新型MEMS仿生声敏感芯片设计与晶圆级测试

面向生产线设备智能故障诊断与维护预测对低频、低成本麦克风的应用需求,针对现有微机电系统(MEMS)声传感器低频响应差、高频资源浪费和精密测量驻极体麦克风成本高的问题,通过分析奥米亚寄生蝇的听觉器官的工作原理,提出了一种具有抗振动干扰功能的单支点差分结构MEMS仿生麦克风芯片,制定了晶圆级封装加工流程。建立了有限元仿真模型,仿真分析结果表明:设计的MEMS仿生麦克风芯片的一阶谐振频率为3.92 kHz,可以满足低频声波探测的应用需求。声波灵敏度为3.04 fF/Pa,振动灵敏度为2.1×10^(-4)fF/gn,可以实现抗振动干扰的目的。在6 in MEMS加工平台上完成了6 in晶圆的加工与晶圆测试。测试结果表明,所设计加工的MEMS仿生声敏感芯片电容的一致性比较好。

联动薄膜压力敏感芯片测试方法研究

在MEMS技术受到广泛应用的趋势下,为适应未来发展的需要,以电容式压力敏感芯片为例,设计一种针对联动薄膜压力敏感芯片电容检测的测试方法,可对压力敏感芯片的输出电容做出准确测量。该测试方法涉及电路中的电容时间转换电路、时间脉宽转换电路、脉宽提取器以及数字输出电路,对各个电路模块进行电路设计论证,分析电路功能的完善性,并绘制版图,按照测试方法合并所有电路模块进行整体电路仿真及测试。实验结果表明测试方法达到设计预期。

高过载三维MEMS加速度传感器敏感芯片设计仿真与优化

为获取硬目标侵彻武器弹体侵彻过程中完整的三轴向加速度信号,研制了三维高冲击过载MEMS压阻式加速度传感器。提出了中心岛硬心质量块E型膜片结构设计方案和独特的三维力敏电阻的布桥方式,并详细阐述了传感器三维加速度测试的工作原理,运用有限元分析软件进行仿真验证,并运用零阶粗优化与一阶梯度寻优相结合的优化算法,对传感器敏感芯片的结构参数进行优化。优化仿真结果表明:传感器敏感芯片的结构强度足够,可承受的瞬态高冲击过载峰值最高可达2×105g;芯片固有频率可达231 kHz;三轴向加速度测试力敏电阻布设位置应力应变大,使得传感器有较高的输出灵敏度,理论上的优化仿真分析保证了传感器有可靠的工作性能,最后研制传感器原理样机,进行实验验证。

一种SOI高温压力传感器敏感芯片

从传感器的受力结构、能量转化结构和金属引线三个方面对SOI压阻式压力传感器芯片进行高温设计,计算出每个因素所造成的影响并与外部气压对传感器造成的影响进行对比,并给出了压阻的工艺尺寸和掺杂浓度。通过工艺制备和封装,研制出耐高温压力传感器芯片,常温压力测试结果表明传感器敏感芯片在常温下灵敏度较高,非线性误差在0.1%以下,迟滞性小于0.5%。高温下的性能测试结果表明,传感器可以用于350℃恶劣环境条件下的压力测量,为压阻式高温压力芯片的研制提供了参考。

耐高温SOI结构压力敏感芯片的研制

如何制作与生产适宜高温环境下应用的压力传感器，一直备受关注。在SIMOX技术SOI晶圆的基础上，设计了压力敏感芯片结构，并基于MEMS工艺制作了芯片。电桥采用1mA恒流源供电，在300℃下，满量程输出≥180mV，灵敏度为30-40mV/（mA.MPa），非线性≤1‰FS，重复性≤1‰FS。与常温测试结果相比，300℃高温下，敏感芯片的静态性能没有明显差异。

基于SOI的MEMS压阻式高温压力敏感芯片的研制

设计并制备了一种基于SOI(silicon on insulator)材料的MEMS压阻式高温压力敏感芯片。在设计方面,通过理论计算与仿真,对敏感芯片各项参数进行了优化;在工艺方面,设计了基于标准MEMS工艺的制作流程,并创新性地提出了"器件区下沉"工艺步骤,以提高敏感芯片工艺制备的可靠性。采用316L不锈钢基座对MEMS压力敏感芯片进行封装后,完成了温度、压力复合环境标定测试,结果显示其具有较高的测量精度,并可在20~220℃温度范围内稳定工作,具备在高温恶劣环境中应用的前景。

