电科专业--微电子机械系统第四章

Micro-Electro-MechanicalSystem微电子机械系统分章目录第一章总论第二章集成电路的基本制造技术第章集成电路的基本制造技术第三章MEMS的制造技术第四章力学传感器第四章CMOS力学传感器第五章CMOSRFMEMS第六章CMOS声学与热学器件第七章CMOS生物化学传感器第七章CMOS生物化学传感器第八章MEMS微执行器第九章接口电路与系统集成Micro-Electro-MechanicalSystem第四章CMOS力学传感器§4.1压力传感器的基本原理§4.2CMOS集成压力传感器§4.3多晶硅电容式压力传感器§4.4惯性传感器的工作原理§4.5集成多晶硅惯性传感器惯性传器的作原§4.6CMOS薄膜惯性传感器§体硅集成惯性传感§4.7体硅集成MEMS惯性传感器Micro-Electro-MechanicalSystem第四章CMOS力学传感器§4.1压力传感器的基本原理§4.2CMOS集成压力传感器§4.3多晶硅电容式压力传感器§4.4惯性传感器的工作原理§4.5集成多晶硅惯性传感器惯性传器的作原§4.6CMOS薄膜惯性传感器§体硅集成惯性传感§4.7体硅集成MEMS惯性传感器§4.1压力传感器的基本原理Micro-Electro-MechanicalSystem¾压力传感器的基本结构Æ集成压力传感器就是将压力敏感的传感器和信号处理电路集成在一起。¦通常，传感器本身是嵌有压阻的微机械薄膜，压阻用来检测应力。信号处理就是对传感器的信号进行放大和取样，以及对信号进行补偿和校准等。¦选择硅作为微机械压力传感器和信号处理电路的材料。这种集成的关键在于：将制造机械部件和电学器件所需的工艺步骤集成在一起。要考虑的有工艺兼容性、多晶硅和单晶硅的弹性和压阻材料的特性，以及对微机械结构尺度的精确控制等因素。¦测量力和压力的方法有多种，昀常用的是把力转换成材料的长度或高度的变化来测量，即采用弹性元件。材料尺寸的变化通过传感器来测量，传感器元件可能是压阻计、谐振应变片或变化的电容等。力、压力弹性元件传感元件电输出信号¦按照读出机制的不同，可分为三大类：压阻式、电容式和谐振式传感器。§4.1压力传感器的基本原理Micro-Electro-MechanicalSystem¾压阻式传感器Æ右图所示的惠斯通电桥由四个电阻R1、R2、12R3、R4构成，输出电压为VRRRRV4231−()()inoutVRRRRV43214231++=个集成在薄膜表上每个的弯曲惠斯通电桥¦四个压阻集成在薄膜表面上，每个压阻的弯曲应力是薄膜所受压力的函数，而压阻输出又由弯曲（或拉伸）应力决定。曲或拉伸应力决定各向异形薄膜器的版异性腐蚀硅膜及压力传版图示意图硅方传感图§4.1压力传感器的基本原理Micro-Electro-MechanicalSystem¾压阻式传感器圆形（100）硅膜上使用径向和切向的高压传感器KPY60使用径向压阻和周向压阻的圆膜使用环形方膜低压量块用形膜的低压压传感器，用于改善线压传感器中心质线性度§4.1压力传感器的基本原理Micro-Electro-MechanicalSystem¾谐振式传感器Æ梁中心点的力F所引起的两端固定梁的挠度w是梁上各点位置x的函数，即()xLxEIFw43482−=四点弯曲梁传感器()EI48¦昀大挠度发生在梁中间的凸起处（L/2）3⎟⎞⎜⎛LF¦昀大挠度发生在梁中间的凸起处（x=L/2）：max16⎟⎠⎜⎝=hEbw长度变片被¦对于长度为L的应变片，被测的平均应力为：()∫−==LnlLFhdxwh2ε()∫==lLELdxw02162ε从上式可以看出，被测应力随应变片长度的增加而增加。上式是设计传感器重要的理论基础。§4.1压力传感器的基本原理Micro-Electro-MechanicalSystem¾电容式传感器Æ在简单传感器结构中，电极之一为挠曲膜，这时电容由如下积分给出∫∫=dxdyCε∫∫−=dxdyyxwdC),(¦如果膜是带中部凸起的，此电容只由凸起部用内部数字电极作线性补偿的电容式压力传感器分的电容部分决定，电容简化为AC=ε电容式压力传感器ddCΔ−=此外还要考虑寄生电容等因素此外，还要考虑寄生电容等因素。