谐振梁在膜片表面不同位置上其感受的应力不同固有谐振频率也不同.ppt

3.6 热流式传感器 3.6.1 工作原理 在密闭的腔体内利用热电阻加热空气，形成稳定的对流，当器件倾斜或存在加速度时，对流方向发生改变，使测试电阻处的气流速度不同，引起对流散热速率变化，从而使得测试电阻的阻值改变。 3.6.2 MEMS热流式传感器 美国George Washington大学 腔体的尺寸500?m 一维热电偶式结构，加热功率在40mW到90mW时，灵敏度可达到40?V/g到115?V/g ，频率响应 100Hz 一维热电阻式，加热功率在120mW和430mW的时候，灵敏度分别为25 V/g和185 V/g ,频率响应600Hz 二维结构灵敏度略低 德国S.Billat利用SOI技术 性能： 空气，响应时间300ms; SF6，响应时间600ms 灵敏度:1.6mV/ ?(45mW、SF6气体) 量程：360 ? 分辨率：0.007 ? 功耗：5mW-50mW 信息产业部十三所 功率为200mW时灵敏度为0.35V/g，量程为75g，抗冲击大于100g。这个传感器中，腐蚀槽的深度为150?m，多晶硅加热电阻长1000?m，宽80?m，厚度2?m，测温电阻长1000?m，宽40?m，厚度2?m 3.6.3 传感器设计 传热学基础 传热基本方式：传导、对流、辐射 传导——傅里叶导热定律 一维热传导方程 对流 影响对流的因素 流体流动的起因：比如强迫对流和自然对流 流体有无相变 流体的流动状态 ：层流和湍流 换热表面的几何因素 流体的物理性质 （密度?、动力粘度?、导热系数? ） 牛顿散热定律——表面积为S的热体，在单位时间内，由于对流而散失的热量： 其中?是热体温度，?0是周围流体温度，h是表面传热系数，研究对流换热的任务就是确定计算表面系数h的具体表达式。 传感器结构 传热分析 热量主要通过传导的方式散发出去。考虑到支撑梁硅结构对传热的影响，实际加热的功率会比这个计算结果要大，因此设定的额定加热功率是100mW。 气体对流场分析 敏感电路 掺杂到一定浓度多晶硅电阻 传感器结构抗冲击性能分析 支撑梁两端弯矩 达到应力极限时 硅的承载极限为7?109Pa，结构的厚度为20?m，长度为2mm，则有 测温电阻结构的边长为730?m，比支撑梁的长度2mm小，冲击承载能力要强于支撑梁 气体对流尺度效应 物理上，格拉晓夫数 Gr是浮升力/粘滞力比值的度量。Gr数的增大表明浮升力作用的相对增大。Gr与加热器的特征尺度的三次方成正比，尺度变化10倍，则Gr数变化1000倍 取g=9.8m/s2，?=1/650，?t=700，?=59.3?10-6 m2/s 气体对流尺度效应（2cm） 气体对流尺度效应（1cm） 气体对流尺度效应（5mm） 气体对流尺度效应（2mm） 传感器简化模型分析 传感器实际近似模型 传感器结构尺寸 腔体边长尺寸：2mm 结构层厚度：20?m 加热平台尺寸：200 ?m?200 ?m 支撑梁尺寸：900 ?m ? 100 ?m 测温电阻边长：250 ?m 测温电阻宽度：10 ?m 测温电阻顶点距离加热平台距离：400 ?m 参考电阻宽度：10 ?m 参考电阻外边长：300 ?m 加热电阻设计 电阻设计经验公式 K1——电阻端头修正因子； K2——电阻弯头修正因子，实验确认为0.5； n ——弯头数目。 加热器上电阻的分压达到外加电压的90% 支撑梁电阻18个方块，则加热器为162个方块 电阻条长度1720?m，宽度是10?m，间距10?m Rheater=16?9+8+8?2?0.5+2?2=164 R?=16.4kΩ 3.6.4 工艺方案 清洗硅片 双面氧化二氧化硅2000? （干氧氧化） 双面淀积氮化硅2000? LPCVD:700?C到800?C PECVD:450?C 正面淀积多晶硅层 多晶硅薄膜性质 能承受高温处理 可以进行N型或P型（重）掺杂 多晶硅制备 LPCVD, 625 ?C 在氮化硅衬底上，择优取向是〈110〉，平均晶粒约为0.03?m的细晶粒镜面光滑的的多晶硅薄膜 薄膜厚度：1 ?m 掺杂多晶硅 多晶硅电学性能 掺杂浓度为2?1019/cm2，电阻率为0.01??cm 多晶硅薄膜的厚度为1?m 刻蚀多晶硅薄膜，制作加热电阻、测温电阻和参考电阻 双面各向异性对穿腐蚀，正面V型槽 腐蚀穿通，分离出悬空的结构 3.7 谐振式传感器 3.7.3 MEMS谐振式传感器结构设计 3.7.4 MEMS谐振式传感器有限元分析 3.7.5 MEMS谐振式传感器工艺 温度对多晶硅淀积速率的影响 掺杂种类和浓度对多晶硅生长速率的影响 多晶硅薄膜的室温电阻率（a）、平均载