石英微机械陀螺敏感芯片的结构解耦特性研究

石英微机械陀螺敏感芯片通常采用双端音叉结构,驱动音叉和检测音叉的振动耦合误差是其主要误差源。对双端音叉结构陀螺敏感芯片进行了结构解耦设计仿真,分析了芯片安装区对检测音叉振动特性的影响。通过解耦设计,减小了零偏误差信号,提高了陀螺敏感芯片的稳定性。

一种厚膜电容式压力敏感芯片

厚膜电容式压力敏感芯片具有工作温度范围宽、耐腐蚀、抗过载能力强、蠕变和迟滞小等优点。该芯片是由2块能牢固键合成一体的上下基板组成,基板材料为96%Al2O3陶瓷。下基板既为弹性体,又为电容器的可动电极;上基板为电容器的固定电极并可承载运放、信号调节电路。文中研制的压力敏感芯片量程为0-100 kPa,电容值为30 pF,非线性为1.5%,工作温度为-40-125℃,零点温漂小于200 ppm/℃.

集成加速度传感器敏感芯片性能影响因素及其仿真分析

从集成加速度传感器敏感芯片结构参数的设计入手,分析了支撑梁厚度、电容初始间隙、质量块等敏感芯片结构参数对传感器灵敏度、非线性等性能的影响。同时利用结构分析软件ANSYS进行仿真分析,并对优化后的敏感芯片结构参数进行验证,结果表明:该结构的敏感芯片使加速度传感器灵敏度能够达到10 m V/gn以上,非线性优于2%。

高g值加速度敏感芯片性能优化的结构分析

随着微机电系统(MEMS)技术的发展,出现了高g值加速度敏感芯片,但因所受惯性力巨大,其综合性能难以提升,特别是过载和交叉耦合问题尤为突出。利用有限元法对带有微梁的高g值加速度敏感结构进行了仿真分析,给出了结构优化的设计方法,在保证灵敏度的同时,显著提高芯片固有频率和抗过载能力。在芯片的质量块与边框连接处设计了具有补偿作用的凹槽,有效减小了敏感芯片的交叉耦合。所设计量程为105g的敏感芯片满量程输出约为21.42 m V,固有频率约1.025 MHz,交叉耦合约4.24%,过载可达6.5倍量程以上。

微陀螺仪敏感芯片的选择性电铸技术研究

介绍了一种新的MEMS器件敏感芯片的制备技术———选择性电铸技术。以金为检测电极、铜为牺牲层、正胶作为电铸胎膜,在牺牲层上经过数次电铸形成MEMS器件敏感芯片的各组成部分,腐蚀掉牺牲层后便得到了所需的敏感芯片。以微机械陀螺仪敏感芯片的制备为例,介绍了选择性电铸技术的工艺流程,进行了工艺流片,所制备的微机械陀螺仪敏感芯片结构完整、侧壁陡直、表面平整。该技术在电容式微加速度计及微机械陀螺仪等多种MEMS器件敏感芯片的制作中有广泛的应用前景。

联动薄膜电容式压力敏感芯片研制

文中对联动薄膜电容式压力敏感结构进行研究,结构中的上极板和下极板均感压可动,随着压力载荷的增加,上下极板绝缘接触后,通过下极板对上极板形变状态的调节作用,有效增加了线性响应范围,提高了线性度。同时,结构中采用带有残余压应力的感压上极板来代替无应力的感压上极板,通过仿真计算表明,相较于无应力的感压上极板,当感压上极板中存在残余压应力时,输出电容具有更好的线性响应。通过采用SOI材料的单晶硅薄膜结合硅-硅直接键合技术试制了量程为0~80 kPa压力敏感芯片,并给出了工艺流程。测试结果表明,在20~64 kPa压力范围下,所试制压力敏感芯片的灵敏度为0.057 pF/kPa,非线性度为3.1%。

“叉指”式静电伺服微加速度计敏感芯片的设计

“叉指”式静电伺服微加速度计具有零频率响应、精度高、可批量加工等优点，成为中高精度加速度计的主要研究对象。利用MEMS技术加工这种加速度计敏感芯片的各组件是波形加工的，无需装配，这个一次加工成型的芯片应同时满足微加速度计的多项性能指标，故设计时需兼顾多个参数。

高稳定MEMS硅压力敏感芯片关键技术研究

在单晶硅晶圆的基础上,设计了压力敏感芯片结构,并基于MEMS工艺制作了压力敏感芯片.根据芯片实际已经有要求,提出了提高芯片稳定性的制备过程的关键工艺其影响因素.测量结果表明,所制备高稳定MEMS硅压力敏感芯片线性度优于0.1%,重复性0.05%,迟滞性为0.05%,满足工业压力变送器的高精度测量要求,在实际工程应用中应用效果良好.

