硼掺杂工艺对微加速度计性能的影响

摘要

微加速度计作为微惯性测量组合（MIMU）的核心元件，具有小型化、低能耗、高精度、高集成度等优点。本文所研究的叉指式加速度传感器是各类加速度计产品中的代表，在强势的市场需求牵引和高新技术推动下，叉指式加速度计的设计和研制已经成为MEMS领域研究热点之一。
　　为了提高硅片的电学性能以及提供腐蚀的高选择性，微加速度计的加工采用基于浓硼掺杂的自停止腐蚀技术，硼原子代替硅原子的掺杂工艺会产生晶格失配现象，导致表芯结构发生翘曲现象，梳齿之间的间距和正对面积会产生变化，从而改变微加速度计的检测电容。此外，深反离子刻蚀（DRIE）工艺的工艺误差会使折叠梁的实际宽度小于设计宽度，梁的刚度会发生改变，从而影响微加速度计的输出。当同时考虑掺杂工艺引起的结构变形以及DRIE刻蚀工艺引起的结构误差，微加速度计的静电刚度、灵敏度、零位等性能指标的分析将变得更加复杂。本文主要研究内容有：
　　1.建立微加速度计表芯结构的多层等效模型，计算出每一个可动梳齿在敏感方向上的收缩量以及厚度方向的翘曲值。并根据结构变性特点，推导硼掺杂表芯的电容表达式以及微加速度计的灵敏度随掺杂深度的变化趋势。
　　2.考虑硼掺杂和DRIE工艺误差的共同作用，建立质量块平移的力学模型，求出质量块的整体位移并推导出两种非理想因素共同作用下微加速度计的静电刚度、灵敏度和零位的解析表达式。结果表明：质量块的平移随折叠梁误差的增大而增大，当梁误差e最大值为0.3μm时，质量块平移达到最大值7.93nm。
　　3.利用有限元分析软件COMSOLMUTIPHYSICS，仿真分析了硼掺杂的微加速度计梳齿电容和灵敏度；随后建立硼掺杂与梁误差同时作用的表芯模型，仿真分析差分电容以及灵敏度、零位输出等性能指标，同时与理论计算结果对比。

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第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要工作

第二章微加速度计的工作原理及加工工艺

2.1微加速度计的工作原理与模型

2.2硅微机械加工技术简介

2.3微加速度计工艺流程及关键工艺

2.4本章小结

第三章硼掺杂工艺及DRIE工艺对微加速度计的影响

3.1硼掺杂对结构材料性能的影响

3.2翘曲理论模型

3.3翘曲变形对极板电容的影响

3.4 DRIE工艺误差对折叠梁刚度的影响

3.5硼掺杂和DRIE工艺共同作用产生的质量块平移位移

3.6本章小结

第四章叉指电容仿真和计算

4.1有限元简介

4.2叉指式加速度计仿真模型建立

4.3只考虑硼扩散

4.4掺杂和梁误差共同作用

4.5本章小结

第五章叉指式微加速度计性能指标

5.1静电刚度

5.2灵敏度

5.3零位

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1本文总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的成果