1、10755-83376489半導(dǎo)體傳感器基礎(chǔ)主講人：楊學(xué)昌20755-83376489傳感器的定義緒 論人們通常將能把被測物理量或化學(xué)量傳換為與之有確定關(guān)系的電量輸出的裝置稱為傳感器。傳感器也叫做變換器、換能器或探測器。傳感器輸出的信號有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、傳感元件和其它輔助件組成，有時也將信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。被測量敏感元件傳感元件信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路輔助電源電量30755-83376489敏感元件直接感受被測量（一般為非電量），并輸出與被測量成確定關(guān)系的其它量（一般為

2、電量）的元件。敏感元件如果直接輸出電量（熱電偶），它就同時兼為傳感元件。還有一些傳感器的敏感元件和傳感元件合為一體，如壓阻式壓力傳感器。傳感元件又稱變換器，一般情況它不直接感受被測量，而是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換為電量輸出的元件。傳感元件有時也直接感受被測量而輸出與被測量成確定關(guān)系的電量，如熱電偶和熱敏電阻。信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路的種類要視傳感元件的類型而定，常用的電路有電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器等等。40755-83376489傳感器的發(fā)展趨勢由于科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，工藝過程自動化程度越來越高，因此對

3、測控系統(tǒng)的精度提出更高的要求。近年來，微型計算機組成的測控系統(tǒng)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，而傳感器作為微型機的接口必須解決相容技術(shù)，根據(jù)這樣一些時代特點，傳感器將向以下幾個方面發(fā)展： .高精度為了提高測控精度，必須使傳感器的精度盡可能的高。 .小型化很多測試場合要求傳感器具有盡可能小的尺寸。 .集成化集成化有兩種，同類集成；不同類集成。 .數(shù)字化數(shù)字化有利于和計算機直接聯(lián)機。 .智能化傳感器與計算機結(jié)合的產(chǎn)物，兼有檢測與信息處理功能。是傳感器技術(shù)發(fā)展中一次飛躍。50755-83376489變量分類通常變量的分類可按物理性質(zhì)區(qū)分為機械量、電學(xué)量、熱學(xué)量、聲學(xué)量等。這種方法只便于區(qū)分變量的物理屬性，但

4、看不出不同種類的物理量所表現(xiàn)出來的共同特性。因此，研究不同種類的變量的相似特性并進行分類，對于研究機電模擬是必要的。各類基本物理量間可以按它們在“路”中表現(xiàn)的形式分為通過變量和跨越變量。只由空間或路上的一點來確定的變量稱為通過變量。例如力，電流。必須由空間和路上的兩個點來確定的變量稱為跨越變量。如位移、電壓。一般把這兩個點中的一個點作為基準點或參考點。還可根據(jù)變量與時間的關(guān)系劃分為狀態(tài)變量和速率變量，狀態(tài)變量可以用空間和路上的某一點或兩點的狀態(tài)來說明，如電荷、位移。速率變量是指用狀態(tài)變量對時間的變化率表示的變量，如速度、電流按以上分類方法，機械量和電系統(tǒng)各變量的分類如下表所示。60755-83

5、376489機電模擬機電模擬是建立在所研究的機械系統(tǒng)的微分方程和等效電路的微分方程相似的基礎(chǔ)之上的。在線性機械系統(tǒng)中，能與70755-83376489電系統(tǒng)參量相對應(yīng)的模擬方案可有多種，目前經(jīng)常采用的兩種模擬是力電壓模擬和力電流模擬。.力電壓模擬在右圖所示的機械系統(tǒng)中，除激勵力f外，作用在質(zhì)量m上的力還有（）慣性力（）阻尼力（粘性阻尼）（）彈性力根據(jù)力學(xué)原理，作用在質(zhì)量塊上的合力為零。，且外力與上述三個力的方向相反，合力為其代數(shù)和。80755-83376489這樣可以列出此機械系統(tǒng)的二階微分方程為比較上面兩個微分方程可以很容易發(fā)現(xiàn)二者類型相同。這說明兩個系統(tǒng)的物理性質(zhì)雖然不同，但是它們具有相同

6、的數(shù)學(xué)模型，其運動規(guī)律是相似的。相同的數(shù)學(xué)模型是模擬的基礎(chǔ)。根據(jù)所列的微分方程很容易找出機和電相似系統(tǒng)中的對應(yīng)項來，可列出下表（1-1）如果對右圖的串聯(lián)R、L、C電路列微分方程可有（1-2）90755-83376489因為這種方法是以機械系統(tǒng)的激勵力和電路系統(tǒng)的激勵電壓相似為基礎(chǔ)的，所以稱為力電壓相似。這種相似方法的特點是：（）機械系統(tǒng)的一個質(zhì)點用一個串聯(lián)電回路去模擬。（）機械系統(tǒng)質(zhì)點上的激勵力和串聯(lián)電路的激勵電壓相模擬。所有與機械系統(tǒng)一個質(zhì)點相連接的機械元件（m，c，k）與串聯(lián)回路中的各電器元件（L、R、C）相模擬。例如，為了測量結(jié)構(gòu)物的振動速度（相對于大地），常將磁電式傳感器固定在結(jié)構(gòu)物上

7、，見下圖，由于傳感器的外殼（）100755-83376489與結(jié)構(gòu)物之間具有一定的連接剛度和阻尼，而傳感器內(nèi)部又是由慣性質(zhì)量塊通過彈簧和阻尼器與外殼相連的。這樣的機械系統(tǒng)具有兩部分質(zhì)量和，因此具有兩個質(zhì)點，而結(jié)構(gòu)物的速度作為傳感器的輸入量將不必考慮結(jié)構(gòu)物這個質(zhì)點，其對應(yīng)的相似電路就應(yīng)具有兩個回路，如圖所示。機械系統(tǒng)的輸入速度對應(yīng)于該模擬電路的輸入電流，彈簧（或阻尼器）兩端的相對速度是輸入速度與質(zhì)量相對于大地的速度之差由質(zhì)量所決定的電回路中的模擬元件應(yīng)包括與質(zhì)量相連接的所有、五個元件。同樣在彈簧（阻尼器）兩端，即相對的相對速度為，為質(zhì)量相對于大地的速度。模擬質(zhì)量這一質(zhì)點的串聯(lián)回路元件應(yīng)包括、三個

8、元件。則可畫出另一個回路。由于、同時與、相連，則、應(yīng)是兩個回路的公共部分。這樣很容易畫出模擬電路來。為了便于計算，在模擬電路中的電阻，電容，電感可直接用機械參數(shù)來表示，質(zhì)量、上相對于大地的速度將由相應(yīng)的電感元件、中的電流、來模擬。當(dāng)關(guān)心的輸出是質(zhì)量對質(zhì)量的相對速度時，則應(yīng)取110755-83376489作為輸出。顯然它是模擬電路中的電流的負值。當(dāng)研究輸出速度的響應(yīng)速度時，只需研究中的響應(yīng)電流即可。上面的分析說明，力電壓相似系統(tǒng)是將電系統(tǒng)的跨越變量（電壓）模擬了機械系統(tǒng)的通過變量（力）。電系統(tǒng)的通過變量（電流）模擬了機械系統(tǒng)的跨越變量（速度），因而形成了機械系統(tǒng)的一個質(zhì)點需用電系統(tǒng)一個回路來模擬

