MEMES触觉传感器课程设计报告PPT第二部分.ppt

3.1 敏感梁结构的优化仿真,3.2 传力杆结构参数的优化仿真,3.4 对结构优化后传感单元进行有限元分析,3.3 中心连接体结构参数的优化仿真,,,Main Heading Goes here Sub-heading goes here,,三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,,,三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.1 敏感梁结构的优化仿真,梁是最重要的部件 对于梁结构的仿真实验 首先需要通过理论给出传感单元梁结构尺寸的大概范围，在此范围内对尺寸进行相应改变，研究其影响机理并最终优化结构参数1.传感单元敏感梁厚度的仿真实验,2.传感单元敏感梁长度的仿真实验,3.传感单元敏感梁宽度的仿真实验,,,三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.1 敏感梁结构的优化仿真,1.传感单元敏感梁厚度的仿真实验,,图3.1 梁厚度对应力检测灵敏度的影响 Fig 3.1 The inflection of the beam’s thick to the sensitivity of the stress detection,根据公式(2.3)和(2.6)利用MATLAB仿真 得到如右曲线,随着梁的厚度的增加，不同负载方向的应力检测灵敏度的差值会越来越大，检测灵敏度也会不停增加，但测量范围也会越来越小。

考虑到轴向和横向的检测灵敏度应该尽可能的接近，以及对梁结构负载能力的要求，在梁的厚度应为 0.01mm~0.04mm 范围内三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.1 敏感梁结构的优化仿真,1.传感单元敏感梁厚度的仿真实验,,表3-1 梁厚度对应力的影响 Table 3-1 The inflection of beam’s thick to the stress distribution,在该厚度范围内提取三种情况进行有限元分析，分别施加轴向和横向均为1N的作用力当梁的厚度减少到 10μm 的时候，表面应力的变化呈非常不规则的状态，尤其是靠外侧的部分，应力曲线的线性和平滑度都较差当梁的厚度增加到 40μm 的时候，应力曲线的线性和平滑度虽然都比较好，但是与梁的厚度为25μm情况相比，应力曲线的线性和平滑度已经开始变差轴向负载,横向负载,厚度 0.01mm,厚度 0.025mm,厚度 0.04mm,,,三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.1 敏感梁结构的优化仿真,2.传感单元敏感梁长度的仿真实验,,图 3.2 梁的长度对应力检测灵敏度的影响 Fig 3.2 The inflection of the beam’s length to the sensitivity of the stress detection,根据公式(2.3)和(2.6)利用MATLAB仿真 得到如右曲线,当梁的长度较短时，传感单元轴向和横向检测灵敏度的差异非常大，这与设计要求相悖，而且，应力检测的分辨力过高，使得传感单元的检测范围非常小。

所以，选定的梁长度仿真区域为 0.5mm~1mm 之间三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.1 敏感梁结构的优化仿真,2.传感单元敏感梁长度的仿真实验,,表3-2 梁长度对应力分布的影响 Table 3-2 The inflection of beam’s length to the stress distribution,在该厚度范围内提取三种情况进行有限元分析，分别施加轴向和横向均为1N的作用力减小梁长会造成结构超定，使应力曲线在端部有跳变,同时，过短的梁宽也会给压阻和引线的排布造成比较大的困难 增加梁的长度虽然会增加量程，但会导致应力分布的线性度和平滑度变差，影响传感单元结构的稳定性，造成应力分布的不均匀 轴向负载,横向负载,长度0.5mm,长度0.75mm,长度1mm,,,三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.1 敏感梁结构的优化仿真,3.传感单元敏感梁宽度的仿真实验,,表3-3 梁宽度对应力分布的影响 Table 3-3 The inflection of beam’s width to the stress distribution,根据公式(2.3)和(2.6)所示的应力检测灵敏度公式，发现梁的宽度对传感单元检测值没有影响，但是考虑到梁的宽度与梁其他结构尺寸之间的比例关系会影响到传感单元应力分布曲线的线性和平滑度，所以同样通过有限元的方法研究了梁宽度对传感单元性能的影响。

减小梁宽可以使应力曲线获得较好的线性，但是，使得应力急剧增大，降低了结构的负载能力，而且针对加工工艺的限制，需要保证引线、压阻、梁边缘之间的宽度间隔,梁宽过大，会造成整个结构的超定，导致表面应力的变化呈非常不规则的状态，既不利于压阻检测，也很容易造成梁的断裂轴向负载,横向负载,梁宽 0.7mm,梁宽 0.1mm,梁宽 0.4mm,,,,,结论,综合上述对应力分布曲线的线性平滑度分析，在标准尺寸基础上，可以适当增加梁的厚度，减少梁的宽度，但是梁的宽度受到压阻排布引线最小间隔的影响，改动的幅度不大而梁的长度基本保持不变，以保持应力检测的灵敏度和测量范围均能满足设计要求 在最终的版图中采用梁结构尺寸参数为 750μm，380μm，30μm三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.1 敏感梁结构的优化仿真,,,,三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.2 传力杆结构参数的优化仿真,参考公式(2.3)和(2.6)，可以发现传力杆尺寸对于轴向负载下敏感梁应力的分布影响理论上没有影响，因此对于传力杆结构的优化仿真实验只是针对横向负载下的应力分布情况传感单元的应力检测灵敏度随着传力杆长度的增加成非线性变化，当传力杆长度小于 2mm 时，应力检测灵敏度的变化非常剧烈，而且值超过10Gpa/mm，在 100μm 负载下，早已超出了敏感梁的断裂极限，所以选定传力杆长度的仿真范围为 3mm～8mm 之间。

