lc諧振式振動傳感器的設計與實現-資料下載頁

【導讀】本文在對各種硅微加速度傳感器特點進行比較的基礎上，選擇了差分電容式硅微加速度傳感器作為研究對象。在對其工作原理和相關制作工藝進行了闡述和研究之后，設計出了一種對稱的“四梁－質量塊”結構的差分電容式微加速度傳感器。本文介紹了利用LC互感諧振原理來實現加速度信號的無線傳輸。根據建立的差分電容式微加速度傳感器的力學模型，利用有限元方法對其進行了靜力學和動力學分析。最后，結合現有MEMS工藝，給出了差分電容式硅微加速度傳感器的結構尺寸、工藝流程。傳感器技術是一項快速發展的高新技術，它是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，已被許多工業發達國家列為國家科技和國防技術發展的重點內容。正是由于世界各國的普遍重視和投入開發，傳感器技術發展速度非常迅猛。

　　

【正文】 氣密性和長期穩定性。　合金芯片經過蒸發金屬如鋁、金以后，在劃片前需經過合金工藝，因為鋁（或金）和硅之間有很大的接觸電阻，并且接觸不牢靠。合金的目的是使鋁與硅（或金與硅）之間形成低歐姆接觸，并具有強的機械強度。合金工藝是先將蒸好鋁（或金）的硅片在真空或惰性氣體中加熱，使一部分鋁（或金）熔化到硅中，形成硅鋁或金硅共晶體，得到低的歐姆接觸，也可以去膠、合金同時進行。4．2　LC諧振式振動傳感器工藝流程加速度傳感器是基于 MEMS 技術的，它符合 MEMS 的標準工藝[21]。MEMS工藝是建立在 IC 工藝基礎上的，主要包括：1）清洗；2）氧化；3）光刻；4）濺射；5）PECVD；6）硼擴；7）濕法腐蝕；8）鍵合；9）封裝等。本文給出這種MEMS 微電容式加速度傳感器的整個制作工藝流程，主要流程如下：（1）采用 P 型（100）晶向的雙面拋光硅片，進行標準 RCA 清洗，用稀釋HF 溶液點浸。（2）在雙面拋光硅片上熱氧化生長氧化層。（3）雙面對準光刻形成臺階掩膜圖形并劃片標記。（4）對硅片兩面的臺階區域進行各向異性腐蝕，形成臺階。（5）在形成臺階的硅片兩面熱氧化生長氧化層。（6）對硅片進行雙面對準光刻，形成質量塊和梁區的掩膜圖形。（7）對形成掩膜后的硅片兩面進行各向異性腐蝕，每一面腐蝕的深度為25μm，這時質量塊、梁和其之外的區域形成臺階。（8）雙面腐蝕除去梁上的氧化層掩膜。（9）對硅片兩面進行無掩膜的各向異性腐蝕，當梁和質量塊周圍的穿通區完全腐蝕穿通時，表面上的梁同時被腐蝕下沉至質量塊的中平面附近而形成對稱梁。此時梁厚約為 50μm。（10）雙面光刻去除硅片兩面的掩膜。（11）改用等離子體干法刻蝕同時減薄硅片的質量塊及梁區，直至將梁的厚度減至達到設計要求。（12）選用固態硼擴散源，對硅片兩面進行硼擴散，作為動極板電極。（13）將 7740（Pyrex）玻璃作為微傳感器的定極板，并在玻璃上做電容器的電極。將玻璃做標準清洗后烘干一個小時后雙面涂膠，并在玻璃上與動極板電極對稱的位置上光刻電極圖形。（14）采用磁控濺射工藝，先濺射 20nm 的鈦，再濺射 300nm 的鋁。（15）考慮上下電極在大加速度作用下會接觸的情況，用 PECVD 法在金屬電極上淀積 Si3N4膜作為上下電極的絕緣層，再用丙酮去膠。（16）采用靜電鍵合法將上下玻璃電極和中間硅片鍵合，玻璃上濺射金屬面和硅片硼擴面鍵合，形成“玻璃－硅－玻璃”的三明治結構。（17）最后進行 V 型槽腐蝕、金屬化、劃片等后續工藝處理。 主要工藝流程圖　傳感器的封裝　封裝形式MEMS 真空封裝可以分為器件級和圓片級兩種形式[22]。圓片級的真空封裝是指以晶圓為單位進行統一封裝，芯片與封裝間的所有工藝步驟都以晶圓為單位進行，大大節省了封裝的成本，但圓片級真空封裝后的 MEMS 器件，其腔體內部的壓強會隨時間和溫度的改變而改變，穩定性較差。器件級的真空封裝是指將單個的芯片從硅晶圓上分離出來，然后采用焊接或粘貼的方法依次將芯片密封于金屬或陶瓷外殼內，該種封裝方法可通過選取MEMS 工業中常用的材料及工藝步驟進行，故本文擬采用器件級真空封裝技術實現 Si—Si 鍵合三明治式電容加速度計的真空封裝。MEMS 真空封裝按材料來分有金屬封裝和陶瓷封裝兩種。金屬封裝具有氣密性好、能提供優異的散熱和電磁屏蔽的優點，但它外型靈活性較小。陶瓷封裝不僅氣密性、散熱性好，還可實現多信號、地和電源層結構，并具有對復雜器件進行一體化封裝的能力，更適合于 MEMS 封裝。一般來說，封裝有以下四個主要功能：1. 為器件提供合適的外引線結構；2. 為芯片提供散熱和電磁屏蔽條件；3. 為器件提供真空或其他特殊的環境；4. 提高芯片的機械強度和抗外界沖擊的能力。　封裝中需要注意的問題1. 封裝膠和封裝膠厚度的選擇封裝時，一般選用封裝膠將芯片粘貼在基板上。為了準確的傳遞沖擊信號，必須選用高質量的封裝膠。具體表現在:封裝膠要與芯片表面有很強的粘接強度，楊氏模量大，蠕變小，滯后小，溫度和力學性能參數與芯片相匹配。下面我們從理論上討論封裝膠的選擇對封裝性能的影響。因為封裝膠很薄，質量可以忽略不計，因此封裝膠質量塊結構可以等效為彈簧質量塊系統，可以得到安裝固有頻率:式中，A―封裝膠與傳感器的接觸的面；E―封裝膠的楊氏模量；M―加速度傳感器的質量；t―封裝膠的厚度。