9、。雖然它們具有同樣的微分方程，但從形式上這種模擬不直觀，破壞了結(jié)構(gòu)上的一致性。在測試時，為了得到速度值需要在模擬電路中串入電流表測電流，這給模擬實驗帶來不便，當(dāng)采用下面的相似系統(tǒng)時則不同了。不過，由于機械系統(tǒng)經(jīng)常是以力激勵，而電系統(tǒng)是以電壓激勵，所以經(jīng)常采用力電壓相似系統(tǒng).力電流模擬同樣的機械系統(tǒng)可以采用右圖所示的電流激勵并聯(lián)電路來模擬。該模擬電路的微分方程為120755-83376489與機械的二階系統(tǒng)的微分方程式（1-1）比較，它們也是具有相同類型的微分方程。此相似系統(tǒng)是以機械系統(tǒng)的激勵力和模擬電路的激勵電流相似為基礎(chǔ)的。所以稱為力電流相似系統(tǒng)。在這種模擬方法中，兩個系統(tǒng)的對應(yīng)參量如下表所

10、示可見表中機械系統(tǒng)的跨越變量（速度）與電系統(tǒng)的跨越變量（電壓）相模擬，機械系統(tǒng)的通過變量（力）與電系統(tǒng)的通過變量（電流）相模擬。機械系統(tǒng)中作用在一個質(zhì)點上的所有通過變量的和為零，即；在電路中流入一個結(jié)點的所有通過變量電流130755-83376489的和為零，即。采用力電流模擬方法，可以將電系統(tǒng)的一個結(jié)點模擬機械系統(tǒng)的一個質(zhì)點。從物理觀點上看這種模擬方法比較直觀，在模擬測試時也很方便。為了測量兩個質(zhì)點間的相對速度，只要測量相似電路中兩個結(jié)點間的電壓即可，這在實驗測量中是很方便的。力電流相似系統(tǒng)的特點是。（1）機械系統(tǒng)的一個質(zhì)點與模擬電路的一個結(jié)點相對應(yīng)。（2）流入電路結(jié)點的激勵電流與機械系統(tǒng)相

11、應(yīng)質(zhì)點的激勵力模擬。與該結(jié)點相連接的電元件（GLC）與對應(yīng)質(zhì)點相連接的機械元件（ckm）相模擬。（3）當(dāng)質(zhì)量塊的速度是相對于大地的速度，采用電容器模擬質(zhì)量時，應(yīng)將電容器的一端接電路地線。這樣可以簡化模擬電路。兩個或更多個剛性連接的質(zhì)量，其相似電路是兩個或更多個一端接地的并聯(lián)電容。上述例子（磁電式傳感器測量結(jié)構(gòu)物的振動速度）如果用力電流模擬其電路圖如右所示140755-83376489目 錄第一章第二章第三章第四章第五章第六章第一章 傳感器的一般特性1.傳感器的靜態(tài)特性1.1 線性度1.2 靈敏度1.3 遲滯1.4 重復(fù)性2.傳感器的動態(tài)特性2.1 動態(tài)參數(shù)測試的特殊問題2.2 研究傳感器動態(tài)特

12、性的方法及其指標(biāo)150755-83376489第 一 章傳感器的一般特性160755-833764891.傳感器的靜態(tài)特性1.1 線性度傳感器的理想輸出輸入特性是線性的，它具有以下優(yōu)點：（1）可大大簡化傳感器的理論分析和設(shè)計計算；（2）為標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來很大方便，只要知道線性輸出輸入特性上的兩點（一般為零點和滿度值）就可以確定其余各點；（3）可使儀表刻度盤均勻刻度，因而制作、安裝、調(diào)試容易，提高測量精度；（4）避免了非線性補償環(huán)節(jié)。170755-83376489實際上許多傳感器的輸出輸入特性是非線性的，如果不考慮遲滯和蠕變效應(yīng)，一般可用下列多項式表示輸出輸入特性。式中y輸出量x輸入物理量a0

13、零位輸出a1傳感器線性靈敏度a2、a3 、an待定系數(shù)在研究線性特性時，可不考慮零位輸出。上式可能有三種特殊情況。（）理想的線性特性。如圖(a)所示y = a1x的直線。在這種情況下，因此得到因為直線上任何點的斜率都相等，所以傳感器的靈敏度為180755-83376489（2）僅有偶次非線性項、如圖（b）所示，其輸出輸入特性方程為：因為它沒有對稱性，所以其線性范圍較窄。一般傳感器設(shè)計很少采用這種特性。（）僅有奇次非線性項，如圖（c）所示，其輸出輸入方程式為：190755-83376489具有這種特性的傳感器，一般在輸入量x相當(dāng)大的范圍內(nèi)具有較寬的準線性。這是比較接近理想直線的非線性特性，它相對

14、坐標(biāo)原點是對稱的，所以它具有相當(dāng)寬的近似線性范圍。傳感器的輸出輸入特性的線性度除受機械輸入（彈性元件）特性影響外，也受電氣元件的輸出特性的影響。使電氣元件對稱排列，差動方式可以消除電氣元件中的偶次分量，顯著地改善線性范圍。例如差動傳感器的一邊輸出為：另一邊反向輸出為：總輸出為二者之差：由上式可見，差動式傳感器消除了偶次項，使線性得到改善，同時使靈敏度提高一倍。在使用非線性特性的傳感器時，如果非線性項的方次不高，200755-83376489在輸入量變化范圍不大的條件下，可以用切線或割線等直線來近似地代表實際曲線的一段，這種方法稱為傳感器非線性特性的“線性化”。所采用的直線稱為擬合直線。實際特性

15、曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差，如下圖所示，取其中最大值與輸出滿度值之比作為評價非線性誤差（或線性度）的指標(biāo)。傳感器的輸出輸入特性曲線（靜態(tài)特性）是在靜態(tài)標(biāo)準條件下進行校準的。靜態(tài)標(biāo)準條件是指沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量），環(huán)境溫度為205C,相對濕度T0 ，現(xiàn)將熱電偶迅速插到恒溫水槽的熱水中（插入時間忽略不計），這時熱電偶測量的溫度參數(shù)發(fā)生一個突變，即從T0 突然變化到T ，我們馬上看一下熱電偶輸出的指示值，是否在這一瞬間從原來的T0 立刻上升到T 呢？顯然不會。它是從T0 逐漸上升到T 的，熱電偶指示出來溫度從T0 上升到 T ，經(jīng)歷了時間從t0

16、到t 的過渡過程，如右圖所示。沒有這樣一個過程就不會得到正確的測量結(jié)果。而從t0t 的過程中，測試曲線始終與溫度從T0 跳變到T 的階越波形存在差值，這個差值就稱為280755-83376489動態(tài)誤差，從記錄波形看，測試具有一定失真。究竟是什么原因造成的測試失真和產(chǎn)生動態(tài)誤差呢？首先可以肯定，如果被測溫度不產(chǎn)生變化，不會產(chǎn)生上述現(xiàn)象。另一方面，就應(yīng)該考查熱電偶（傳感器）對動態(tài)參數(shù)測試的適應(yīng)性能了，即它的動態(tài)特性怎樣。熱電偶測量熱水溫度時，水溫的熱量需要一個過程和足夠的時間間隔，所以熱電偶不能在被測溫度變化時立即產(chǎn)生相應(yīng)的反映。這種由熱容量所決定的性能稱為“熱慣性”。這種熱慣性是熱電偶固有的，

