微加速度计设计全解
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Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
三、典型结构分析
(a)单悬臂梁
(b)双悬臂梁
(c)双端梁
(d)双岛五梁
(e)双端四梁
(f) 四边梁结构
（g）八梁结构
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
硅
a) 初始
硅 b) 线性 硅 c) 抛物线 二氧化硅的生长阶段
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
腐蚀分为湿法腐蚀和干法腐蚀。利用KOH腐蚀剂在(100) 晶面进行各向异性腐蚀是体硅微机械加工工艺中一种简单 易行且重要的加工工艺。湿法腐蚀形成质量块的时候需要 进行凸角补偿。最常用的凸角补偿方法如下所示。 其中，h=腐蚀深度/0.54 通过上述的方法可以实现 质量块边缘的最佳腐蚀。
电阻条长度
L
P+
L 引线孔
P－
P+ P－
压敏电阻结构图 压敏电阻工艺要求
层 P－ P+ 引线孔
功能 形成压敏电阻
工艺要求 最小宽度 20μm
备注 200Ω/□
与金属形成低阻互连 与P－最小覆盖 5μm 形成金属接触孔 最小宽度8μm
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
微加速度计设计
中北大学 微米纳米技术研究中心
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China 性能指标
1.量程:0～A g、0～B g、0～C g和0～D g 2.抗过载能力大于M g 3.频响范围：>N Hz
d)
衬底
d) 图2 光刻和图形转移过程
衬底
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
热氧化的生长机制:开始时，氧原 子与硅原子结合，二氧化硅的生长是 一个线性过程。大约长了500Å之后， 线性阶段达到极限。为了保持氧化层 的生长，氧原子与硅原子必须相互接 触。在二氧化硅的热生长过程中，氧 气扩散通过氧化层进入到硅表面，因 此，二氧化硅从硅表面消耗硅原子， 氧化层长入硅表面。随着氧化层厚度 的增加，氧原子只有扩散通过更长的 一段距离才可以到达硅表面，因此， 从时间上来看，氧化层的生长变慢， 氧化层厚度、生长率及时间之间的关 系成抛物线形。
晶体 Si
电阻类型 π11 P N +6.6 -102.2
π12
π44
-7.1 +138.1 +53.4 -13.6
为了使所设计的传感器具有较高的结构灵敏度（输出灵敏度），可 以选用N型（100）硅片，在硅片的<011>、<0-11>晶向上通过硼离子注 入得到P型压敏电阻。从而可以利用最大压阻系数——π44。
R3
R2
R4
在加速度作用下
R2 R2 R4 R4 R Uo U Ui R R R R i R R R R R 2 1 2 3 4 3 4 1
惠斯通电桥连接
所以有
U o π1 1 π t t U i
Key Laboratory ห้องสมุดไป่ตู้f Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
L孔
加工单位所能实现 的压敏电阻如右所示。 压敏电阻包括三部分： P－、P+和引线孔，压 敏电阻的宽度由P－决 定，长度由P+决定。
North University of China
工艺条件约束 • 边界约束主要考虑加工工艺的影响，根据某加工单位的实 际加工水平提出的约束条件如下： • 2) 梁宽（b1）： b1>= µm； • 3) 梁长（L1） ： L1 <= µm； • 4) 梁厚（h1）： h1>= µm； • 5) 质量块厚度（h2） h2<= µm; • 由于要在同一批工艺中同时实现复合量程微加速度计中的 四个结构，因此四个结构中质量块的厚度、梁的厚度必须 一致。
North University of China
五、关键工艺介绍
光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技 术。在半导体器件生产过程中，光刻的目的就是按照器件设计 的要求，在二氧化硅薄膜或金属薄膜上面，刻蚀出与掩膜版完 全对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属薄膜布线。
a) 衬底 光刻胶 b) 衬底 光照 掩膜版 c) 衬底
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
N型硅——P型电阻条
P型硅——N型电阻条
结论：设计压阻式 微加速度计时，采 用N型(100)硅片其 输出灵敏度比采用 P型(100)硅片的输 出灵敏度高2倍以 上。
North University of China
版图设计约束 1. 出于测试考虑，电极的最小尺寸为100um*100um。 2. P+层与P+层之间的最小距离为10um。 3. 一个cell的尺寸为9mm*9mm。 4. 划片槽的宽度为300um。