SOI压力芯片敏感电阻条刻蚀研究

针对微机电系统(MEMS)绝缘体上硅(SOI)压力敏感芯片电阻条刻蚀过程中易损伤的问题,对敏感电阻条的刻蚀工艺进行优化设计,通过调整平板功率、气体流量比例等参数,最终找出最优的工艺参数,减少等离子体对敏感电阻条的侧向损伤,从而提高SOI压力敏感芯片的稳定性。

某导航终端芯片传导敏感度测试研究

对某导航终端导航芯片进行了传导敏感度测试研究。通过电流注入探头把连续波干扰信号耦合到电源端口,然后观测信号输出管脚的时域信号及导航分析软件的分析结果来判定导航芯片是否敏感。通过对电流注入探头进行S参数校准分析精确得出注入到电源端口的干扰信号幅值。通过该测试方法得到芯片电源端口10 k Hz^400 MHz的敏感度曲线。通过研究发现敏感度曲线与电源端口和信号输出端口的插入损耗趋势一致,验证了测试结果与校准方法的正确性。该测试的扩展不确定度小于CISPR规定值,该测试方法可为导航芯片级传导敏感度测试中出现的敏感现象提供判定依据。

压敏电阻的热应力分析及结构优化

为解决SOI压阻式压力传感器敏感芯片上电阻条因热应力堆积导致的断裂问题,通过在电阻条上容易堆积应力的弯折处建立平滑倒角的方式来降低热应力堆积,提高电阻条的热稳定性。利用多物理场耦合分析软件对有无倒角的2种结构进行仿真分析,仿真结果表明:在常压450℃条件下,倒角的存在使得电阻条弯折处的应力比无倒角的结构降低了50%。在300℃测试环境下无倒角电阻发生断裂,而有倒角电阻在300℃测试以及之后的温度测试中结构完好,电压输出正常,表明倒角的设计有助于提高敏感芯片的耐温性,从而提高传感器的热稳定性。

一种高温SOI硅压阻压力芯片的设计与仿真

本文设计了一种基于微机电系统(MEMS)技术的硅压阻式绝缘体上硅(SOI)高温压力传感器芯片。从可动膜片结构设计、关键尺寸计算以及有限元分析等方面考虑,对压力芯片可动膜片进行了结构优化;从压敏电阻条的注入位置、几何形状、器件噪声分析和计算等方面设计,最终确定可动膜片的边长为1000μm,膜厚为40μm,压敏电阻条的长度为160μm,宽度为5μm,R1和R3设计成"一"字形,R2和R4设计成"M"形。

一种小型高通量SPR生物传感检测装置的研制

针对一种角度扫描型SPR生物传感检测装置的小型化、高通量研究,包括系统的硬、软件研制及实验测试。在现有SPR传感研究基础上,提出了实现仪器小型化的设计方案,可以在仪器体积明显减小的情况下,保持检测精度基本不变。同时,利用入射光分束,靶标阵列,以及相应的阵列图像采集、处理及分析方法,实现了多样品的同时检测分析。针对新的系统设计,利用计算仿真确定了相应的实验参数。在新建立的SPR检测装置上完成了不同金膜厚度及芯片表面修饰后的共振曲线检测,并实现了C反应蛋白的检测分析。结果表明,该系统能够有效地分析表面介质特性改变所引起的共振角度变化,同时,设备的小型化和高通量基本实现。

一种交叉梁硅微加速度开关的设计

针对一种新型交叉梁硅微加速度开关的设计技术进行了研究,首先推导了结构的静态刚度,确定了一种敏感芯片结构尺寸,在此基础上利用有限元方法仿真计算不同方向加速度作用下的结构变形情况。从结构特点和加工方法出发,分析了可能影响精度的几种加工误差,并给%时,梁厚的误差要求。其分析计算结果可指导该种类型加速度开关的设计和加工。