17、這種熱慣性就決定了熱電偶測量快速溫度變化時產(chǎn)生動態(tài)誤差。這種影響動態(tài)特性的“固有因素”任何傳感器都有，只不過它們的表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。研究傳感器的動態(tài)特性主要是從測量誤差角度分析產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因以及改善措施。.研究傳感器動態(tài)特性的方法及其指標(biāo)研究動態(tài)特性可以從時域和頻域兩個方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。由于輸入信號的時間函數(shù)形式是多種多樣的，在時域內(nèi)研究傳感器的響應(yīng)特性時，只能研究幾種特定的輸入290755-83376489時間函數(shù)如階越函數(shù)，脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等的響應(yīng)特性。在頻域內(nèi)研究動態(tài)特性一般是采用正弦函數(shù)得到頻率響應(yīng)特性。動態(tài)特性好的傳感器暫態(tài)響應(yīng)時間應(yīng)該很短或者頻率

18、響應(yīng)范圍應(yīng)很寬的。這兩種分析方法內(nèi)部存在必然的聯(lián)系，再不同場合，根據(jù)實際需要解決的問題不同而選擇不同的方法。 在對傳感器進行動態(tài)特性的分析和動態(tài)標(biāo)定時，為了便于比較和評價，常常采用正弦變化和階越變化的輸入信號。 在采用階越輸入研究傳感 器時域特性時，為表征傳感器 的動態(tài)特性，常用上升時間 trs、響應(yīng)時間tst、過調(diào)量C等參數(shù)來綜合描述，如右圖所示。 上升時間trs 是指輸出指示值從最終穩(wěn)定值的5或300755-83376489過調(diào)量C是指輸出第一次達到穩(wěn)定值后又超出穩(wěn)定值而出現(xiàn)的最大偏差，常用相對于最終穩(wěn)定值的百分比來表示。tst 在采用正弦輸入研究傳感器頻域動態(tài)特性時，常使用幅頻特性和相頻

19、特性，描述傳感器的動態(tài)特性，其重要指標(biāo)是頻帶寬度，簡稱帶寬。帶寬是指增益變化不超過某一規(guī)定分貝值的頻率范圍。允許的測量誤差值。在寫出響應(yīng)時間時應(yīng)同時注明誤差值的范圍，例如是指從輸入量開始起作用到輸出指示值進入穩(wěn)定值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時間。最終穩(wěn)定值的允許范圍常取所10變到最終穩(wěn)定值的95%或90%所需要的時間。響應(yīng)時間310755-83376489目 錄第一章第二章第三章第四章第五章第六章第一節(jié) 應(yīng)力、應(yīng)變的基本概念第二節(jié) 導(dǎo)體受力后電阻的變化第三節(jié) 壓阻式壓力傳感器的基本原理 第四節(jié) 壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計第五節(jié) 硅壓阻式壓力傳感器的制造第六節(jié) 硅壓阻式傳感器的測量與補償線路第七節(jié)

20、壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用第八節(jié)電容式傳感器320755-83376489第 二 章 壓力傳感器330755-83376489第二章 力學(xué)量傳感器力學(xué)量傳感器主要是用于測量力、加速度、扭力、壓力、流量等物理量。這些物理量的測量都是與機械應(yīng)力有關(guān)，所以把這類傳感器稱為力學(xué)量傳感器。力學(xué)量傳感器的種類繁多，應(yīng)用較為普遍的有：電阻式、電容式、變磁阻式、振弦式、壓阻式、壓電式、光纖式等。不同類型的力學(xué)量傳感器所涉及的原理、材料、特性及工藝也各不相同，本章不可能一一講到。這里只準備對擴散硅壓阻式壓力傳感器的原理、設(shè)計及部分工藝作一討論。340755-83376489第一節(jié) 應(yīng)力、應(yīng)變的基本概念1

21、.應(yīng)力的基本概念 在一組自相平衡的外力作用下物體內(nèi)各個部分產(chǎn)生相互作用力，我們用應(yīng)力來描寫。給一根截面積為 的均勻直桿兩端施加方向相反的拉力 。如果在桿中 點作一垂直于桿軸的截面并且考慮被這截面分開的左半段桿子，根據(jù)靜力平衡要求，在此截面上分布有合力為 的力，這個力就是右半段桿子通過截面 作用到左半段桿子上的內(nèi)力。我們把作用在單位面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。350755-83376489式中， 值大于零表示拉伸應(yīng)力，小于零表示壓縮應(yīng)力。應(yīng)力符號的兩個下角標(biāo)中，第一個記為截面法線指向，該應(yīng)力是由法線指向一側(cè)物體作用在法線離開一側(cè)物體上的。第二個下角標(biāo)記為力的方向，上式給出的應(yīng)力是作用在 點的、垂直于桿

22、軸的截面上的沿桿軸方向的應(yīng)力。如果通過 點作一斜截面，其法線記作 見圖2，它與桿軸夾角為 ，在它上面作用著沿桿軸方向的合力為 的分布內(nèi)力作用，但是該截面面積為所以每單位面積上沿桿軸方向的內(nèi)力為360755-83376489它就是在 點 截面上沿 正方向的應(yīng)力。為了求得作用在這個斜面上的垂直于截面及在截面內(nèi)的應(yīng)力，可將力 向法線 方向及截面內(nèi) 方向投影，相應(yīng)的應(yīng)力為：式中， 為正應(yīng)力， 為切應(yīng)力。370755-833764892.應(yīng)變的基本概念 在外力作用下物體會產(chǎn)生變形，應(yīng)變是衡量變形大小的力學(xué)量。圖3給出直桿 及坐標(biāo)軸 在桿中截取一個微元 ， 和 的坐標(biāo)分別為 和 。當(dāng)桿件兩端受到 力的作用

23、時，桿件會發(fā)生伸長， 、 分別移動到 和 ，它們的坐標(biāo)分別為 ， 。對微元 段變形前的長度：變形后長度：微元 段的伸長為段的平均伸長：380755-83376489為了表示桿件在 點的變形情況，應(yīng)當(dāng)讓 趨于零。如果考慮桿件的變形很小， 和 有近似關(guān)系這樣就得到所謂 點的應(yīng)變第二節(jié) 導(dǎo)體受力后電阻的變化設(shè)有一根長為 、截面積為 、電阻率為 的導(dǎo)體，其起始電阻為 ，于是有：設(shè)導(dǎo)線在力 作用下，其長度 變化 ，截面 變化 ， 半徑 變化 ，電阻率 變化 ，因而將引起 變化 。 對上式微分可得（1-1）390755-83376489由于（2-2）所以式（2-2）可寫成（2-3）令 與 的比為泊松系數(shù)

