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MEMS大作业论文
湘潭大学材料与光电物理学院
MEMS加速度计
院系：
材料与光电物理学院
班级：
10级微电子学2班
组员：
万传民、万孟群、童烨星、刘森、杨柳
目录
1引言2
2电容加速度计4
2.1电容式加速度计的简介4
2.2电容加速度计的原理4
2.3几种电容加速度计的比较5
3基于SOI结构的梳齿式电容加速度计的工艺过程8
3.1SOI的介绍8
3.2键合技术8
3.3Notching效应的避免9
3.4SOI技术制造电容加速度计的一般步骤10
4电容加速度计的一些应用11
4.1电容加速度计安全气囊的应用11
4.2电容式加速度计在计步器上的应用11
5发展现状13
6结论13
摘要:
加速度传感器的设计与研究在国内外已经持续了很多年。
在这段研究中，各式各样的加速度计在不断出现。
本文侧重介绍了电容式加速度计的各种结构，原理以及SOI结构的电容加速度计的实现以及一些用途。
关键词:
MEMS电容式加速度计SOI
1引言
MEMS技术发展的始点是集成电路（IC）技术。
Intel公司1971年推出的Intel4004处理器芯片只集成了2250个晶体管，1982年问世的Intel286集成了120000个晶体管，而1999年推出的PentiumⅢ处理器集成的晶体管数目则达到了24000000。
集成电路技术惊人的发展速度，是其它领域不能匹敌的。
每隔12到18个月，芯片上晶体管的集成密度就会翻倍，这个增长规律被称为摩尔定律（MooreLaw）。
这么多年以来，集成电路产业按照摩尔定律一直发展到今天，推动着信息社会的迅速发展。
电子器件小型化和多功能集成是微加工技术的推动力。
如果没有微加工和小型化技术的迅猛发展，许多今天看来理所当然的科学和工程成就就都不能实现。
这些应用包括成指数级增长的计算机和互联网的应用、蜂窝电话、数码照相（摄像、存储、传输和显示）、平板显示、等离子电视、节能汽车、人类基因组测序（大约包括有30亿个碱基对）、快速的DNA序列识别、新材料和药物的发现以及电子战等。
MEMS是由集成电路技术发展而来，经过大约20年的萌芽阶段，开展了一些有关MEMS的零散研究，使得体硅加工技术和表面加工技术迅速成熟起来。
到了20世纪90年代，全世界的MEMS研究进入了一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。
一批研究成果有了实际应用。
其中最典型的是美国AnalogDevices（模拟器件）公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器和美国TexasInstruments（德州仪器）公司生产的用于投影显示的数字光处理芯片。
与传统宏观的机电系统相比，MEMS技术有与其区别的自身本质特征：
（1）小型化。
典型的MEMS器件的长度尺寸大约在1um-1cm之间，当然，MEMS器件阵列或整个MEMS系统的尺寸会更大些。
小尺寸能够实现柔性支撑、带来高谐振频率、低热惯性等很多优点。
小型化可能带来一些问题，比如有些在宏观尺度下非常显著的物理效应，当器件尺寸变小以后，性能可能变得很差。
还有就是，有些对于宏观器件可忽略的物理效应，在微观尺度范围内会突然变得突出，即比例尺度定律。
（2）微电子集成。
MEMS最独特的特点之一就是可以将机械传感器和执行器与处理电路和控制电路同时集成在同一块芯片上。
这种单片集成技术应用整片衬底的加工流程，将不同部件集成在单片衬底上，不包含机械拾取或人工装配等混合组装方法。
光刻技术可以确保器件尺寸和元件位置的精确性。
（3）高精度的批量制造。
MEMS加工技术可以高精度地加工二维、三维结构，而采用传统的机械加工技术不能重复地、高效地、或者低成本地加工这些微结构。
结合光刻技术，MEMS技术可以加工独特的三维结构，传统的机械加工和制造技术制备这些结构难度大、效率低。
