緣的最佳腐蝕。18ppt課件腐蝕分為濕法腐蝕和干法腐蝕。利用KOH腐蝕劑在(10018

干法腐蝕包括PE（等離子體腐蝕），RIE（反應(yīng)離子腐蝕），ICP（感應(yīng)耦合等離子體腐蝕），TCP（變壓器耦合等離子體腐蝕），ECR（電子回旋共振腐蝕）等。干法腐蝕清潔、干燥，無浮膠現(xiàn)象，工藝過程簡單，圖形分辨率高。本結(jié)構(gòu)中最后釋放梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)采用的就是ICP刻蝕。由于ICP刻蝕溫度較濕法腐蝕高，可能存在殘余應(yīng)力高等問題。同時，不同的加工單位對ICP刻蝕深度的要求也不相同。

19ppt課件干法腐蝕包括PE（等離子體腐蝕），RIE（反應(yīng)離子腐蝕19濺射鍍膜的原理是在真空室內(nèi)使微量氬氣或氦氣電離，電離后的離子在電場的作用下向陰極靶加速運動并轟擊靶，將靶材料的原子或分子濺射出來，在作為陽極的基片上形成薄膜。濺射（sputtering）已廣泛地用于在基片上沉積鋁、鈦、鉻、鉑、鈀等金屬薄膜和無定形硅、玻璃、壓電陶瓷等非金屬薄膜。用濺射法制造的薄膜均勻性好，可以覆蓋有臺階的表面，內(nèi)應(yīng)力小，現(xiàn)已在很大程度取代了蒸發(fā)鍍膜。20ppt課件濺射鍍膜的原理是在真空室內(nèi)使微量氬氣或氦氣電離，電離20

離子注入是摻雜技術(shù)的一種，就是將所需的雜質(zhì)以一定的方式摻入到半導(dǎo)體基片規(guī)定的區(qū)域，并達到規(guī)定的數(shù)量和符合要求的分布，以達到改變材料電學(xué)性能、制作PN結(jié)、集成電路的電阻和互聯(lián)線的目的。復(fù)合量程微加速度計中壓敏電阻就是通過硼離子注入得到的。

21ppt課件離子注入是摻雜技術(shù)的一種，就是將所需的雜質(zhì)以一定的方21六、所用軟件1.Ansys——用于結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真，可計算各階頻率和各階振型、應(yīng)力值、結(jié)構(gòu)撓度、結(jié)構(gòu)靈敏度及位移量等。2.Intellisuite——用于工藝步驟的設(shè)計與仿真，同時實現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真計算。3.L-Edit——用于版圖的設(shè)計，同時可以模擬工藝過程。4.Matlab或Maple——用于理論計算。22ppt課件六、所用軟件1.Ansys——用于結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真，可計算各階22第二階段結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析23ppt課件第二階段結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析23ppt課件23一、結(jié)構(gòu)尺寸的確定結(jié)構(gòu)尺寸的確定需要依據(jù)器件的性能指標、各種約束條件的要求，并能最大限度地提高結(jié)構(gòu)的輸出靈敏度和頻帶寬度。在設(shè)計過程中可以通過改變其中一個結(jié)構(gòu)尺寸，計算或仿真得到一階固有頻率值及梁上的應(yīng)力值與該尺寸之間的關(guān)系曲線，從而最終確定結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。24ppt課件一、結(jié)構(gòu)尺寸的確定結(jié)構(gòu)尺寸的確定需要依據(jù)器件的性能指標241.理論計算通過對單懸臂梁、雙懸臂梁、雙端梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的比較與理論推導(dǎo)，得到雙端四梁結(jié)構(gòu)的理論計算公式：結(jié)構(gòu)的剛度結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率為25ppt課件1.理論計算通過對單懸臂梁、雙懸臂梁、雙端梁-質(zhì)量塊結(jié)25梁端部的撓度結(jié)構(gòu)靈敏度

