微硅加速度傳感器應(yīng)用：基于MEMS硅微加速度傳感器的設(shè)計方案

　　硅微加速度傳感器是MEMS器件中的一個重要分支，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。由于硅微加速度傳感器具有響應(yīng)快、靈敏度高、精度高、易于小型化等優(yōu)點，而且 該種傳感器在強輻射作用下能正常工作，使其近年來發(fā)展迅速。與國外相比，國內(nèi)對硅微傳感器的研究起步較晚，所做的工作主要集中在硅微加速度傳感器的加工制 造和理論研究。文中以雙端固支式硅微加速度傳感器為研究對象，借助Aasys軟件對其性能進行仿真分析，從而選出性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式。
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　　1 傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理
　　壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微加速度傳感器，彈性元件的結(jié)構(gòu)形式一般均采用微機械加工技術(shù)形成硅梁外加質(zhì)量塊的形式，利用壓阻效應(yīng)來檢測加速度。在 雙端固支梁結(jié)構(gòu)中，質(zhì)量塊像活塞一樣上下運動，該結(jié)構(gòu)形式的傳感器示意圖，如圖1所示。
　　
　　2 壓阻式加速度傳感器
　　壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微型加速度傳感器，也是當(dāng)前使用較多的一種。20世紀(jì)80年代初，美國斯坦福大學(xué)的Roylance和Angell發(fā)表 了第一篇介紹硅微型加速度傳感器的文章后，全硅傳感器開始問世。隨著對硅微型加速度計原理研究的深入以及工藝實現(xiàn)的多樣性，硅微型加速度傳感器的種類日益 繁多，各種應(yīng)用于不同場合下的硅微型加速度計層出不窮，對硅微型加速度計的研究也越來越受到人們的重視。
　　壓阻式加速度傳感器體積小、頻率范圍寬、測量加速度的范圍寬，直接輸出電壓信號，不需要復(fù)雜的電路接口，大批量生產(chǎn)時價格低廉，可重復(fù)生產(chǎn)性好，可直接測 量連續(xù)的加速度和穩(wěn)態(tài)加速度，但對溫度的漂移較大，對安裝和其它應(yīng)力也較敏感，它不具備某些低gn值測量時所需的準(zhǔn)確度。
　　3 壓阻式硅微加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式
　　3．1 結(jié)構(gòu)形式
　　壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測量電橋。在慣性力作用下質(zhì) 量塊上下運動，懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用而發(fā)生變化，引起測量電橋輸出電壓變化，以此實現(xiàn)對加速度的測量。
　　壓阻式硅微加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、4梁和雙島-5梁等結(jié)構(gòu)形式。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、 量程等。質(zhì)量塊能夠在較小的加速度作用下，使得懸臂梁上的應(yīng)力較大，提高傳感器的輸出靈敏度。在大加速度下，質(zhì)量塊的作用可能會使懸臂梁上的應(yīng)力超過屈服 應(yīng)力，變形過大，致使懸臂梁斷裂。為此高gn值加速度擬采用質(zhì)量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結(jié)構(gòu)形式，如圖2和圖3所示。
　　
　　
　　3．2 梁結(jié)構(gòu)的有限元模型
　　Aasys是一個可在微機上使用的綜合性有限元軟件，是微機電系統(tǒng)設(shè)計中廣泛使用的有限元分析軟件。通過有限元的分析計算可以預(yù)測懸臂 梁上引力分布、固有頻率、可測最大加速度等，進而指導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取。經(jīng)過對梁結(jié)構(gòu)有限元的計算分析選取單臂梁、雙臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。
　　
　　由有限元計算結(jié)果，可以得到單臂梁和雙臂梁上在10 000gn加速度作用下壓阻元件所受的平均應(yīng)力，如表2所示。
　　
　　4 壓阻式硅微型加速度傳感器加工工藝
　　壓阻式傳感器的懸臂梁常采用CVD工藝在硅片上外延生長一層外延層刻蝕而成，文中試用鍵合工藝制造壓阻式加速度傳感器。采用鍵合工藝優(yōu)點是能得到高質(zhì)量的 外延層，且懸臂梁的厚度通過硅片減薄工藝易于得到保證，精細(xì)的硅片單面研磨，厚度誤差可以控制在0．5 μm以內(nèi)；且不需要電化學(xué)自停止腐蝕，依靠EPW腐蝕液對SiO2的腐蝕速度極慢，使得腐蝕過程停止在SiO2層上，從而保證了硅片減薄后的厚度即為彈性 梁的厚度。制作的傳感器芯片尺寸3 mm×5 mm，封裝在陶瓷管殼中。選n型硅片，晶向（100），直徑為50mm，厚度為300μm，電阻率為5～12 ω·cm。
　　5 加速度傳感器性能測試與結(jié)果分析
　　5．1 沖擊試驗
　　高gn值硅微型加速度計的靈敏度很低，在小加速度下幾乎沒有信號輸出，只有進行沖擊試驗，才能檢驗其性能。為此，常溫下沖擊試驗在馬希 特?fù)翦N上進行。
　　將標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被標(biāo)定傳感器同時固定在馬希特?fù)翦N的錘頭上，分別對單臂梁和雙臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器樣品在不同的齒數(shù)下進行沖擊試驗。過載試驗可達到12 000 gn而不失效，加速度傳感器沖擊測試范圍到2 500 gn。
　　5．2 測試結(jié)果分析
　　通過對被測試加速度傳感器輸出電壓與加速度之間關(guān)系的分析，其基本屬于線性關(guān)系，采用一元線性回歸模型對被測試傳感器數(shù)據(jù)進行直線擬 合，其結(jié)果，如圖5所示。
　　
　　對于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅微型加速度傳感器，在其它結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，梁的厚度對加速度傳感器的靈敏度影響最大，基本上是反比的關(guān)系。這是由于在同樣 的載荷下，梁厚與應(yīng)力大小成反比，而應(yīng)力大小直接影響靈敏度，應(yīng)力越大靈敏度越高。由于加工出芯片梁的厚度比設(shè)計值偏差較大，故其測試靈敏度比設(shè)計值小， 如表3所示。
　　
　　在質(zhì)量塊尺寸一定的情況下，梁的長度-與靈敏度成正比，梁的寬度與靈敏度成反比。在梁的尺寸一定情況下，質(zhì)量塊的質(zhì)量與靈敏度成正比。