现代光刻系统和光刻技术可以很好地定义结构、整片工艺的一致性好、批量制造的重复性也非常好。
MEMS技术带来了传感器和执行器的革命性变化。
一般来说，传感器是用来探测和监测物理化学现象的器件，而执行器是用来产生机械运动、力和扭矩的器件。
传感器和执行器可以统称为换能器，换能器可以实现信号和能量由一种能量转换为另一种能量。
比较受关注的能域主要有六个，分别是电能、机械能、化学能、辐射能、磁能和热能。
本论文将要论述到的是加速度传感器，它是将运动物体的机械能转化为相应电容的变化，再通过接口电路分析相应加速度。
传感器可分为两类：
物理传感器和生化传感器。
物理传感器测量力、加速度、压力、温度、流速、声波振动和磁场强度等物理量。
加速度传感器就是一种典型的物理传感器。
2电容加速度计
随着硅微加工的迅速发展，各种器件开始出现，加速度传感器就是其中一种运用比较成功、范围较广的器件。
它和其它种种MEMS器件一样，具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点，而且因为其加工工艺一定程度上与传统的集成电路工艺兼容，易于实现数字化、智能化以及批量生产，因而从问世起就引起广泛关注，并且在汽车安全气囊、心脏起搏器、地震检测等方面得到了广泛应用。
2.1电容式加速度计的简介
加速度计是一种测量物体运动加速度的传感器，而加速度这个物理量可以描述一个物体的运动状态，静止，转动或者加速运动等。
通过加速度计反馈的信号可以了解物体的运动状态。
正是由于加速度计的这种特性，所以加速度计广泛应用于角度测量，振动和摇晃检测，智能控制，汽车电子等领域。
按照产生加速度的原理可以分为压电式加速度计，压阻式加速度计，电容式加速度计，谐振式加速度计，遂穿式加速度计等。
基于电容变化的原理来对加速度进行检测的微机械电容式加速度计具有制作工艺简单、温度系数小、稳定性好、阻尼系数容易控制等优点，因而得到了广泛的应用。
电容式加速度传感器的基本参数如固有频率，非线性度，分辨率、量程、稳定性等首先取决于其本身结构。
因此，对其进行结构设计研究具有重要的理论意义及应用价值。
在某些领域电容加速度计无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。
电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统（MEMS）工艺，在大量生产时变得经济，从而保证了较低的成本。
所以研究电容式加速度计就变得非常重要。
2.2电容加速度计的原理
电容式微加速度传感器的基本结构是质量块与固定电极构成的电容。
当加速度使质量块产生位移时改变电容的重叠面积或间距。
检测到的电容信号经过前置放大、信号调理后，以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。
如图2.1所示，电容式加速度传感器由两块固定电极夹着一块活动电极。
在静止的情况下，活动电极与两块固定电极的距离均为d0形成两个大小为C0的串联的电容。
当加速度传感器检测加速度时，活动电极受加速度力产生位移，两个电容的d发生变化。
根据平行板电容的计算公式：
可求得当质量块有微小位移
时，上下两极板的电容分别为
由于此时电容值和极板间隙不是线性关系，常常采用差动电容检测方式以解决线性问题：
上式在
时成立。
图2.1三明治式电容加速度计原理图
敏感质量由于加速度造成的微小位移（内部质量块弹性连接）
，又
∴
，灵敏度
。
由上式可以看出，加速度与上下极板电容的差值成正比
2.3几种电容加速度计的比较
按照结构划分，电容式加速度计可以分成三明治式，扭摆式和梳齿式。
三明治式电容加速度计（图2.2）需要双面光刻，加工工艺设备较多．器件加工制造难度较大：
井因为悬臂支撑梁所能承受的应力有限，这种传感器所能测量的最大加速度值较小。
图2.2三明治式电容加速度计的结构示意图
扭摆式是基于三明治式，扭摆式微加速度计的两个固定电容极板设计在活动极板的同一侧形成的。