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
第二阶段
结构设计与分析
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
压敏电阻的相对变化量 R 与应力的关系为
R
R π11 π t t πs s π11 π t t R
在平衡情况下
R2 R4 Uo Ui 0 R R R3 R4 2 1
R1
North University of China
• (a)和(b)为悬臂梁式结构，优点是灵敏度高，但其一阶固有频 率低，频率响应范围窄，且横向灵敏度较大。 • (c)～(g)为固支梁结构 ，其一阶固有频率比悬臂梁式结构高 得多，有利于扩大传感器的频率响应范围。但在电桥中压敏电 阻数量相同的情况下，其灵敏度低于悬臂梁式结构。 • (g)图所示的四边八梁结构横向灵敏度最低，但其输出灵敏度也 最低。 • 综合考虑，所要设计的传感器采用 双端四梁结构(e)，该结构 在保证一定的输出灵敏度的基础上能够较好地解决横向灵敏度 的问题。
h h/2
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
干法腐蚀包括PE（等离子体腐蚀），RIE（反应离子腐 蚀），ICP（感应耦合等离子体腐蚀），TCP（变压器耦合 等离子体腐蚀），ECR（电子回旋共振腐蚀）等。干法腐 蚀清洁、干燥，无浮胶现象，工艺过程简单，图形分辨率 高。本结构中最后释放梁-质量块结构采用的就是ICP刻蚀。 由于ICP刻蚀温度较湿法腐蚀高，可能存在残余应力高等 问题。同时，不同的加工单位对ICP刻蚀深度的要求也不 相同。
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
四、设计约束
材料属性约束
硅的材料参数 (μm-μN-kg)
参数 硅
2.33×10-15
EX 1.9×105
PRXY 0.3
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
离子注入是掺杂技术的一种，就是将所需的杂质以一 定的方式掺入到半导体基片规定的区域，并达到规定的数 量和符合要求的分布，以达到改变材料电学性能、制作PN 结、集成电路的电阻和互联线的目的。复合量程微加速度 计中压敏电阻就是通过硼离子注入得到的。
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
溅射镀膜的原理是在真空室内使微量氩气或氦气电 离，电离后的离子在电场的作用下向阴极靶加速运动并 轰击靶，将靶材料的原子或分子溅射出来，在作为阳极 的基片上形成薄膜。溅射（sputtering）已广泛地用于 在基片上沉积铝、钛、铬、铂、钯等金属薄膜和无定形 硅、玻璃、压电陶瓷等非金属薄膜。用溅射法制造的薄 膜均匀性好，可以覆盖有台阶的表面，内应力小，现已 在很大程度取代了蒸发镀膜。
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China 二、硅材料的选择
室温下，N型和P型硅电阻的π11、π12、π44的数值如下。
π 11、π 12、π 44的数值 （10-11 m2/N）
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
六、所用软件
1.Ansys——用于结构设计与仿真，可计算各阶频率和各阶 振型、应力值、结构挠度、结构灵敏度及位移量等。
2. Intellisuite——用于工艺步骤的设计与仿真，同时实 现上述结构参数的仿真计算。 3. L-Edit——用于版图的设计，同时可以模拟工艺过程。 4. Matlab或Maple——用于理论计算。
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
第一阶段
知识的积累
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China 一、压阻式微加速度计的工作原理 压阻效应
以单晶硅为例，当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电 阻率发生显著变化的效应称为压阻效应。
工作原理
压阻式微传感器结构
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China 一、结构尺寸的确定
结构尺寸的确定需要依据 器件的性能指标、各种约束条 件的要求，并能最大限度地提 高结构的输出灵敏度和频带宽 度。在设计过程中可以通过改 变其中一个结构尺寸，计算或 仿真得到一阶固有频率值及梁 上的应力值与该尺寸之间的关 系曲线，从而最终确定结构尺 寸参数。
弯曲强度 70-210
断裂强度 7000
一般硅材料所能承受的最大应变为 103 ，为了保证传 感器的输出具有较好的线性度，悬臂梁根部所承受的最大 应变范围为 4 104～ 5 104 。为了满足这个范围，梁根 部的最大等效应力值不超过80MPa。
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三、典型结构分析