Micro-Electro-MechanicalSystem第四章CMOS力学传感器§4.1压力传感器的基本原理§4.2CMOS集成压力传感器§4.3多晶硅电容式压力传感器§4.4惯性传感器的工作原理§4.5集成多晶硅惯性传感器惯性传器的作原§4.6CMOS薄膜惯性传感器§体硅集成惯性传感§4.7体硅集成MEMS惯性传感器§4.2CMOS集成压力传感器Micro-Electro-MechanicalSystem¾CMOS与MEMS集成的动机Æ集成压力传感器将压力敏感的薄膜传感器和信号放大、处理和读出电路集成在一起。薄膜既可以用体微机械加工，也可以用表面微机械加工方式实现。根据薄膜材料的不同（单晶硅或多晶硅），常常可以使用注入（扩散）压阻或电容的方法来检验薄膜的挠度。验薄膜的挠度。Æ电路方面，既有纯模拟电路，也有提供数字转换的电路。既可以使用CMOS工艺，也可以使用双极或BiCMOS工艺。也可以使用双极或BiCMOS工艺。¦实现单片集成的第一种方式，就是简单的取样、放大、补偿、校准和输出传感器信号实现单片集成的第二种方式就是把传感器系统和专用处理器集成在一起信号；实现单片集成的第二种方式，就是把传感器系统和专用处理器集成在一起。¦MEMS是实现传感器和执行器的关键。在MEMS中采用硅材料是因为它不仅仅有众所周知的优异的电特性而且还有良好的机械特性和稳定性众所周知的优异的电特性，而且还有良好的机械特性和稳定性。¦不过，压力传感器的性能设计取决于应用，所以压力传感器并没有一种通用的或者说昀佳的设计制造和封装方法而是存在着不同的设计方法者说昀佳的设计、制造和封装方法，而是存在着不同的设计方法。§4.2CMOS集成压力传感器Micro-Electro-MechanicalSystem¾薄膜加工中的膜厚控制Æ薄膜厚度是对传感器影响巨大的一个参数。在体微机械加工中，膜厚度是通过腐蚀艺和特别的腐蚀停止技术来控制的为将件性能的变化控制在合的范蚀工艺和特别的腐蚀停止技术来控制的。为了将器件性能的变化控制在合理的范围内，必须要控制薄膜厚度。Æ腐蚀停止技术有）定时腐蚀停止技术）硼腐蚀自停止和腐蚀自停止技术Æ腐蚀停止技术有1）定时腐蚀停止技术。2）硼腐蚀自停止和p++腐蚀自停止技术。3）电化学腐蚀自停止技术。Æ常来进行硅的各向性法腐蚀腐蚀速率在之间Æ常用HNA来进行硅的各向同性湿法腐蚀。腐蚀速率在0.7~40μm/min之间。Æ各向异性腐蚀液有KOH、EDP（乙二胺邻苯二酚）、TMAH（四甲基氢氧化铵(CH)NOH）等(CH)4NOH）等。¦KOH腐蚀速率1μm/min量级，KOH腐蚀（100）面和（111）面的腐蚀速率比为400:1。EDP对（100）晶面和（110）晶面的腐蚀速率比KOH小，但是EDP对氧化物的选择性约为KOH的100倍。TMAH的腐蚀速率取决于晶向、浓度和温度，（100）和（110）面典型腐蚀速率为1μm/min，（100）面和（111）面的腐蚀速率比为10:1和（）面典型腐蚀速率为μ，（）面和（）面的腐蚀速率比为至35:1。§4.2CMOS集成压力传感器Micro-Electro-MechanicalSystem¾集成应变计的薄膜Æ1962年，Tufte描述了一种“集成薄膜”，将压阻应变计做到薄膜之中。相比传统的安装式或粘合式应变的方法昀的优点就集成内嵌的丝状应变对的安装式或粘合式应变计的方法，昀明显的优点就是集成（内嵌）的丝状应变计对纵向和横向的压阻效应都很敏感。Ishihara等人首先验证了CMOS集成的体硅机械加工压力传感器传感器包含了一张硼注入形成的p型压阻的薄膜，标准CMOS工艺的基础上结合电化学腐蚀自停止技术和玻璃静电键合技术。