根據公式()，封裝膠的厚度越小，封裝膠的楊氏模量越大，器件封裝固有頻率越小。2．封裝管殼的考慮好的管殼，必須保證每個自由度都有足夠的剛度，敏感方向的一階諧振頻率都應該在工作臺的上限頻率以上。管殼材料的性能對封裝后器件的動態性能起重要作用。可見為了提高諧振頻率，可以增加管殼剛度或者減輕管殼質量，反映到材料的特性上，即選擇楊氏模量大，密度小的管殼材料。但同時滿足這兩個條件是比較困難的，所以往往要求材料的比剛度越大越好[23]。另外，對于沖擊、過載傳感器，根據封裝單位的工藝條件盡量選取較大強度的金絲。5　總結與展望本文在對各種微加速度傳感器結構及特點進行比較的前提下，選擇了對稱“四梁－質量塊” 和“二梁－質量塊”結構的差分電容式加速度傳感器作為研究對象，對其工作原理和結構模型進行了闡述和研究，設計計算了傳感器的結構尺寸。本文所進行的主要研究工作及結論包括以下幾個方面： 為了降低加速度傳感器的橫向靈敏度，應該使懸臂梁厚度遠遠小于其寬度，而且應使質量塊的中心與懸臂梁的中性面重合。在進行加速度傳感器結構設計時，結構尺寸的選取應使其第一階振型為激勵振型。為了精確控制傳感器結構參數并補償側向腐蝕的影響，應采用各向異性濕法腐蝕和等離子體干法腐蝕相結合的加工工藝。采用有限元分析軟件ANSYS，對差分電容式加速度傳感器進行了靜力學和動力學仿真，驗證了質量塊位移量隨加速度變化的高度線性關系。 展望本文完成了LC諧振式加速度傳感器的設計，但是由于時間和實驗條件的限制，本文只是在理論上提出該傳感器的結構模型及其制作方法，未能實現該傳感器成品的制作。本文對研究工作的展望如下：對于設計所提出的結構及其模擬的結果，用實驗測試數據加以驗證。對傳感器測試電路、引線和接口電路有待于進一步深入研究。3. 對傳感器的優化技術進行研究。參 考 文 獻[1] 章吉良,[M].上海:上海交通大學出版社,1999:10~11[2] [M]. 南京:東南大學出版社,2000:26[3] [J].現代防御技術,1997,1:5[4] [J].2000,5(1):1~2 [5] 李炳乾,朱長純,[J].國外電子元器件,2001,1:4~8[6] Bao M H. Future of microelectromechanical systems (MEMS) [J].Sensors and Actuators A,1996:135~141[7] 章吉良,[M].上海:上海交通大學出版社,1999:7[8] 技術研究及應用[J].現代雷達,2004,12:26~29[9] [J].傳感器技術,1995:5~17[10] [M].北京:機械工業出版社,1989:41~49[11] [J].東南大學學報, 2000，30(6):3[12] H. Riedel, R. Kolbeck, G. Muck. Capacitive Silicon Accelerometer with Highly Symmetreical Design[J]. Sensors amp。 Actuators, 1990, A(21):312~315[13] Van Kampen R P ,Wolffenbuttel R F. Modeling the mechanical behavior of bulk micro machined silicon accelerometers[J].Sensors and Actuators,1998,A(64):137~150[14] [D].:中北大學,2008[16] [美]Saeed Moaveni,－ANSYS理論與應用[M].北京:電子工業出版社,2003:23~30[17] 宋勇,艾宴清, [M].北京:清華大學出版社,2003:4~85[18] [D].:北京理工大學,2003[19] 傅建中,[M].北京:機械工業出版社,2005:120~126[20] [D].:沈陽工業大學,2005[21] 馬鑫,[J].電子工藝技術,2001,22(5):185~190[22] 謝元睿,[J].電子機械工程,2004, 20(6):54~56[23] （伺服）加速度傳感器研究—設計、制造、封裝和測試[D].:北京大學,2003致　謝首先要感謝我的導師梁庭老師，他在畢業設計期間給了我很多指導。同時，梁老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣。在我有不清楚的問題時，老師總是悉心指導，而且還給了我很多相關資料。在此，我向梁老師表達我最誠摯的謝意。其次，在整個畢業設計中，重點實驗室417室的各位學長學姐們也給了我許多幫助，尤其是李晨學長、李賽男學姐和任重學長，不管什么時候，只要我向他們請教問題，他們都會耐心解答。實驗室的工作氛圍融洽，在這里的時間讓我十分難忘。所以我也要向各學長學姐們表達我的謝意。最后，我再次向各位老師和同學表示感謝，不僅僅是因為你們幫助我完成了畢業設計，更是因為你們還教會了我學習之外的很多事情，這些品質會讓我受用終身。在以后的學習和工作中，我一定會以你們為榜樣，努力實現自己的夢想。第 35 頁 共 31