(a)单悬臂梁
(b)双悬臂梁
(c)双端梁
(d)双岛五梁
(e)双端四梁
(f) 四边梁结构
（g）八梁结构
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
硅
a) 初始
硅 b) 线性 硅 c) 抛物线 二氧化硅的生长阶段
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
腐蚀分为湿法腐蚀和干法腐蚀。利用KOH腐蚀剂在(100) 晶面进行各向异性腐蚀是体硅微机械加工工艺中一种简单 易行且重要的加工工艺。湿法腐蚀形成质量块的时候需要 进行凸角补偿。最常用的凸角补偿方法如下所示。 其中，h=腐蚀深度/0.54 通过上述的方法可以实现 质量块边缘的最佳腐蚀。
电阻条长度
L
P+
L 引线孔
P－
P+ P－
压敏电阻结构图 压敏电阻工艺要求
层 P－ P+ 引线孔
功能 形成压敏电阻
工艺要求 最小宽度 20μm
备注 200Ω/□
与金属形成低阻互连 与P－最小覆盖 5μm 形成金属接触孔 最小宽度8μm
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微加速度计设计
中北大学 微米纳米技术研究中心
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China 性能指标
1.量程:0～A g、0～B g、0～C g和0～D g 2.抗过载能力大于M g 3.频响范围：>N Hz
d)
衬底
d) 图2 光刻和图形转移过程
衬底
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
热氧化的生长机制:开始时，氧原 子与硅原子结合，二氧化硅的生长是 一个线性过程。大约长了500Å之后， 线性阶段达到极限。为了保持氧化层 的生长，氧原子与硅原子必须相互接 触。在二氧化硅的热生长过程中，氧 气扩散通过氧化层进入到硅表面，因 此，二氧化硅从硅表面消耗硅原子， 氧化层长入硅表面。随着氧化层厚度 的增加，氧原子只有扩散通过更长的 一段距离才可以到达硅表面，因此， 从时间上来看，氧化层的生长变慢， 氧化层厚度、生长率及时间之间的关 系成抛物线形。
晶体 Si
电阻类型 π11 P N +6.6 -102.2
π12
π44
-7.1 +138.1 +53.4 -13.6
为了使所设计的传感器具有较高的结构灵敏度（输出灵敏度），可 以选用N型（100）硅片，在硅片的<011>、<0-11>晶向上通过硼离子注 入得到P型压敏电阻。从而可以利用最大压阻系数——π44。
R3
R2
R4
在加速度作用下
R2 R2 R4 R4 R Uo U Ui R R R R i R R R R R 2 1 2 3 4 3 4 1
惠斯通电桥连接
所以有
U o π1 1 π t t U i
Key Laboratory ห้องสมุดไป่ตู้f Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
L孔
加工单位所能实现 的压敏电阻如右所示。 压敏电阻包括三部分： P－、P+和引线孔，压 敏电阻的宽度由P－决 定，长度由P+决定。
North University of China
工艺条件约束 • 边界约束主要考虑加工工艺的影响，根据某加工单位的实 际加工水平提出的约束条件如下： • 2) 梁宽（b1）： b1>= µm； • 3) 梁长（L1） ： L1 <= µm； • 4) 梁厚（h1）： h1>= µm； • 5) 质量块厚度（h2） h2<= µm; • 由于要在同一批工艺中同时实现复合量程微加速度计中的 四个结构，因此四个结构中质量块的厚度、梁的厚度必须 一致。
North University of China
五、关键工艺介绍
光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技 术。在半导体器件生产过程中，光刻的目的就是按照器件设计 的要求，在二氧化硅薄膜或金属薄膜上面，刻蚀出与掩膜版完 全对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属薄膜布线。
a) 衬底 光刻胶 b) 衬底 光照 掩膜版 c) 衬底
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N型硅——P型电阻条
P型硅——N型电阻条
结论：设计压阻式 微加速度计时，采 用N型(100)硅片其 输出灵敏度比采用 P型(100)硅片的输 出灵敏度高2倍以 上。
North University of China
版图设计约束 1. 出于测试考虑，电极的最小尺寸为100um*100um。 2. P+层与P+层之间的最小距离为10um。 3. 一个cell的尺寸为9mm*9mm。 4. 划片槽的宽度为300um。
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North University of China
第二阶段
结构设计与分析