24、， ，則有（2-4）式中負號表示徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變相反400755-83376489將式（2-4）代入式（2-3），整理后得到（2-5）或?qū)憺椋?-6）（2-7） 稱為金屬材料的靈敏系數(shù)，即單位應(yīng)變所引起的電阻變化率。由式（2-6）可知，金屬材料的靈敏系數(shù)的大小是由兩個因素引起的。一個是金屬絲幾何尺寸的變化引起的，即 項；另一個是受力后材料的電阻率變化引起的，即 項。對金屬材料而言，前項是主要的，而對半導(dǎo)體材料，后項則是主要的。410755-83376489（2-8）上式說明，金屬材料在一定應(yīng)變范圍內(nèi)的電阻變化率與應(yīng)變成正比。第三節(jié) 壓阻式壓力傳感器的基本原理2.3.1概述固體受到力的作用后，

25、電阻率將發(fā)生顯著的變化，我們稱為壓阻效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制成的傳感器可用于測量力，壓力、加速度、載荷和扭矩等參量。硅晶體有良好的彈性形變性能和顯著的壓阻效應(yīng)，利用硅的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器，具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高、穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬、易于小型化和批量生產(chǎn)及使用方便等特點。其中硅杯式擴散型壓阻式壓力傳感器更成為人們所重視的一種新型傳感器。大量實驗證明，金屬材料在一定應(yīng)變范圍內(nèi)， 為一常數(shù)。因此式（2-5）以增量表示可寫為這是金屬應(yīng)變片式傳感器的工作原理。420755-833764892.3.2 基本原理 壓阻式傳感器的基本原理可以從材料電阻的變化率看出。我們知道任何

26、材料電阻的變化率都可由下式?jīng)Q定：對半導(dǎo)體而言，上式中前兩項很小，而電阻率的變化率較大，故半導(dǎo)體電阻的變化率主要是由第三項引起的。已知（2-21）如果引用式中， 為壓阻系數(shù) ； 為應(yīng)力 ； 為彈性模量 ； 為軸向應(yīng)變，則上式可寫為：(2-22)430755-83376489式中， 為半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)。 半導(dǎo)體材料的 比 大得多，因而電阻相對變化可寫成（2-23）上式說明，半導(dǎo)體材料受力后電阻的變化率 主要 是由 引起的，這就是壓阻式傳感器所依據(jù)的原理。硅的壓阻效應(yīng)與晶向有關(guān)，設(shè)計和制造時應(yīng)注意晶向的選擇。440755-833764892.3.3 壓阻系數(shù) 硅作為各向異性的晶體，它的壓阻系數(shù)具

27、有復(fù)雜的形式，現(xiàn)討論如下：一、應(yīng)力張量 彈性體內(nèi)某一點的應(yīng)力，要用九個應(yīng)力分量組成的應(yīng)力張量來描述。（2-24）由于彈性體中任意正平行六面體不僅滿足內(nèi)力平衡條件，而且滿足內(nèi)力矩平衡條件，因此有450755-83376489 應(yīng)力張量是二階對稱張量，獨立的應(yīng)力分量只有六個。為了反映應(yīng)力張量只包括六個獨立分量，常把二階對稱應(yīng)力張量的兩個角標(biāo)簡化成一個角標(biāo)，寫成 形式，并用一列矩陣表示為：（2-26）其中 稱為法向應(yīng)力分量。 稱為切向應(yīng)力分量。應(yīng)力的單位是 通常張應(yīng)力取正值；壓應(yīng)力取負值。 460755-83376489二、壓阻系數(shù) 如將半導(dǎo)體材料（一般是單晶體）沿三個晶軸方向取一正平行六面體，并以

28、三個晶軸為坐標(biāo)軸，則可建立起 正交坐標(biāo)系。九個應(yīng)力分量中有六個是獨立的。應(yīng)力的存在將引起電阻率的變化，用 來表示電阻率的變化率。而電阻率的變化率與應(yīng)力之間的關(guān)系是由壓阻系數(shù)聯(lián)系起來的，它們之間的關(guān)系可由下列矩陣方程給出：（2-27）470755-83376489由于法向應(yīng)力不可能產(chǎn)生剪切壓阻效應(yīng)，則由于剪切應(yīng)力不可能產(chǎn)生正向壓阻效應(yīng)，則由于剪切應(yīng)力不可能在該應(yīng)力所在平面之外產(chǎn)生壓阻效應(yīng)則：由于單晶硅是正立方晶體，三個晶軸是完全等效的，加之坐標(biāo)系又與晶軸重合，則有正向壓阻效應(yīng)相等，即橫向壓阻效應(yīng)相等，即剪切壓阻效應(yīng)相等，即480755-83376489所以硅在晶軸坐標(biāo)系中壓阻系數(shù)的矩陣可簡化為：

29、（2-28）由矩陣可以看出，獨立的壓阻系數(shù)分量僅有 三個。 分別為晶軸方向上的縱向壓阻系數(shù)、橫向壓阻系數(shù)、剪切壓阻系數(shù)分量，也稱它們?yōu)榛緣鹤柘禂?shù)分量。490755-833764892.3.4 任意晶向的壓阻系數(shù)若電流 通過單晶硅的方向為 ， 如圖5 所示，圖中坐標(biāo)軸1、2、3 與硅的晶軸重合。 為任意方向， 設(shè)此方向為縱向。如有應(yīng)力沿此 方向作用在單晶硅上，則稱此應(yīng) 力為縱向應(yīng)力，以 表示。欲求 反映縱向應(yīng)力 在單晶硅 方向 所引起的電阻率變化的縱向壓阻系 數(shù) ，則必須將式（2-28）中各壓阻系數(shù)分量全部投影 到 方向，才可得到。設(shè)取一新的坐標(biāo)系 ，使 軸與 重合。設(shè) （即 軸）在晶軸坐標(biāo)系

30、123中的方向余弦為 ，則投影結(jié)果為：（2-29）圖5求任意晶向的壓阻系數(shù)500755-83376489此式是計算任意晶向的縱向壓阻系數(shù)公式。設(shè) 方向與 方向垂直，稱 為 的橫向。若有應(yīng)力沿 方向作用在單晶硅上，則稱此應(yīng)力為橫向應(yīng)力，以 表示。欲求反映此橫向應(yīng)力 在單晶硅縱向 引起電阻率變化的橫向壓阻系數(shù) ，也可利用上述的投影方法求得。使 軸的方向與 方向一致，設(shè) （即 軸）在晶軸坐標(biāo)系中的方向余弦為 ，投影結(jié)果為：(2-30)此式是計算任意晶向的橫向壓阻系數(shù)公式。如果單晶硅在此晶向上同時只有縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力的作用，則在此晶向上（即電流通過的方向）的電阻率的變化率，也就是電阻的變化率可由下式

31、求出：（2-31）510755-83376489左表是有關(guān)的壓阻系數(shù)520755-83376489三、影響壓阻系數(shù)的一些因素 影響壓阻系數(shù)的因素，主要是擴散雜質(zhì)的表面濃度與溫度。壓阻系數(shù)與擴散雜質(zhì)表面濃度 的關(guān)系，如圖所示。圖中一條曲線為 型硅擴散層的壓阻系數(shù) 與表面濃度 的關(guān)系；另一條曲線則為 型硅擴散層的壓阻系數(shù) 與表面濃度 的關(guān)系曲線。由曲線可見，壓阻系數(shù)隨擴散雜質(zhì)濃度的增加而減小，而且在相同表面濃度下， 型硅的壓阻系數(shù)比 型硅的高。因此選用 型層有利于提高器件的靈敏度。 壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系，如圖1-9（a）、（b）所示。（a）圖示出了P型層 與溫度的關(guān)系；（b）則示出了N型層 與溫度

