多晶硅电阻电热激励/压阻检测微谐振式加速度计研究

摘要

MEMS加速度计具有体积小、重量轻、功耗小、成本低和过载能力强等特点,广泛应用于航空航天、导弹制导、通用航空、车辆控制、工业自动化、探矿、医疗卫生、玩具、智能手机、平板电脑、地震监测、网联网等领域。
　　本文提出一种基于多晶硅电阻电热激励、压阻检测微谐振梁的谐振式加速度计。在二氧化硅和氮化硅薄膜之上制作的多晶硅激励和检测电阻避免了单晶硅电阻存在的 PN结漏电问题;减小了激励信号和拾振信号之间的耦合干扰,从而降低测试电路滤波的难度。
　　论文采用理论计算和有限元分析软件对器件进行了热力学分析、静力学分析和动力学分析,获得了谐振梁的谐振频率与结构尺寸、材料特性、静态热功率、惠斯通检测电桥焦耳热及加速度之间的解析表达式,据此对微谐振式加速度计的结构参数进行了优化设计。
　　器件的谐振单元采用由热氧化法生长的 SiO2薄膜、LPCVD淀积的氮化硅薄膜和 PECVD法淀积的氮化硅薄膜组成的微谐振梁结构。合理设计三者的厚度使得谐振梁的初始应力状态为张应力,补偿工作时静态激励功率和检测电桥焦耳热引起的热应力,避免谐振梁产生压屈形变。
　　采用KOH溶液湿法腐蚀和ICP干法刻蚀相结合的工艺制作器件结构节约成本。选取两个分支长度不等的<110>补偿条作为质量块凸角的补偿图形,减小了凸角的削角比,并且占用较小的芯片面积;设计夹具和 AR-PC504耐腐蚀胶相结合的措施对Al线保护,减少了工序的重复。通过优化刻蚀气体及流量参数获得不同材料的最优ICP刻蚀工艺参数。最后,论文研究了微梁释放断裂的原因并改善释放工艺,提高了器件的成品率。
　　采用Agilent万用表测得多晶硅电阻温度系数为33.2ppm/℃,采用手动扫频的方式测得谐振梁的谐振频率达216.20KHz。测试了静态激励功率和惠斯通检测电桥焦耳热对谐振频率的影响,拟合了二者之间的关系表达式。最后自由落体实验测得1g的加速度作用下谐振频率偏移量为25Hz。

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1 引言

1.1 微机械加速度计的概述

1.2 谐振式微机械加速度计的研究现状

1.3 本课题研究的内容

2 多晶硅电阻电热激励/压阻检测微谐振式加速度计工作原理

2.1 多晶硅电阻电热激励/压阻检测微谐振式加速度计的基本结构

2.2 谐振梁的激励和检测原理

2.3 多晶硅电阻电热激励/压阻检测微谐振式加速度计理论分析

2.4 谐振梁静态激励功率和检测电桥焦耳热对谐振频率的影响

2.5 本章小结

3 多晶硅电阻电热激励/压阻检测微谐振式加速度计工艺研究

3.1 微谐振式加速度计的制作工艺流程

3.2 谐振梁应力补偿技术

3.3 质量块在KOH溶液腐蚀中的凸角保护技术

3.4 KOH溶液腐蚀过程中的铝线保护技术

3.5 ICP刻蚀研究

3.6 谐振梁的释放工艺

3.7 本章小结

4 多晶硅电阻电热激励/压阻检测微谐振式加速度计性能测试

4.1 多晶硅电阻温度系数测试

4.2 谐振梁的谐振频率测试

4.3 加速度计自由落体实验

4.4 本章小结

5 总结和展望

参考文献

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