南台科技大学101微机电系统题目名称微机电系所机械工程系.doc

南台科技大學 101學年度微機電系統 題目名稱: 微機電 系 所：機械工程系 指導老師：莊承鑫教授 專題學生：林威辰 葉家宇 曾昱翔 張嘉倫 洪茂凱 中 華 民 國 一百零二 年 六 月四 號 微機電 學生：林威辰、葉家宇、曾昱翔、張嘉倫、洪茂凱 指導老師：莊承鑫 教授 南台科技大學 機械工程系 摘要 本研究提出了一種新的CMOSmicroelectromechanical系統（MEMS）三軸加速度計設計採用台灣半導體製造公司一多晶矽six-metal/dielectric0.18微米CMOS工藝製造。該多層金屬和電介質層功能的CMOS利用在平面和垂直整合平面外的電容式感測電極。所以，這三個軸感應電極可以被集成在一個單一的檢測質量減少足跡加速度。此外，全差動間隙關閉所有三個軸的傳感電極之間實施，以增加靈敏度，降低噪音。在平面內和平面外的傳感間隙分別是定義的最小的金屬線的寬度和厚度一個金屬層通過濕蝕刻的金屬後CMOS的過程。因此，電容的靈敏度進一步提高。全差分感應電極間隙收盤也帶來之間的所有三個軸的優勢。如結果，所提出的三軸加速度計的足跡結構是只有400×400平方微米。與現有的相比商業或CMOS MEMS研究，大小是顯著減少。測量靈敏度（非線性）14.7 mV / G為（3.2％）為X軸，15.4 mV / G為（1.4％）Y軸，和14.6 mV / G為（2.8％），為Z-軸。 一、前言 微機電系統（MEMS）加速度計是一個重要的運動傳感裝置，並具有發現的各種應用在汽車，工業和電子產品上，三軸加速度（X軸，Y - 軸和Z軸）已經得到了廣泛的利用，目前，隨著日益增長的需求在不同的應用程序中的運動傳感，微機械芯片尺寸小，成為一個關鍵問題加速度計設計。總的數量減少，芯片的尺寸可以進一步縮小質量塊的三軸加速度計，但是，電氣路由成為一個關鍵問題。聚-Si系的表面微加工過程提供了一種更好的電氣路由能力，實現單證明質量三軸加速度傳感器規格的機械表結構可以縮小到800×800平方微米。使用可用的CMOS工藝的製造廠被認為是一個有前途的方法來實現MEMS加速度計。這樣技術具有成熟的晶圓代工服務，大規模生產和單片集成傳感電子縮小芯片尺寸和減小寄生電容，大單證明質量加速度計設計（700×700平方微米）安排傳感電極由三個獨立的幀。加速度一個大型懸掛結構遭受嚴重的不必要pre deformations的薄膜的殘餘應力引起的，該這樣的加速度計的靈敏度差。以減少大小加速度計，單證明質量加速度計設計（400×400平方微米）。在這個設計中，所有三軸檢測電極，在有限的空間分佈等小型防爆質量。其結果是，感測的總數電極，以及加速度計的靈敏度降低。本文介紹了一個三軸加速度計的設計基於標準台積電0.18微米的多晶Si的六金屬/介質（1P6M）CMOS工藝。由於多層金屬和介電特性，在平面內和平面外的充分差分感應電極可以垂直整合。在換句話說，不僅可以分佈感測電極沿的寬度/長度，但也證明沿厚度腫塊。因此，檢測電極的數量可以顯著地增加。濕蝕刻的金屬後CMOS工藝定義的結構和在面內和平面外的傳感差距。因此，傳感間隙是沒有限制的縱橫比，並且可以減小用CMOS線寬度能力。 二、設計概念 如該圖所示。圖1（a），加速度計設計的建議由證明質量，彈簧，支撐架，感測電極。可動傳感電極固定檢測質量，而固定傳感電極連接錨定到支撐框架到基板上。該加速度計採用市售標準台積電0.18微米1P6M CMOS的過程。 圖1（b）表示的是標準的層堆疊的CMOS工藝製造，包括一層多晶-Si，六層金屬，電介質，和鎢的通孔。相對於標準0.35微米多晶矽四金屬（2P4M）CMOS工藝，建議0.18微米1P6M CMOS工藝不僅提供更小的線寬，但也提供了更多的金屬和MEMS結構設計的介電層。的總厚度MEMS結構的薄層達到8.8微米（不包括鈍化）。此外，0.18微米CMOS方法具有以下優點：減少電路的尺寸，並比0.35微米之一，提供更多的電路功能。注意該加速度計的尺寸必須滿足規則和規格的標準流程，例如電影厚度和最小線寬。 換句話說，檢測質量的總厚度是8.8微米。因此，檢測質量和加速度計的靈敏度 增加，相對於加速度計使用台積電0.35微米2P4M CMOS工藝實現。在本文中，典型的平面尺寸證明質量是250×250平方微米。 彈簧結構由金屬和金屬-2層，以降低其剛度外的面內方向。圖示（b）本層堆積的0.18-μm1P6MC