32、的關(guān)系。由圖可見，表面濃度低時，溫度升高，壓阻系數(shù)下降得快；表面濃度高時，溫度升高，壓阻系數(shù)下降得慢。為降低溫度的影響，擴散雜質(zhì)的表面濃度高些較好。但是在提高擴散濃度時，壓阻系數(shù)將要降低，而且高濃度時，擴散層P型硅與襯底N型硅之間的PN結(jié)530755-83376489的擊穿電壓也要降低，從而使絕緣電阻降低。所以在決定采用多高的表面濃度時，應(yīng)全面考慮壓阻系數(shù)、絕緣電阻及降低溫度影響等各因素的要求。540755-83376489第四節(jié) 壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.4.1 硅壓力膜片的應(yīng)力分布利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)可以制成壓力傳感器。這種壓力傳感器的核心部分是一個周邊固支的上面擴散有硅應(yīng)變電阻條

33、的硅敏感膜片，即硅壓阻芯片。硅壓阻芯片常采用兩種結(jié)構(gòu)，一種是周邊固支的圓形硅杯膜片結(jié)構(gòu)，如圖（a）所示；另一種是周邊固支的方形或矩形硅杯膜片結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。硅杯膜片結(jié)構(gòu)不同，應(yīng)力的分布也不同。550755-83376489對于圓形硅杯膜片，當(dāng)壓力作用其上時，在硅膜片背面產(chǎn)生的表面徑向應(yīng)力 和表面切向應(yīng)力 與所加的壓力 、膜片厚度 、膜片有效半徑 、泊松系數(shù) 、計算點的半徑 的關(guān)系式為根據(jù)上兩式可作出圓形硅杯膜片上的應(yīng)力分布圖，如右圖所示。由圖可見，硅膜片圓心和邊緣部位是應(yīng)力最大的部位。560755-83376489當(dāng) 時， ； 時， ，即為拉應(yīng)力；時， ，即為壓應(yīng)力。當(dāng) 時， 僅有 的壓

34、應(yīng)力；當(dāng) 時， ；當(dāng) 時。為了保證膜片在工作時的線性，應(yīng)使硅膜片處于小撓度變形范圍內(nèi)。一般講，當(dāng)硅膜片的應(yīng)變量小于 （微應(yīng)變），即相當(dāng)應(yīng)力小于 時，可滿足上述要求。在設(shè)計硅壓阻芯片時，應(yīng)把擴散應(yīng)變電阻條配置在應(yīng)力最大的位置，以獲得最大的靈敏度。對于周邊固支的方形或矩形硅杯膜片上任意點的應(yīng)力難于用解析式給出，一般用有限差分法進行數(shù)值解。2.4.2 壓阻式壓力傳感器硅芯片設(shè)計中的一些問題硅壓阻芯片是壓阻式傳感器的核心部分，其設(shè)計因用途而異。以下僅就有關(guān)設(shè)計中的一般原則進行討論。前面已經(jīng)指出，570755-83376489半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)器件按力敏電阻制作工藝方法的不同，可分為體型與擴散型兩大類。它們

35、雖各有特點，但又有許多共同之處。所以本節(jié)將要介紹的有關(guān)擴散型壓力傳感器硅芯片設(shè)計中的一些問題，對于設(shè)計體型半導(dǎo)體力敏感元件也是適用的。一、硅杯結(jié)構(gòu)與材料的選擇已知硅壓阻芯片采用的硅杯結(jié)構(gòu)有兩種，周邊固支的圓形硅杯和周邊固支的方型或矩形硅杯。采用周邊固支硅杯結(jié)構(gòu)，可使硅膜片與固支環(huán)構(gòu)成一體，既可提高傳感器的靈敏度、線性、減小滯后效應(yīng)。又便于批量生產(chǎn)。圓形硅杯結(jié)構(gòu)多用于小型傳感器，方型或矩形硅杯結(jié)構(gòu)多用于尺寸較大、輸出較大的傳感器，圓形硅杯是最常采用的一種硅杯形式，制作工藝比較成熟，其應(yīng)力的計算與分布均已給出。所以本節(jié)將以圓形硅芯片的設(shè)計為例進行討論。硅杯材料的選擇是極為重要的，通常選用N型硅晶片

36、作為硅杯膜片，在其上擴散P型雜質(zhì)，形成電阻條。這是因為，P型電阻條的壓阻系數(shù)較N型為大，靈敏度高，而溫度系數(shù)比N型的小，也易于制造。N型硅膜片晶向的選取，除應(yīng)考慮獲得高壓力靈敏度外， 580755-83376489還要考慮各向異性腐蝕形成硅杯制造工藝的要求，一般選取100或110晶向的硅膜片。N型硅膜片的電阻率，通常選取815cm,這樣可使P型擴散電阻條所產(chǎn)生的PN結(jié)的隔離作用有足夠的耐壓性。對于P型電阻條雜質(zhì)的控制也較靈活。如果傳感器的激勵電源電壓較低，也可用電阻率更小的硅膜片。二、硅杯尺寸的確定 1.硅杯的直徑、膜片厚度的確定對于圓形硅杯膜片的幾何尺寸，一般指的是它的有效半徑a和厚度h而言

37、的。當(dāng)硅杯膜片受一定壓力作用時，要保證硅膜片的應(yīng)力與外加壓力有良好的線性關(guān)系，其條件為硅膜片的半徑與膜片厚度的比應(yīng)滿足以下關(guān)系：式中，為硅的彈性極限，由上式可知，在給定壓力P下可求出590755-83376489a/h的比值；選定有效半徑a后，則可求得硅膜片的厚度h。.固有頻率硅杯壓阻壓力傳感器在動態(tài)條件下使用時，應(yīng)具有一定的固有頻率，在確定硅膜片的有效半徑和厚度時，要同時滿足固有頻率的要求。周邊固支圓形硅膜片的固有頻率為式中E彈性模量硅材料的密度當(dāng)有效半徑a一定時，可由上兩式得出滿足線性與固有頻率要求的硅膜片厚度。硅的彈性模量和鋼材料幾乎相等。但硅的密度為鋼的1/3到1/4，故硅膜片的固有頻

38、率比鋼膜片高2倍。三、擴散電阻條的阻值、尺寸、取向與位置的確定硅壓阻芯片是在N型硅杯膜片上擴散四個P型電阻，一般接成惠斯頓電橋而構(gòu)成的。電阻條的阻值、幾何尺寸、位置與取向600755-83376489的配置都對傳感器的靈敏度有很大的影響，需要計算確定。.擴散電阻條的阻值與幾何尺寸的確定硅杯膜片上的四個電阻按下圖（a）連成惠斯頓電橋。為了獲得較大的輸出，要考慮與負載電阻的匹配，如果傳感器后面接的負載電阻為 如下圖（b）所示，則負載上獲得的電壓為只有在時有所以傳感器的輸出電阻（等于電橋橋臂的電阻值），應(yīng)該小些。設(shè)計時一般取電橋橋臂的阻值（也就是每個擴散電阻的阻值）為5003000歐姆。610755