由图2.3扭摆式微加速度计的结构可以看出，位于支承弹性粱两边的敏感质量和惯性矩不相等，当有垂直于基片的外界加速度作用时，敏感质量片将围绕支承弹性粱扭转，结构电容大小发生变化，一对结构电容增大，一对结构电容减小．从而形成结构差动电容，测量此差动电容值即可得到外界输入的加速度载荷大小。
这种传感器结构比较简单，不需要双面光刻．且能进行较大加速度值的测量。
梳齿式电容加速度计（图2.4）利用若干对梳齿形状的电极形成检测电容和加力电容，它的一个明显优点就是利用增加电极数的方式来增大检测电容。
梳齿有定齿和动齿两种，定齿固定在基片上，动齿则附着在检测质量上。
检测质量由弹簧支撑于基片上。
当有外部加速度输入时，动齿随同检测质量一起运动，并产生微位移，引起动齿与定齿之间电容的变化，电容的变化量可以通过检测电路检测出来，进而检测出微位移和输入加速度的值。
其键台强度高、面积大、难度低，键台接触电阻小、均匀且成品率高，提高了加速度计的分辨率和精度。
但是结构相对比较复杂，加工起来难度较大。
图2.3扭摆式电容加速度计结构示意图
图2.4.疏齿式电容加速度计结构示意图
3基于SOI结构的梳齿式电容加速度计的工艺过程
3.1SOI的介绍
SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。
通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：
可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。
此外，SOI材料还被用来制造MEMS光开关，如利用体微机械加工技术。
制备SOI结构：
有四种方法：
硅片键合技术（最常见最普遍），SMOX注氧技术（氧注入深度有限，所以一般适用于薄层制备），键合与注氧相结合的智能加工技术（制得的SOI结构顶部硅膜的均匀性好，是最优的加工技术，但是成本较高，对加工工艺水平要求较高）。
图3.1SOI结构示意图
3.2键合技术
键和技术是指在室温下两个硅片受范德瓦耳斯力作用相互吸引，硅片表面基团发生化学作用而键合在一起的技术。
如图3.2键合技术的示意图；
在建合工艺流程中，还用到的工艺有：
湿法腐蚀：
先将材料氧化，再通过化学反应使一种或多种氧化物或络合物溶解，包括：
湿法化学腐蚀和湿法电化学腐蚀。
干法腐蚀：
ICP：
等离子体刻蚀；RIE：
反应离子刻蚀。
图3.2键合技术的示意图
湿法腐蚀较难达到所需的精确长宽比要求，所以采用ICP和RIE等干法刻蚀技术进行器件的加工制作。
RIE是刻蚀气体在电场作用下产生游离离子，对刻蚀对象进行轰击，同时生成挥发性气体，从而实现对刻蚀物刻蚀的一种技术。
这种刻蚀技术的刻蚀速度高，可获得精细的结构形状，同时对掩膜也没有特别的要求。
ICP是将化学活泼气体，例如CCl2F2气体，放入存在大量中性离子的等离子体中（例如惰性气体氩气），产生离子问的高能反应，局部升华导致基底材料的去除。
图3.3其他工艺
3.3Notching效应的避免
Notching效应是指在刻蚀不同的槽宽时，为确保相对较宽的槽的刻蚀完整准确，在窄槽两侧的梳齿结构根部形成过刻蚀的情况。
工艺中为避免Notching效应通过调节工艺参数如刻蚀功率、刻蚀速度、刻蚀气体流量、控制等离子体密度等方法，来提高刻蚀效率，改善刻蚀过程中的Notching效应。
在微加速度计器件加工制作过程中，将采用国内已开发出来的金属离子吸附薄膜工艺技术，在正常的惯性器件加工制作过程中，添加一次溅射工艺，即在整个器件的结构层下面溅射一层辅助的金属薄膜，利用此金属薄膜对等离子体的吸附作用来减弱刻蚀气体对微加速度计梳齿根部的侧向刻蚀，从而可以较好的达到克服notching效应的结果，方法具体如图3.4左图所示，最后等待刻蚀过程结束后再将金属薄膜刻蚀去除。
图3.4右图所示的是在实际加工刻蚀过程中，梳齿结构采用金属离子薄膜技术后的梳齿根部刻蚀结果图，可以看出采用此种技术方法后，可以明显克服Notching效应，大大减弱了对梳齿根部的过刻蚀情况，提高了梳齿结构的刻蚀质量。
