真空微电子加速度传感器关键技术研究

发布时间：2020-03-15 12:19

【摘要】：加速度传感器是一种十分重要的惯性传感器,基于新原理、新技术的高性能加速度传感器是近年来研究的热点。真空微电子加速度传感器基于场致发射理论,集固体器件和真空微电子器件的优点于一身,具有灵敏度高、抗辐射、响应快、体积小等独特的优点,是高性能MEMS加速度传感器的新探索,具有十分重要的科学意义和迫切的应用需求。论文针对真空微电子加速度传感器研究中存在的科学与技术问题,提出了一种基于纳米锥尖阵列、初始发射间距可控和过载保护的真空微电子加速度传感器新结构。研究了场致发射理论,建立了真空微电子加速度传感器的理论模型;完成了真空微电子加速度传感器敏感结构的优化设计和仿真分析;突破了锥尖阵列制备、低温键合、ICP刻蚀等关键加工技术,开展了圆片级真空封装的探索研究,成功研制出真空微电子加速度传感器原理样品;研究了真空微电子加速度传感器测试方法,完成了主要性能指标的测试与分析。论文的主要工作包括:(1)介绍了真空微电子传感器的研究现状及发展趋势,分析了真空微电子加速度传感器的特点以及存在的科学与技术问题,确定了总体研究方案;(2)基于场致发射理论,分析了埃菲尔铁塔形和金字塔形场发射阴极锥尖的电学特性;建立了真空微电子加速度传感器的理论模型,研究了传感器的力学和电学特性,分析了影响传感器性能的主要因素;(3)根据真空微电子加速度传感器的设计目标,提出了基于纳米锥尖阵列的真空微电子加速度传感器新结构。通过偏置电压控制初始发射间距,引入台阶扩大带锥尖阵列敏感质量块的可控位移,设计过载保护环实现对锥尖的保护。该结构降低了工艺难度,有效抑制了传感器的静电吸合失效;采用ANSYS有限元分析软件对敏感结构进行了静力学及动力学分析,优化了结构参数;提出了带双键合环的圆片级真空封装新结构;(4)采用优化的HNA各向同性湿法液制备了均匀、一致的埃菲尔铁塔形硅尖阵列,在硅尖表面沉积Ti W/Au复合金属薄膜,提高了器件的场发射性能;研究了工艺参数对阳极键合、Au/Si共晶键合的影响,优化了低温键合工艺,解决了电极发黑以及键合界面不均匀等问题,开展了三层真空键合探索;优化ICP刻蚀工艺,引入结构预释放微孔,解决了弹性梁释放中的侧向钻蚀和结构断裂问题,成功研制出真空微电子加速度传感器原理样机。(5)研究了真空微电子加速度传感器的测试方法,搭建了测试平台,完成了各性能指标的测试。在7.6V偏置电压,1.5V发射电压下,真空微电子加速度传感器的输出电流为52.4μA,灵敏度为1.06V/g,非线性度为0.91%,零偏稳定性为484μg,分辨率为27μg/Hz~(1/2),工作带宽为100Hz,工作温度为-20~55℃,抗冲击能力200g。
【图文】：

锥尖,阴极,阵列,模具

如图 1.1 所示。该场发射阵列具有良好的发射稳定性（±1.7%），可广泛应用于航空航天及恶劣环境下。图1.1 采用模具转移制备的阴极锥尖阵列 (a) TiN；(b) a-C；(c) PtFig.1.1 Cathode tip array fabricated by mold transfer method (a) TiN; (b) a-C; (c) Pt2015 年，C．Prommesberger 等人报道了一种带栅极的 p 型硅尖场发射阴极，如图 1.2 所示。采用干法刻蚀技术与氧化锐化技术结合，制备了高度为 3μm，尖端曲率半径为 30nm 的硅尖。在 100V 发射电压，400V 栅极电压下，100 个硅尖的发射电流可达 35μA，并且具有较好的发射电流稳定性[41]。图1.2 带栅极的场发射阴极硅尖Fig.1.2 SEM image of a gated Si-tip为了进一步提高场致发射的稳定性

场发射阴极,栅极

[41]。图1.2 带栅极的场发射阴极硅尖Fig.1.2 SEM image of a gated Si-tip为了进一步提高场致发射的稳定性，，Schowebel 等人报道了用氢等离子体处理的方法，去除发射体表面污染、增强发射一致性。法国 LETI 的研究人员采用在衬底下方增加一层串联电阻的方法，制作了 Mo 锥尖场发射阴极，在整个平板上获得了比较均匀的发射，可将其应用于台式计算机和笔记本电脑的显示器中[42]。综上可见，尽管近年来在场发射阴极方面的研究取得了重要进展，但对场发射阴极锥尖的研究仍处于不断探索中，真正应用于真空微电子器件中的场发射阴
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

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