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North University of China
压敏电阻的相对变化量 R 与应力的关系为
R
R π11 π t t πs s π11 π t t R
在平衡情况下
R2 R4 Uo Ui 0 R R R3 R4 2 1
R1
North University of China
• (a)和(b)为悬臂梁式结构，优点是灵敏度高，但其一阶固有频 率低，频率响应范围窄，且横向灵敏度较大。 • (c)～(g)为固支梁结构 ，其一阶固有频率比悬臂梁式结构高 得多，有利于扩大传感器的频率响应范围。但在电桥中压敏电 阻数量相同的情况下，其灵敏度低于悬臂梁式结构。 • (g)图所示的四边八梁结构横向灵敏度最低，但其输出灵敏度也 最低。 • 综合考虑，所要设计的传感器采用 双端四梁结构(e)，该结构 在保证一定的输出灵敏度的基础上能够较好地解决横向灵敏度 的问题。
h h/2
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
干法腐蚀包括PE（等离子体腐蚀），RIE（反应离子腐 蚀），ICP（感应耦合等离子体腐蚀），TCP（变压器耦合 等离子体腐蚀），ECR（电子回旋共振腐蚀）等。干法腐 蚀清洁、干燥，无浮胶现象，工艺过程简单，图形分辨率 高。本结构中最后释放梁-质量块结构采用的就是ICP刻蚀。 由于ICP刻蚀温度较湿法腐蚀高，可能存在残余应力高等 问题。同时，不同的加工单位对ICP刻蚀深度的要求也不 相同。
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
四、设计约束
材料属性约束
硅的材料参数 (μm-μN-kg)
参数 硅
2.33×10-15
EX 1.9×105
PRXY 0.3
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
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离子注入是掺杂技术的一种，就是将所需的杂质以一 定的方式掺入到半导体基片规定的区域，并达到规定的数 量和符合要求的分布，以达到改变材料电学性能、制作PN 结、集成电路的电阻和互联线的目的。复合量程微加速度 计中压敏电阻就是通过硼离子注入得到的。
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
溅射镀膜的原理是在真空室内使微量氩气或氦气电 离，电离后的离子在电场的作用下向阴极靶加速运动并 轰击靶，将靶材料的原子或分子溅射出来，在作为阳极 的基片上形成薄膜。溅射（sputtering）已广泛地用于 在基片上沉积铝、钛、铬、铂、钯等金属薄膜和无定形 硅、玻璃、压电陶瓷等非金属薄膜。用溅射法制造的薄 膜均匀性好，可以覆盖有台阶的表面，内应力小，现已 在很大程度取代了蒸发镀膜。
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China 二、硅材料的选择
室温下，N型和P型硅电阻的π11、π12、π44的数值如下。
π 11、π 12、π 44的数值 （10-11 m2/N）
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
六、所用软件
1.Ansys——用于结构设计与仿真，可计算各阶频率和各阶 振型、应力值、结构挠度、结构灵敏度及位移量等。
2. Intellisuite——用于工艺步骤的设计与仿真，同时实 现上述结构参数的仿真计算。 3. L-Edit——用于版图的设计，同时可以模拟工艺过程。 4. Matlab或Maple——用于理论计算。
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China
第一阶段
知识的积累
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China 一、压阻式微加速度计的工作原理 压阻效应
以单晶硅为例，当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电 阻率发生显著变化的效应称为压阻效应。
工作原理
压阻式微传感器结构
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
North University of China 一、结构尺寸的确定
结构尺寸的确定需要依据 器件的性能指标、各种约束条 件的要求，并能最大限度地提 高结构的输出灵敏度和频带宽 度。在设计过程中可以通过改 变其中一个结构尺寸，计算或 仿真得到一阶固有频率值及梁 上的应力值与该尺寸之间的关 系曲线，从而最终确定结构尺 寸参数。
弯曲强度 70-210
断裂强度 7000
一般硅材料所能承受的最大应变为 103 ，为了保证传 感器的输出具有较好的线性度，悬臂梁根部所承受的最大 应变范围为 4 104～ 5 104 。为了满足这个范围，梁根 部的最大等效应力值不超过80MPa。
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