39、-83376489關(guān)于電阻條的設(shè)計我們在集成電路課程中已經(jīng)學(xué)過，這里就不講了。.擴散電阻條的取向與位置的確定由前所述可知，圓形硅杯膜片上擴散電阻的電阻變化率可由下式給出：縱向壓阻系數(shù)；橫向壓阻系數(shù)；徑向應(yīng)力；切向應(yīng)力；由上式可知，欲獲得大的電阻變化率，提高傳感器的靈敏度，擴散電阻條應(yīng)選擇在壓阻效應(yīng)較大的晶向和應(yīng)力大的部位上。擴散電阻一般連接成惠斯頓電橋是為了提高力敏電橋電路靈敏度的目的。在電阻條選取定位時，還要滿足硅膜片受力后其上的一對電阻的阻值變化率為正值，而另一對的阻值則應(yīng)為負值。下面不難看出，在滿足上述要求的情況下，壓阻效應(yīng)的選用可以是： 只利用縱向壓阻效應(yīng)；既利用縱向壓阻效應(yīng)又利用橫向

40、壓阻效應(yīng)。在定位上。電阻條可位于同一應(yīng)力區(qū)，也可分別位于正負應(yīng)力區(qū)。下面將分別舉例予以說明。（）利用縱、橫壓阻效應(yīng)位于同一應(yīng)力區(qū)的力敏電阻620755-83376489一般設(shè)計者往往選取N型硅作為襯底材料，選?。?00）晶面作為硅膜片。此時110和 晶向上的壓阻系數(shù)最大，對稱性也好，所以一般利用擴硼的方法擴散出兩個P型電阻沿 晶向布置，另兩個P型電阻沿110布置，此種設(shè)計如右圖所示。在（001）晶面上，110晶向的橫向為 ，其橫向壓阻系數(shù)為圖中表明力敏電阻R2、R4沿110晶向布置，縱向為110，則其縱向壓阻系數(shù)為由計算可知，110、 晶向在晶軸坐標(biāo)系中的方向余弦為630755-8337648

41、9將上述方向余弦值分別代入縱、橫向壓阻系數(shù)表達式中，再取近似，即可得110方向上的縱向壓阻系數(shù)與橫向壓阻系數(shù)：當(dāng)硅膜片受力后，力敏電阻R2、R4阻值相對變化率（即徑向電阻變化率）應(yīng)為將110方向的徑向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)代入上式，得640755-83376489當(dāng)力敏電阻R1、R3沿 晶向布置時，其縱向壓阻系數(shù)為其橫向壓阻系數(shù)為用上面同樣的方法可得到方向徑向和橫向壓阻系數(shù)的近似值分別為硅膜片受力后，力敏電阻R1、R3阻值相對變化量（即切向電阻變化率）為650755-83376489將 方向的縱向和橫向壓阻系數(shù)代入上式，可得由徑向電阻和切向電阻的相對變化率表達式可以看出，此種設(shè)計方案關(guān)鍵在如何

42、增加縱向和橫向應(yīng)力的應(yīng)力差，而應(yīng)力差隨r的增大而增大。將圓形硅杯膜片表面上各點的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力表達式代入電阻相對變化率表達式中，可得當(dāng)r相同時，即縱向電阻與橫向電阻布位于同一應(yīng)力區(qū)時，縱、橫向電阻相對變化率互為相反數(shù)。作出它們與r的關(guān)系曲線，如下圖所示。660755-83376489（）只利用縱向壓阻效應(yīng)且分別位于正負應(yīng)力區(qū)的力敏電阻一般常用N型硅以（011）晶面作為硅杯膜片，橋臂四個P型電阻均沿 晶向布置，如圖所示。在（011）晶面上 晶向的縱向壓阻系數(shù)為將代入上式得670755-83376489（011）晶面上 晶向的橫向為100晶向，故橫向壓阻系數(shù)為將代入上式得所以受力后，每個電阻的

43、阻值變化率為上式說明。此種設(shè)計方案電阻條受力后，阻值的相對變化率的正負主要取決于應(yīng)力的正負，從應(yīng)力分布圖可以看出，0.635a處是徑向正負應(yīng)力的分界。當(dāng)我們把力敏電阻布置在0.635a 以內(nèi)的正應(yīng)力區(qū)時，受力后力敏電阻的阻值變化率為正。當(dāng)把力敏電阻R1，R3布置在0.635a以外時，位于負應(yīng)力區(qū)，所以受力后力敏電阻的阻值變化率為負值。進而我們得到內(nèi)外電阻的阻值變化率為680755-83376489式中， 分別是內(nèi)、外電阻上所受的徑向應(yīng)力的平均值。如果設(shè)計時使 因之有可用下列兩式計算圓形硅杯膜片上徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力的平均值：通過以上計算說明了當(dāng)擴散力敏電阻按同一晶向布置時，在硅膜片受力后，由于力

44、敏電阻分別處于正負應(yīng)力區(qū)內(nèi)，可使兩個橋臂的電阻相對變化率為正值，另兩個橋臂的電阻相對變化率為負值，因而可同樣達到提高力敏電橋電路靈敏度的目的。690755-83376489第五節(jié) 硅壓阻式壓力傳感器的制造壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)，主要有敏感元件（俗稱硅杯）及殼體兩大部分。因此。按制造工藝的不同也可概括為如下兩大過程：（1）采用集成電路的方法在硅片上擴散惠斯頓電橋的四個電阻，而在其反面腐蝕一定的杯孔。（2）將硅杯通過靜電封接、低溫玻璃燒結(jié)等工藝組成傳感器，并對其性能參數(shù)進行測試。一、硅壓阻傳感器的制造.硅杯的制作（1）選合適電阻率的單晶硅，進行定向、切割、雙面磨拋，加工成一定形狀、一定厚度的襯底基

45、片，如右圖所示700755-83376489（2）采用集成電路方法對硅片進行氧化、光刻、擴散（或離子注入）等標(biāo)準平面工藝制成電阻條。在背面刻出硅杯圖形，進行硅杯腐蝕，制成硅杯壓阻芯片。2.封裝工藝首先測試合格芯片，用靜電封裝與低溫玻璃燒結(jié)的方法將硅杯組裝在殼體上；然后進行壓焊，調(diào)零補償；最后對傳感器表面進行保護處理。用靜電封裝與低溫玻璃燒結(jié)的方法代替有機膠黏結(jié)，可大大減少傳感器的蠕變與滯后影響。靜電封接工藝是將金屬（或半導(dǎo)體）和玻璃加熱至玻璃軟化點以下，同時加以高電壓，使兩者在相互密接處產(chǎn)生靜電力作用，形成氣密性封接。二、幾種新型硅芯片的制備工藝用上述常規(guī)工藝制作硅芯片，雖然簡單易行，但是通過