图3.4克服Notching效应的示意图
3.4SOI技术制造电容加速度计的一般步骤
第一步：
用光刻胶做掩膜层，将加速度计SOI材料结构敏感质量块下面的硅基底部分刻蚀掉；
第二步中，用RIE技术刻蚀SiO2；
第三步：
溅射金属膜以克服Notching效应；
第四步：
涂光刻胶并光刻；
第五步：
ICP等离子体刻蚀出敏感质量块；
第六部：
腐蚀去除金属膜；
第七步：
去除光刻胶做的掩膜层；
采用这种器件加工工艺，SOI硅器件层膜的厚度容易控制，可以很便利的增加硅膜的厚度且硅器件层敏感质量块悬空，没有衬底作用，可以较好的消除寄生效应，从而可提高SOI微加速度计结构的分辨率和灵敏度。
4电容加速度计的一些应用
4.1电容加速度计安全气囊的应用
随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车的行驶速度越来越快，特别是由于汽车拥有量的迅速增加，交通越来越拥挤，使得事故更为频繁，所以汽车的安全性就变得尤为重要。
安全气囊是现代轿车上引人注目的新技术装置。
为了减小汽车发生正面碰撞时由于巨大的惯性力所造成的对驾驶员和乘员的伤害，现代汽车在驾驶员前端方向盘中央普遍装有安全气囊系统，有些汽车在驾驶员副座前的工具箱上端也装有安全气囊系统。
图4.1是一种汽车安全气囊的系统
图4.1安全气囊系统框图
由图4.1可知，加速度传感器的性能直接决定汽车安全气囊中性能的优越，所以高精度的加速度计在汽车安全气囊中应用非常广泛。
世界上生产安全气囊加速度计的主要公司有AnalogDevices，英飞凌和飞思卡尔公司。
图4.2为飞思卡尔公司生产的用于安全气囊的加速度计MMA65xxKW。
图4.2MMA65xxKW外观图
4.2电容式加速度计在计步器上的应用
加速度传感器可以检测交流信号以及物体的振动，人在走动的时候会产生一定规律性的振动，而加速度传感器可以检测振动的过零点，从而计算出人所走的步或跑步所走的步数，从而计算出人所移动的位移。
并且利用一定的公式可以计算出卡路里的消耗。
通过计步器，人们就可以方便的知道每天自己的运动量大概是多少了，有助于保持自身健康。
图4.3是一种计步器。
图4.3一种计步器
5发展现状
电容式加速度传感器的基本原理是采用电容器作为敏感或变换元件。
比较有代表性的产品有美国模拟器件（ADI）公司的ADXL系列表面硅微机械电容式加速度传感器、美国Draper实验室研制的跷跷板式微硅加速度传感器和德Karlsruhe微结构技术研究所采用LIGA技术加工的一种高精度变电容式加速度传感器。
ADXL系列传感器利用表面硅微机械加工工艺与集成电路相兼容的特点，将传感器与处理电路同时加工在一块芯片上，解决了电容量小、易受分布电容影响的问题。
美国Draper实验室开发的“跷跷板式”硅微机械加速度计用于炮弹
德国Karlsruhe微结构技术研究所1993年在Karlsruhe原子能研究中心采用LIGA技术加工了一种高精度的加速度传感器。
采用LIGA技术制造的电容式加速度传感器较表面硅和传统立体硅电容式加速度传感器相比有以下优点：
（1）静态电容较大；
（2）温度漂移系数小；
（3）线性度高；
（4）横向灵敏度小；
（5）微结构较厚，牢固可靠。
目前，国内清华大学、信息产业部13所、上海交通大学、航天771所、信息产业部49所等单位都先后从事这方面的研究工作，其中，清华大学与信息产业部13所协作已研制出在实验室条件下量程为50g、频响大于500Hz的微机械电容式加速度传感器。
6结论
通过这次MEMS大作业，我们组对电容加速度计的发展背景以及原理有了大概的了解，对SOI工艺查找了相关的书籍，并且进行相关的讨论，相关的工艺实现与硅工艺进行了比较，对一些工艺步骤有了初步的了解，真正的把书本上的知识用到了实际中。
另外，通过本次作业我们的协作能力有了较大的提升。
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