梁根部或端部所受到的最大應(yīng)力為最大應(yīng)變量為26ppt課件梁端部的撓度結(jié)構(gòu)靈敏度梁根部或端部所受到的最大應(yīng)力為最大26設(shè)計過程中，為了滿足固有頻率和靈敏度的要求，設(shè)計各種尺度的結(jié)構(gòu)，得到了單一結(jié)構(gòu)尺寸與固有頻率、靈敏度（應(yīng)力值）之間的關(guān)系。梁寬與頻率、應(yīng)力之間的關(guān)系梁長與頻率、應(yīng)力之間的關(guān)系梁厚與頻率、應(yīng)力之間的關(guān)系綜合考慮上面三個圖，可最終確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。27ppt課件設(shè)計過程中，為了滿足固有頻率和靈敏度的要求，設(shè)計各種272.結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)（μm）參數(shù)0-Ag0-Bg0-Cg0-Dg梁寬w梁長：l梁的中心矩質(zhì)量塊寬：B質(zhì)量塊長：A梁厚：h1質(zhì)量塊厚：h228ppt課件2.結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)（μm）0-Ag0-Bg28二、惠斯通電橋的設(shè)計電橋的設(shè)計要求：電橋四臂的初始阻值、溫度系數(shù)相同(在初始狀態(tài)電橋平衡，輸出電壓為0)；電橋鄰臂的阻值變化量相等，符號相反(可以提高器件輸出的線性度，同時可消除橫向加速度的影響，降低橫向靈敏度)。傳統(tǒng)的壓阻電橋一般設(shè)計成閉環(huán)形式，在進行零位調(diào)整時普遍采用的方法是在任一橋臂上并聯(lián)電阻，閉環(huán)電橋引出線少。如果設(shè)計成開環(huán)形式，則在調(diào)整零位平衡和靈敏度漂移時，即可并聯(lián)電阻又可串聯(lián)電阻，大大增加信號處理的自由度。閉環(huán)惠斯頓電橋UiUo29ppt課件二、惠斯通電橋的設(shè)計電橋的設(shè)計要求：電橋四臂的初始阻值29雙邊四梁結(jié)構(gòu)和惠斯通電橋連接圖R1R2R3R4R3’R1’R4’R2’S+R2R3R4R3’R1’R4’R2’R1O+O-S1-S2-開環(huán)式惠斯通全橋電路。30ppt課件雙邊四梁結(jié)構(gòu)和惠斯通電橋連接圖R1R2R3R4R3’R1’R30X方向加載Agy方向加載Agz方向加載Ag31ppt課件X方向加載Agy方向加載Agz方向加載Ag31ppt課31如果設(shè)計成閉環(huán)電橋，則需要考慮影響電橋平衡的原因：(1)由于工藝的原因，各個壓敏電阻的阻值不可能完全相等；(2)各橋臂由于距離不同，其連接導(dǎo)線的阻值會有所不同。設(shè)計時應(yīng)計算引線孔到壓焊點的導(dǎo)線電阻，通過調(diào)整導(dǎo)線的長度和寬度的方法來平衡各臂的導(dǎo)線電阻。導(dǎo)線電阻與長度成正比，與寬度成反比，通過計算方塊電阻來實現(xiàn)。此外，導(dǎo)線均為直線，不能為斜線。32ppt課件如果設(shè)計成閉環(huán)電橋，則需要考慮影響電橋平衡的原因：(32三、結(jié)構(gòu)的仿真與性能分析1.模態(tài)仿真加速度計本身是一個質(zhì)量-彈性梁系統(tǒng)，在外界加速度作用下質(zhì)量塊發(fā)生振動，所以頻響范圍是加速度計的一個重要特性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)使系統(tǒng)的頻響范圍足夠?qū)?，而結(jié)構(gòu)的固有頻率是影響頻響范圍的重要因素。利用ANSYS軟件中有限元模態(tài)分析的方法能夠計算出該結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)的固有頻率及其振型。查看分析結(jié)果時，主要判斷頻率值是否滿足頻響要求（一般要求一階固有頻率>頻響范圍的5倍），一階振型是否在敏感方向(z方向)內(nèi)振動。33ppt課件三、結(jié)構(gòu)的仿真與性能分析1.模態(tài)仿真加速度計本身是一33SETTIME/FREQLOADSTEPSUBSTEPCUMULATIVE126908.111235464.122359671.133472029.14450.32776E+06155對0-Ag結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的前五階固有頻率及其前三階的振型如下所示。34ppt課件SETTIME/FREQLOADSTE34結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是ANSYS產(chǎn)品的家族中7種結(jié)構(gòu)分析之一，主要用來分析由于穩(wěn)態(tài)外載荷所引起的系統(tǒng)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，其中穩(wěn)態(tài)載荷主要包括外部施加的力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力如重力。在該結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在結(jié)構(gòu)上加載滿量程加速度值（如為0-Ag量程的結(jié)構(gòu)，在進行靜力學(xué)分析時加載Ag的加速度），查看結(jié)果時，主要判斷梁上的最大等效應(yīng)力值是否超過硅材料的彎曲強度(80MPa)。2.靜力學(xué)分析結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布云圖35ppt課件結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是ANSYS產(chǎn)品的家族中7種結(jié)構(gòu)分析3536ppt課件36ppt課件363.路徑分析在靜態(tài)求解之后通過路徑分析來判斷梁上的應(yīng)力是否線性分布，在得到梁上應(yīng)力的線性分布區(qū)域之后，在應(yīng)力值最大的線性區(qū)域放置壓敏電阻。37ppt課件3.路徑分析在靜態(tài)求解之后通過路徑分析來判斷梁上37應(yīng)力的線性分布區(qū)域為距離梁根部和端部xxxum的范圍內(nèi)。為了最大限度地同時滿足傳感器靈敏度與線性度要求，選擇壓敏電阻的放置區(qū)域為距離梁根部和端部xxxum。在每個電阻的放置位置處選取三條路徑，分析電阻位置處的應(yīng)力分布情況，求出電阻位置的平均橫向應(yīng)力與縱向應(yīng)力值。38ppt課件應(yīng)力的線性分布區(qū)域為距離梁根部和端部xxxum的范38根據(jù)上述方法得到8個電阻位置的平均縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力39ppt課件根據(jù)上述方法得到8個電阻位置的平均縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力39pp394.輸出靈敏度分析電橋的輸出電壓輸出靈敏度5.橫向輸出靈敏度分析分別在x、y軸向加載Ag的加速度，求解惠斯通電橋的輸出電壓，得到x、y方向的橫向靈敏度40ppt課件4.輸出靈敏度分析電橋的輸出電壓輸出靈敏度5.橫向輸出靈敏406.阻尼的分析與設(shè)計在系統(tǒng)中添加粘滯流體，利用流體為結(jié)構(gòu)提供阻尼力可以降低結(jié)構(gòu)的振動幅值，避免結(jié)構(gòu)因共振而損壞。

將梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)等效為彈簧、阻尼器、質(zhì)量塊構(gòu)成的二階單自由度振動系統(tǒng)，如圖所示。經(jīng)分析，得ckm

加速度計等效模型41ppt課件6.阻尼的分析與設(shè)計在系統(tǒng)中添加粘滯流體，利用流體41阻尼的設(shè)計可以通過靜電鍵合技術(shù)，在硅結(jié)構(gòu)層的下面制作玻璃蓋板實現(xiàn)。由流體力學(xué)的雷諾方程可知，調(diào)節(jié)質(zhì)量塊-玻璃蓋板間距可以調(diào)節(jié)阻尼參數(shù)。其中42ppt課件阻尼的設(shè)計可以通過靜電鍵合技術(shù)，在硅結(jié)構(gòu)層的下面42因此得到阻尼比與質(zhì)量塊-玻璃蓋板間距之間的關(guān)系，如圖。阻尼比的計算公式綜合考慮四種結(jié)構(gòu)的性能要求以及工藝實現(xiàn)的精度要求，取質(zhì)量塊下底面與玻璃蓋板之間的距離為xxxum。得到四種結(jié)構(gòu)的阻尼比分別為w1、w2、w3和w4。43ppt課件因此得到阻尼比與質(zhì)量塊-玻璃蓋板間距之間的關(guān)系，如圖。阻尼比437.抗過載能力分析與設(shè)計硅結(jié)構(gòu)層包括框架、質(zhì)量塊和四根梁；下層為玻璃結(jié)構(gòu)。靜電鍵合間距為5um。以量程為Ag的結(jié)構(gòu)為例進行抗過載性能的仿真與分析。當作用在結(jié)構(gòu)上的加速度載荷g時，質(zhì)量塊在z方向上振動的最大位移量達到5um，起到了限位保護作用。44ppt課件7.抗過載能力分析與設(shè)計硅結(jié)構(gòu)層包括框架、質(zhì)量塊和四44

復(fù)合量程微加速度計結(jié)構(gòu)示意圖45ppt課件復(fù)合量程微加速度計結(jié)構(gòu)示意圖45ppt課件45第三階段工藝設(shè)計與仿真46ppt課件第三階段工藝設(shè)計與仿真46ppt課件46加工復(fù)合量程微加速度計的整套工藝流程包括硅工藝流程、玻璃工藝流程和鍵合劃片工藝流程三部分。一、硅工藝1、備片：N型(100)硅片2、形成P-電阻區(qū)3、形成P+歐姆接觸區(qū)4、第一次KOH背腔腐蝕，形成背腔5、第二次KOH背腔腐蝕，減薄質(zhì)量塊6、正面光刻引線孔7、正面濺射金屬鋁8、以鋁為掩模，正面ICP，釋放結(jié)構(gòu)9、正面光刻將鋁層圖形化做出導(dǎo)線47ppt課件加工復(fù)合量程微加速度計的整套工藝流程包括硅工藝流程、47a)形成P-區(qū)b)形成P+區(qū)c)形成N+區(qū)d)第一次背腔腐蝕e)第二次背腔腐蝕f)形成引線孔g)鋁金屬引線、釋放結(jié)構(gòu)P-SiO2P+N+Si3N4凹槽SiAl硅加工工藝流程48ppt課件a)形成P-區(qū)b)形成P+區(qū)c)形成N+區(qū)d)第一次48B離子注入，形成P-區(qū)濃硼摻雜，形成P+區(qū)第一次背腔腐蝕第二次背腔腐蝕正面ICP刻蝕釋放結(jié)構(gòu)49ppt課件B離子注入，形成P-區(qū)濃硼摻雜，形成P+區(qū)第一次背腔腐蝕49二、玻璃工藝與靜電鍵合玻璃工藝所用的材料為Plan-optikBorofloat