§4.2CMOS集成压力传感器Micro-Electro-MechanicalSystem¾带有氮化硅膜和多晶硅压阻的体加工和表面加工压力传感器ÆSugiyama等人实现了一种特别的方法，将体微机械加工和表面微机械加工结合在起使碱性腐蚀液腐蚀多硅牺牲并各向异性腐蚀体硅材料从一起，使用碱性腐蚀液（KOH）腐蚀多晶硅牺牲层并且各向异性腐蚀体硅材料，从而在淀积多晶硅的SiN层薄膜下面制造一个金字塔形的大空腔。§4.2CMOS集成压力传感器Micro-Electro-MechanicalSystem¾带有氮化硅膜和多晶硅压阻的体加工和表面加工压力传感器Æ也可仅使用表面硅工艺加工薄膜。低压化学气相淀积（LPCVD）200nm厚的多晶硅牺牲并将其刻成直径为的板多硅牺牲夹在硅牺牲层并将其刻成（RIE）直径为100μm的圆板。多晶硅牺牲层夹在两层LPCVD形成的Si3N4层中（上层50nm，下层100nm）。表面硅微机械加工的带有氮化硅膜和内嵌多晶硅压阻的压力传感器的截面图¦这种有微腔的压力传感器压力范围在0~300kPa内，线性度优于1%，灵敏度为10μV/V/kPa。§4.2CMOS集成压力传感器Micro-Electro-MechanicalSystem¾焊接键合体加工电容压力传感器ÆRogge等人描述了一种包含CMOS信号调理电路和焊接键合压力传感器芯片的压力传感器。压力传感器芯片包含作为电容输入上电极的体微机械加工（KOH腐蚀和电化学腐蚀自停止）薄膜械加工（KOH腐蚀和电化学腐蚀自停止）薄膜。焊框（Au/Sn或SnPb）电镀在传感器圆片上，同时也提供上电极的电连接。由CMOS信号调理电路和焊接键合体硅机械压力传感器芯片构成的电容式压力传感器截面图压力传感器截面图¦如果压力传感器的薄膜为1.4mm×1.8mm=2.52mm2，无压力时两块电容极板间距20μm。2.52mm，无压力时两块电容极板间距20μm。那么加300mbar压力时，传感器电容为1.5pF（不考虑寄生电容），灵敏度0.8fF/mbar。电容式压力传感器读出电路的开关电容增益放大器容增益放大器§4.2CMOS集成压力传感器Micro-Electro-MechanicalSystem¾采用阳极键合玻璃密封的电容式绝对压力传感器ÆChavan和Wise描述了一种结合了体微机械加工和表面微机械加工及CMOS的模块压力传感器。一共20个掩膜，使用硅和玻璃键合密封。CMOS集成压力传感器的截面图键合玻璃片为绝对压力传感器参考腔并为CMOS集成压力传感器的截面图。键合玻璃片为绝对压力传感器参考腔并为CMOS电路提供真空密封¦通过三级编程开关电容电路来实现电容到电压的转换。第一级是全差分电容积分转器，第二级是差分输入单端输出的可变增益放大器，这两级都是折叠共源共栅跨导放大器（OTAs）。第三级是采样-保持放大器，使用相关双采样来消除运算放大器的失调电压这种三级可编程开关电容电路可以多路处理五个不同压力传感器的信号调电压。这种三级可编程开关电容电路可以多路处理五个不同压力传感器的信号。§4.2CMOS集成压力传感器Micro-Electro-MechanicalSystem¾使用硅片键合技术的MEMS-CMOSÆParameswaran等人描述了一种预制CMOS电路腔的CMOS集成压力传感器。MEMSCMOS的工艺流程。流程从前CMOS步骤开始，p型器件片带有n型外延层，器件片和工作片键合。工作片上有等离子刻蚀的腔。经过磨片、抛光和腐蚀，形成一块有外延层和隐埋微机械腔的衬底。这块衬底进行CMOS加工。昀后，像前CMOS步骤中的深延层和隐埋微机械腔的衬底。这块衬底进行CMOS加工。昀后，像前CMOS步骤中的深槽刻蚀一样，进行后CMOS微机械加工步骤，包括背面各向异性腐蚀和结构释放腐蚀。Micro-Electro-MechanicalSystem第四章CMOS力学传感器§4.1压力传感器的基本原理§4.2CMOS集成压力传感器§4.3多晶硅电容式压力传感器§4.4惯性传感器的工作原理§4.5