微硅加速度傳感器應(yīng)用：應(yīng)用于硅微加速度傳感器的鍵合技術(shù)[發(fā)明專利]

專利內(nèi)容由知識產(chǎn)權(quán)出版社提供
摘要：
本發(fā)明提供的是一種應(yīng)用于硅微加速度傳感器的鍵合技術(shù)。在采用平面IC工藝在兩面制作
有正面圖形和背面圖形的主芯片的兩面濺射金屬合金薄膜，通過光刻在兩面的邊緣區(qū)域形成金屬共熔
區(qū)；在制作有加速度傳感器上蓋圖形的上蓋的有圖形面濺射金屬合金薄膜，通過光刻在邊緣區(qū)域形成
金屬共熔區(qū)；在制作有加速度傳感器下蓋圖形的下蓋的有圖形面濺射金屬合金薄膜，通過光刻在邊緣
區(qū)域形成金屬共熔區(qū)；將制作的上蓋、主芯片、下蓋對準(zhǔn)，在360℃－380℃溫度下，并保溫25－35
分鐘進行鍵合。本發(fā)明的方法可以消除硅微機械傳感器鍵合高溫鍵合引起摻雜的再分布，熱膨脹帶來
的應(yīng)力以及溫度超過鋁硅共晶點引起器件失效等問題。
申請人：
中國電子科技集團公司第四十九研究所
地址：
黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)一曼街29號
國籍：
CN
代理機構(gòu)：
哈爾濱市哈科專利事務(wù)所有限責(zé)任公司
代理人：
祖玉清
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微硅加速度傳感器應(yīng)用：微硅加速度傳感器的發(fā)展

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