一种基于Post-CMOS的MEMS集成电容式压力传感器研究

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MEMS最独特的特点之一是可以将传感器、执行器和处理电路与控制电路同时集成在同一块芯片上--单片集成,即应用整片衬底的加工流程,将不同的部件集成在单片衬底上。新型压力传感器的研制目前不断引现新技术、新方法,尤其随着微加工技术和集成电路技术的发展,CMOS电容集成传感技术正成为研究热点。根据目前CMOS MEMS工艺技术现状,通过MEMS后处理中关键工艺的研究,本文提出了一种基于Post-CMOS体硅微机械加工技术方案,通过设计典型单片集成式电容压力传感器与梳齿静电执行器,流水加工,验证工艺的可实现性。   电容式压力传感器的敏感膜采用硅体硅腐蚀工艺制作,硅片正面RIE形成几微米深的凹槽作为上下极板的间隙,传感器的另一个电极制作在厚支撑的玻璃上,硅/玻璃通过阳极键合形成传感器的空腔,硅片背面减薄达到所需厚度,最后进行ICP释放结构。   采用薄板的小挠度理论模型和ANSYS有限元分析软件对电容式压力传感器的敏感膜弹性进行了力学分析,文中分析了45μm、50μm、55μm以及60μm四种不同厚度的敏感膜,通过对比可知小挠度理论模型与ANSYS有限元分析压力-挠度曲线非常接近,两种分析所得最大应力远小于硅膜的屈服强度。利用解析公式对敏感电容进行计算,并分析了电容大小的变化同结构尺寸之间的关系,讨论了边缘电场效应对传感器电容的影响,定性分析了传感器的灵敏度与线性度。   为了实现课题目标--通过MEMS后处理中关键工艺的研究,设计并制作MEMS典型器件,验证所提出的集成方案的可实现性。在研究电容式压力传感器的同时,介绍了典型的梳齿静电执行器的工作原理并设计了简单的结构,给出了两种器件的版图设计与工艺流程。后处理工艺主要包括:体硅腐蚀、金属溅射和硅/玻璃阳极键合。文中给出了流片加工结果,器件结构的释放基本令人满意,验证了本课题中所提方案的可实现性。对电容式传感器与执行器进行了测试分析,并提出了一些改进措施。   本文最后总结了整个课题的主要工作,同时提出了工作中存在的一些问题和需要进一步深入研究的工作。
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