46、控制腐蝕液和時間來控制硅杯膜片的厚度，是比較困難的，生產(chǎn)效率低，芯片一致性差，成品率較低，批量生產(chǎn)也有困難。下面介紹幾種制備芯片的新工藝。710755-83376489.外延硅膜片制作法用集成電路的外延方法制作硅杯膜片是一種有效的方法，其制作工序如圖所示硅片經(jīng)過定向、磨、拋后，用擴散法或離子注入法將硼雜質(zhì)注入硅片的一面（厚約微米），形成P型薄層。用外延法在P型層上外延生長一層層，層的電阻率比P型層高，外延層的厚度就是所需的硅杯膜片厚度。將此硅片氧化，在外延的層上光刻出電阻條區(qū)，用擴散法或離子注入法制作成P型電阻條。蒸發(fā)鋁和光刻鋁引線和硅杯孔，用各向異性腐蝕法腐蝕形成硅杯，制成硅壓阻芯片。這一方

47、法的優(yōu)點是： （1）由于采取對P型層不起作用的腐蝕液，P型層起著腐蝕隔離的作用。因此，硅膜片厚度是由外延生長控制的，可制成很薄的硅膜片。（2）硅杯的腐蝕能自動地在P型層停止。720755-83376489操作方便，成品率高，特別適合小型的硅壓阻式壓力傳感器的制造。2.多晶硅膜片法為了制作成本低的硅壓阻芯片，采用多晶硅作硅杯膜片，再在硅杯膜片上制作電阻條，形成硅壓阻芯片，這一方法是利用多晶硅具有相當(dāng)大的壓力靈敏度，其壓力靈敏度可由下式給出：式中R0、L0分別為零壓力時的電阻和長度； 、 分別是壓力產(chǎn)生的電阻變化與長度變化。其制作工序為：在（100）晶面或（110）晶面的N型單晶硅上生長一層氮化硅

48、（膜厚約0.40.6微米）。再在氮化硅層上外延生長多晶硅（厚約68微米）。以二氧化硅為掩蔽膜，用擴散法或離子注入法摻入硼雜質(zhì)，形成P型電阻條。在背面光刻出硅杯掩蔽孔，730755-83376489由于氫氧化鉀腐蝕液對氮化硅不起作用，當(dāng)腐蝕到氮化硅層時即自行停止，制成多晶硅膜片，如上圖所示。此種方法，制造成本低，膜片厚度易于控制，壓力靈敏度高。3.硅-藍寶石、硅-尖晶石彈性膜片的制備1975年美國貝爾公司發(fā)表專利，試制成功集成化硅-尖晶石彈性膜片。它是以尖晶石為襯底，外延一層P型硅制成應(yīng)變電阻條，1979年美國康雷克公司研制成功硅-藍寶石半導(dǎo)體力敏器件，它是在藍寶石襯底上外延一層單晶硅，利用單晶

49、硅層制作力敏電阻條。這些傳感器的特點是取消了硅壓阻壓力傳感器所采用的PN結(jié)隔離，代之以高介電強度的絕緣襯底隔離。這樣就克服了PN結(jié)隔離的如下缺點： （1）絕緣電阻不能作得很高，一般為100200M歐；（2）PN結(jié)需反向偏置，因此不能用于交流。前面所說的工藝中，前兩項的目的是精確控制膜片的厚度。因為以前控制膜片的厚度是靠控制腐蝕速率和腐蝕時間，而這是很難作到精確控制的。其實，采用特別的方法是可以達到相同目的的。740755-83376489.利用雙面各向異性腐蝕控制膜片厚度該方法原理很簡單，采用集成電路的方法制作力敏電阻條，在背面光刻硅杯掩蔽孔的同時，在正面也刻出“切斷孔”，其工藝過程見下圖。利

50、用上述方法可以精確的控制膜片厚度，其膜片厚度與硅片正面的切斷孔的開孔尺寸有關(guān)。即膜片厚度等于開孔寬度的0.7倍。（注意鋁膜的保護）氧化氧化氧化光刻光刻光刻擴散擴散擴散光刻光刻光刻蒸鋁蒸鋁蒸鋁反刻鋁反刻鋁反刻鋁光刻光刻光刻各向異性腐蝕各向異性腐蝕各向異性腐蝕750755-83376489.微機械加工技術(shù)一、概述微機械加工技術(shù)是制造微型傳感器和微機械元件的工藝技術(shù)，對于微傳感器的實現(xiàn)和應(yīng)用具有決定性的作用，它是一種微米加工技術(shù)。目前，大體上分為三類：硅微機械加工技術(shù)，超精密機械加工技術(shù)和X射線深層光刻電鑄成型（LIGA)技術(shù)。硅微機械加工技術(shù)是硅集成電路工藝的一項重要的擴展技術(shù)。它主要用于制造以硅

51、材料為基底、層與層之間有很大差別的三維微結(jié)構(gòu)，它包括膜片、懸臂梁、探針、凹槽、孔隙和錐體等。這些微結(jié)構(gòu)與特殊用途的薄膜和高性能的電路相結(jié)合，已經(jīng)成功地用于制造大量的固態(tài)傳感器，實現(xiàn)壓力、力、加速度、流量、磁場、pH值、溫度、氣體成分、離子和分子濃度的測量以及生物傳感器等。當(dāng)傳感器用石英、陶瓷、高分子聚合物和金屬材料為基底時，還要用到超精密機械加工技術(shù)，這里，激光精密加工（如激光打孔）將起到重要作用。X射線深層光刻電鑄成型技術(shù)，是一種把X射線深層光刻760755-83376489和電鑄成型結(jié)合起來的微結(jié)構(gòu)成型工藝。除硅之外，還可加工出各種金屬、陶瓷和塑料材料的三維結(jié)構(gòu)。這種加工方法可實現(xiàn)重復(fù)精度

52、很高的大批量生產(chǎn)，而其它兩類加工技術(shù)則很難做到。因此，LIGA技術(shù)的進一步研究將對微機械加工的發(fā)展起重大作用。二、硅微機械加工技術(shù)大部分微傳感器都是用半導(dǎo)體硅制作，這不僅因為硅具有極優(yōu)越的機械和電性能，更重要的是應(yīng)用硅微機械加工技術(shù)可以制作出尺寸從亞微米到毫微米級微元件和微結(jié)構(gòu)，且能達到極高的加工精度。硅微機械加工技術(shù)，除了含有高度發(fā)展的硅集成電路工藝外，還有它的一些獨特工藝，主要有刻蝕（腐蝕）、薄膜和鍵合工藝。（）.刻蝕技術(shù)a.體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工腐蝕加工是形成微型傳感器結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，有化學(xué)腐蝕（濕法）和離子刻蝕（干法）兩大類。就單晶硅而言，常用化學(xué)腐蝕方法。已有多種化學(xué)腐蝕液可供選擇使用。各

53、向同性腐蝕利用氧化劑770755-83376489HNO3、去除劑HF（去掉SiO2）和稀釋劑CH3COOH或H2O。通過改變成分比可以達到在很寬的范圍內(nèi)對腐蝕速率、選擇性和表面腐蝕條件的選擇。各向異性腐蝕主要用于三維結(jié)構(gòu)成形，腐蝕液一般有KOH+H2O、乙二胺+鄰笨二酚+水（EPW）和H2N4+H2O。腐蝕速率依賴于晶向，沿主晶面（100）面的腐蝕速率最快，（111）面最慢。右圖表明了單晶硅立體結(jié)構(gòu)的腐蝕加工。在加工過程中，先生長一層氧化層作為光刻掩蔽膜，并覆蓋光刻膠形成圖案，再浸入緩沖過的腐蝕液（氫氟酸）中，進行氧化層腐蝕；然后將此片放入各向異性的腐蝕液（如EPW）中對晶面進行縱向腐蝕，腐