图3.3 传力杆长度对检测灵敏度的影响 Fig 3.3 The inflection of the transitive stick’s length to the sensitivity of the stress detection,,,三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,,3.2 传力杆结构参数的优化仿真,长度为2mm,长度为6mm,长度为8mm,传力杆长度的变化对梁应力变化区的应力曲线的线性和平滑度没有太大的影响，但通过对比发现，对于敏感梁中部的应力过渡区，在梁长度为5.9mm时过渡最平滑故取梁的长度为5.9mm表3-4 传力杆长度对应力分布的影响 Table 3-4 The inflection of transitive stick’s length to the stress distribution,,,三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.3 中心连接体结构参数的优化仿真,图 3.4 中心连接体（半宽度）对传感单元横向检测灵敏度的影响 Fig 3.4 The inflection of the center brick’s width to the sensitivity of the stress detection,中心连接体的上表面用来和传力杆进行粘和，其尺寸对应力检测的灵敏度没有太大的影响。

下表面连接敏感梁，传递被测量，所以对测量有较大影响 根据公式(2.6)的分析，可以发现传感单元应力检测灵敏度与中心连接体下表面的尺寸之间是比较复杂的函数关系，应用MATLAB仿真曲线得到如右图所示的曲线，在中心连接体半宽度为 0.5mm 附近时，检测灵敏度最低，所以综合考虑，仿真范围选择 0.6mm～1mm 之间，即下表面边长2wi取1.2 ～ 2mm之间三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.3 中心连接体结构参数的优化仿真,半宽度为0.8mm,半宽度为0.6mm,半宽度为1.0mm,表3-5 中心连接体宽度对应力分布的影响 Table 3-5 The inflection of center brick’s width to the stress distribution,,中心连接体宽度较小时，应力呈现不规则变化，中心连接体宽度较大时，梁的端部跳变消除，但是线性度下降，所以综合考虑wi取0.9mm三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.4 对结构优化后传感单元进行有限元分析,1.对传感单元进行应力分析,,,,,横向负载,轴向负载,图3.5 传感单元在力作用下的应力变化曲线 Fig 3.5 The Stress variation curve of the sensor unit under the load of force,通过上文的分析优化， 最终确定传感单元的尺寸： tb=0.03mm,wb=0.38mm,lb=0.75mm,wi=0.8,l=6mm,中心连接体宽度为1.6mm。

该参数下的传感单元的应力变化曲线，线性度和平滑度均较好，基本上达到了预期的效果,,,三、传感单元的结构设计和参数仿真优化,3.4 对结构优化后传感单元进行有限元分析,2.对传感单元进行模态分析,,,四、传感单元的制作工艺及版图设计,4.1 MEMS 传感单元的工艺加工技术,4.2 传感单元加工的工艺流程及相应的版图设计,,,四、传感单元的制作工艺及版图设计,4.1 MEMS 传感单元的工艺加工技术,,,,1 压阻工艺,2. KOH 腐蚀,,,四、传感单元的制作工艺及版图设计,4.1 MEMS 传感单元的工艺加工技术,,,1 压阻工艺,,采用在 N 型硅单晶衬底上，扩散和离子注入工艺制作 P 型压阻P 型硅的压阻系数高于 N 型硅，这有利于提高器件的灵敏度 ; P 型的掺杂浓度高于 N 型 ,掺杂浓度越高，载流子迁移率的温度特性越稳定 ; N 型衬底上制作 P 型电阻，可以在电阻和衬底之间形成一个 PN 结反向隔离 在制造工艺过程中杂质扩散速度和腐蚀速度按的次序递增，而 SiO2－Si 的界面态密度按照递减，所以制造时从提高生产效率和提供器件稳定性的角度考虑，选用(100) 晶面四、传感单元的制作工艺及版图设计,,,2. KOH 腐蚀,干法腐蚀 包括 RIE（反应离子刻蚀）和 ICP（电感应耦合等离子刻蚀） 特点 : 优点：精度高，便于控制，侧壁垂直度好， 通常用来腐蚀引线孔和注入扩散区域， 以及结构释放 缺点：速度较慢，不适宜深度腐蚀,湿法腐蚀中最常见的是 KOH 对硅的腐蚀。

由于 KOH 对硅晶体的各个晶面腐蚀速度不同，所以称为各向异性腐蚀大多数硅片的表面为、和，其中晶面的原子密度最大，晶面的次之，晶面的硅原子密度最小原子密度越高的晶面，腐蚀速率越低晶面 KOH 腐蚀得到的剖面形状如图所示腐蚀的剖面不是垂直的，而是呈 54.74°夹角的斜锥状，这是因为晶面和晶面的夹角是 54.74°，而晶面的腐蚀速度远低于晶面的腐蚀速度，随着腐蚀深度的增加，就会形成如右图中所示的这种锥形剖面图 4.1硅的各向异性腐蚀的剖面图 Fig 4.1 The cross-section drawn of silicon anisotropic corrosion,,,,四、传感单元的制作工艺及版图设计,4.2 传感单元加工的工艺流程及相应的版图设计,1.工艺流程,,,,,,,,,ICP 结构释放,,,四、传感单元的制作工艺及版图设计,4.2 传感单元加工的工艺流程及相应的版图设计,2.版图设计,,,四、传感单元的制作工艺及版图设计,4.2 传感单元加工的工艺流程及相应的版图设计,2.版图设计,,,四、传感单元的制作工艺及版图设计,4.2 传感单元加工的工艺流程及相应的版图设计,2.版图设计,,五、总结与展望,本文根据公式(2-10)中检测电压和应力的对应关系，对负载作用下的梁的应力进行理论和仿真分析。

要最终完成该传感器的设计还需进行如下工作：,,3 通过实验分析传感器的特性并不断优化设计,1 信号检测电路 的设计,2 传感器的封装,。