新型体微机械工艺制造高性能加速度传感器的研究

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本论文研究了带有自检功能的同平面自限制侧壁压阻敏感加速度传感器的原理、设计、制作工艺和器件测试。为实现该加速度传感器,提出了一套新的体硅微机械工艺,使用普通硅片取代SOI硅片来制作器件。 围绕该加速度计的设计和新工艺验证,在总结分析已有工作的基础上,提出了有新颖特色的设计。传感器芯片由一对悬臂梁沿相反方向排列,敏感加速度方向和芯片同平面,使用悬臂梁刻蚀间隙作为过载保护。采用在深槽侧壁(悬臂梁弯曲的表面)制作压阻的方法,大大提高了加速度传感器的灵敏度。利用集成在加速度传感器上的静电驱动器,实现电自检测功能。 采用解析方法对器件的静态特性、振动阻尼特性、电自检测功能等参数进行了设计。器件的主要设计指标:S=1.10μV/3.3V/g,f0=98.8KHz,Q=50.6。该灵敏度比在硅上表面制作压阻的传统器件高近一倍。 采用普通硅片使用创新的体微机械工艺实现了器件的制作。该工艺包含深沟侧壁扩散+侧壁绝缘槽,使本器件的制作无须采用昂贵的SOI硅片,并且具有工艺流程简单易控、工艺成品率高、与VLSI工艺兼容以制作CMOS-MEMS等优点。 对器件进行了测试。本器件的几个关键测试,均和理论计算值吻合得相当好,验证了前面的设计: 1.半导体电学性能测试成功验证了新工艺的有效性; 2.当外加自检驱动交流电压Vdrive=-15±10cosω0t(V)频率等于谐振频率f0=96.4KHz时,双梁自检峰值输出7.02mV,Q值为74.3; 3.10000g冲击实验,可得器件灵敏度为0.972μV/3.3V/g。 本论文提出的新体硅工艺,除了可以制作这个加速度传感器,还有潜力成为MEMS体硅加工技术中的一项标准工艺,用以在许多场合使用普通硅片替代SOI硅片制作传感器与执行器。
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