54、蝕出腔體的界面為(111),與（100）表面的夾角為54.74度。為了精確地控制腐蝕后硅膜、硅梁等的厚度，常用PN結(jié)自停腐蝕技術(shù)。它是基于電化學(xué)腐蝕原理，即通過選擇性780755-83376489的生長陽極氧化層實現(xiàn)自停腐蝕層。P-N結(jié)自停腐蝕分二電極、三電極和四電極三種結(jié)構(gòu)。在二、三電極結(jié)構(gòu)中，P型硅電位是“浮動”的，這對于理想的P-N結(jié)，漏電為零，P型硅可以“浮”到開路電位而腐蝕。但實際材料總存在漏電，漏電流使P型硅在溶液中極化，當(dāng)達到鈍化電位時，腐蝕將提前終止在P型硅上。在四電極結(jié)構(gòu)中，如下圖所示，由于P型硅上增加一個電極，就可將P型硅相對于參比電極控制在開路電位。另外，再給P-N結(jié)加上

55、個反偏電壓。這樣，便可實現(xiàn)腐蝕終止再N型硅外延層界面上。硅片上不應(yīng)腐蝕的區(qū)域，都要用氧化層覆蓋保護。離子刻蝕是加工硅、二氧化硅和多晶硅等的通用方法，刻蝕是在真空腔內(nèi)進行的。該方法之一是等離子定向刻蝕。將硅片放在高頻790755-83376489電源（RF）驅(qū)動的電極上，并置于充有含氟里昂氣體（如CF4）的化學(xué)反應(yīng)等離子體中，其中被激發(fā)的氟離子有極強的化學(xué)活性，可以和處于等離子體中的硅、二氧化硅等發(fā)生如下反應(yīng)：反應(yīng)離子在輝光放電中形成，并加速轟擊放有硅材的基板。離子轟擊可達到化學(xué)腐蝕一樣的效果。離子刻蝕的缺點是，至今所能達到的最大刻蝕深度約為50微米量級。（）表面腐蝕加工犧牲層技術(shù)近幾年來，人們

56、利用硅表面微機械加工技術(shù)，開發(fā)、研制出多種尺寸更小的懸式結(jié)構(gòu)，如微型懸臂梁，懸臂塊、微型橋和微型腔等。這些結(jié)構(gòu)已成功地應(yīng)用于微型諧振式傳感器、加速度傳感器，流量傳感器和電容式傳感器，應(yīng)變式傳感器中。該工藝技術(shù)的特點是，利用一個稱為“犧牲層”的分離層制造出各種懸式結(jié)構(gòu)，其一般工藝過程示于以下框圖中：800755-83376489通過淀積法（如濺射、化學(xué)氣相、直接蒸發(fā)）在Si基片表面上生成SiO2犧牲層（微米量級）根據(jù)要求的形狀刻蝕掉一部分SiO2再通過淀積法在所剩下的SiO2層上生成Si層（即懸式結(jié)構(gòu)材料），該層同時淀積在Si基片上SiO2已被刻蝕掉的區(qū)域用刻蝕法刻蝕淀積的Si層溶解SiO2犧牲

57、層獲得與Si基片略微連接或完全分離的懸式結(jié)構(gòu)下頁的圖為利用犧牲層制造多晶硅梁的技術(shù)過程。硅基底為N型硅（100），在硅基底上淀積一層氮化硅作為多晶硅梁的絕緣支撐，并刻出窗口（圖（a）；利用局部氧化技術(shù)在窗口處生成一層二氧化硅作為犧牲層（圖（b）；在二氧化硅層及剩下的氮化硅上面生成一層多晶硅膜并刻出微型硅梁（圖（c）；腐蝕掉二氧化硅形成空腔，即獲得橋式硅梁（圖（d）。另外，腐蝕二氧化硅前先蒸鋁，刻出鋁壓塊以便引線（圖（d）。810755-83376489下圖（a）（j）為硅諧振子制造過程。硅基底為N型硅（100），在其表面上淀積一層二氧化硅并刻出窗口（圖（a）；腐蝕出錐形槽（圖（b）；局部生長強

58、P型硅（圖（c）；再局部生長摻硼的P型硅（圖（d）；再生長強P型硅（圖（e）；再生長摻硼的P型硅（圖（f）；腐蝕掉余下的二氧化硅層（圖（g）；腐蝕出空腔和諧振子（圖（h）；再生長一層N820755-83376489型硅層，借以封閉空腔（圖（i）；抽出空腔內(nèi)的氫氣，形成一定真空度的空腔（圖（j）。圖（k）為由各向異性腐蝕的硅諧振子整體結(jié)構(gòu)。830755-83376489綜上所述，在利用犧牲層的表面微機械加工中，常用幾種材料以薄膜形式組合在一起，形成結(jié)構(gòu)層和犧牲層；再利用腐蝕技術(shù)制造出微型腔、微型橋、微型懸臂梁和膜片等。這種工藝技術(shù)不僅對發(fā)展微型傳感器有重要意義，也對微能源、微致動器的發(fā)展具有重要

59、作用。840755-83376489.薄膜技術(shù)在微型傳感器中，利用了各種薄膜。如多晶硅膜、二氧化硅膜、金屬（合金）膜等作為傳感器構(gòu)件的復(fù)合材料。它們可以加工成各種梁、橋、彈性膜等，有的作為傳感器的敏感膜，例如半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體膜；有的作為介質(zhì)膜起絕緣層作用，如氧化物介質(zhì)膜；有的起尺寸控制作用的襯墊層（在加工完成之前去掉）。物理氣相淀積和化學(xué)氣相淀積是在襯底材料上制作薄膜的兩種常用工藝技術(shù)。物理氣相淀積是利用蒸鍍和濺射（離子束轟擊靶材料，使被轟擊下來的物質(zhì)在襯底上淀積）?；瘜W(xué)氣相淀積工藝是讓氣體與襯底材料本身在被加熱的表面進行化學(xué)反應(yīng)，使另一種物質(zhì)在表面上成膜。制作薄膜的方法較多有：（）真空蒸

60、鍍；（）濺射成膜工藝；（）化學(xué)氣相淀積；（）等離子化學(xué)氣相淀積。由于在相關(guān)課程中已有介紹，各工藝具體的方法就不講了。如有興趣，可參考有關(guān)教材和科技書目。850755-83376489三、X射線深層光刻電鑄成型技術(shù)該項工藝是深層同步輻射X射線光刻和電鑄工藝相結(jié)合的制造技術(shù)。與犧牲層技術(shù)相結(jié)合便可制造出微型懸式結(jié)構(gòu)，其工藝過程如左側(cè)框圖所示。下頁所示的圖為用該工藝制造的懸臂結(jié)構(gòu)示例。在陶瓷或附有絕緣層硅基底上濺射Cr、Ag貼附層和電鑄成型的基底面（圖（a）；腐蝕一部分中間層，濺射犧牲層，并用紫外光通過掩膜照射犧牲層制作平面圖形（圖（b）；在鈦860755-83376489犧牲層基底上淀積光致抗蝕劑