批量微机加工的仿真、制造和测试6H-SiC高g值压阻加速度计外文翻译资料

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传感器和执行器A104（2003）11-18

批量微机加工的仿真、制造和测试6H-SiC高g值压阻加速度计

Andrew R. Atwella,*, Robert s. 0kojiea, Kevin T. Kornegayb, scott L. Robersonc, Alain Beliveaud

a Instrumentation Controls Division, NASA.Glenn Research Center, Cleveland, OH 44135, USA bSchool of Electrical and Computer Engineering, Cornell University, Ithaca, NY14853, USA

cAir Force Research Laboratory (AFRL）, Munitions Directorate, AFRL/MNMF, Fuzes Branch, Eglin AFB, FL 32542, USA dApplied Research Associates, 2004 Lewis Turner Blvd., Union station suite C, Fort Walton Beach, FL 32547, USA

Received 21 June 2002: received in revised form 8 November 2002: accepted 13 November 2002

摘要

我们报告了利用关键的设计参数来模拟，批量制造和评估初代单晶6h-sic压阻加速度计的极端冲击应用。高g模拟结果预测安全运行超过100000xg，并成功进行40000xg进行初步实验试验。不同加速度计传感元件的灵敏度在50~343nV/g之间。相对于商业基准加速度计，在激波范围内观察到非线性行为。这些初步结果为使用6H-siC加速度计进行极端冲击传感提供了希望。

◎2002年爱思唯尔科学B。V.保留所有权利。

关键词：碳化硅MEMS加速计冲击测试压电阻率

l.介绍

由于需要在极端冲击（3100,000xg）、高电磁(EM)场（一些轨道炮为318T）和高温（3500.C）环境下改进系统性能，因此对更坚固的传感器和仪器提出了强烈的需求。基于硅技术的商用加速度计已被证明可以存活近100,000xg[1,21，但其材料性能可能会抑制在高温(3350.c)应用下的可靠运行，除非采用更复杂和昂贵的包装方案[31]。此外，这些加速度计必须在电磁毡中存活下来

用于军事和空间应用的全电动汽车技术。为了满足这些需求，本文介绍了美国国家航空航天局(NASA)格伦研究中心、美国空军研究实验室(AFRL)弹药部门合作努力的第一次加速度计冲击测试结果

* Corresponding author. Present address: Institute for Defense Analyses, 0ED, 4850 Mark Center Drive, Alexandria, VA 22311, USA.

Tel.: 1-703-845-2117: fax: 1-703-845-2274.

E.mail address: aatwell@ida.org (A.R. Atwell).

托拉特大学和康奈尔大学。这项合作已经启动了旨在建立关键的启用技术基础设施（建模、制造和验证）的工作，用于实现专门为极端环境设计的SIC加速度计。选择碳化硅比硅在很大程度上是因为它在更高的温度(3300.C)下具有优越的热机械性能。虽然与约90的硅相比[5]，它的规范因子为30[4]，但SIC补偿了更高的杨氏模量约为448GPa[6]，而（1 0 0）取向硅的129.5GPa[7]。当加热到500.C以上时，硅硅不会发生与类似设计的硅膜片相关的热诱导塑性变形[8]。SIC的升华温度约为2830°C，而硅的熔化温度为1412°C。除了优越的热力学性能外，单晶硅还具有2的宽带隙。立方3c-sic多型的39ev到3。6H-SIC六边形多型为023eV，4H-SIC六边形多型为高达 3.263eV[9]，而单晶硅为1.12eV。因此，即使在600℃时，导致通过pn结的反向泄漏电流增加的载流子的热产生也非常小。

0924-4247/02/s - see front matter ◎ 2002 Elsevier science B.V. All rights reserved.

PII: s 0924-424 7(02)00436-3

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. 2.加速度计说明

在最初的工作中，我们在一个设计矩阵中选择了四种不同的和独特的几何混淆，并使用ANSYS进行了广泛的微机械有限元分析(FEA)[10]，包括静态、模态和瞬态分析，然后是传感器制造和评估。在包装方面，传感器被环氧化成陶瓷双内针封装，并在传感器和包装之间应用铝线键。在积极的测试环境中使用的这种未优化的包装方案预计会导致有限元预测和物理结果之间的显著偏差。然而，这项最初研究的兴趣是验证设备的生存能力和最坏情况下的测量偏差，从选定的商业现成的基准加速度计。这个在这个初始阶段研究的四种设计由图中所示的四分之一对称几何来描述。1a-dPRE550是一个简单的圆形膜，半径为550mu;m;Ps02.500是一个凸形圆形膜，凸边缘到内周边缘距离为750mu;m，凸半径为250mu;m。PREB0S400是一个正方形胸部的矩形隔膜，具有400mu;mx400mu;mboss。凸起边缘与内周边缘之间沿y轴上的距离为220mu;m，而在x方向上的距离为450mu;m。ACLB0S400具有与PREB0S400相同的尺寸，除了在每个象限中穿过隔膜的矩形槽(320mu;mx250mu;m)以减少阻尼

. . 图10分析和测试了四种6H-SiC器件配置的尿酸对称模型。隔膜厚度为60mu;m，晶片/凸台厚度为400mu;m。(a)PRE550：圆形隔膜：(b)PS02.500：圆柱形圆形隔膜，隔膜半径：1000mu;m：(c)PREB0S400：方形矩形隔膜：(d)ACLB0S400：开槽方形矩形隔膜，槽尺寸：320mu;mx250mu;m。

图2.ACLB0s400的(a)SEM图像描绘了放置在窄梁上的四个纵向压电阻器，凸起位置和四个阻尼槽：(b)A-AA截面描绘了窄梁上内部电阻和外部电阻的相对位置。

并提高了设备的灵敏度。所有情况下的隔膜厚度约为60mu;m，晶片（和凸起）厚度约为400mu;m。

制作的6H-SiC加速度计芯片尺寸范围从4到6.25mm2在区域，与小麦石桥合并应变感应台面。压阻式台面是从一个（0 0 0 1）取向的n型(掺杂水平为3.8x1018cm-3)在高电阻率p型6h-SiC基板(7Omega;cm)上通过化学气相沉积生长的6H-SiC脱毛层。图2a显示了一个具有代表性的ACLB0S400融合的扫描电子显微镜图像，图中显示了器件的横截面。. 2b来描述压电电阻器的相对位置。四个压电阻器纵向放置在窄梁上，每个窄梁位于外围刚性结构的内边缘和中心惯性证明质量(boss)的相对边缘。正面和背面都是通过深反应离子蚀刻工艺制备的。设备制造的细节记录在[11,12]中。携带压电阻器的两束窄束将应变传递给压电阻器，从而影响惠特石桥输出电压的变化。较宽的梁可以在设计期间进行修改，以设置转移到狭窄的压电阻载梁的应变。两个内部压电阻器被放置在中心凸起的顶部，它们在两侧突出凸起的边缘。如中所示，狭窄结构梁上的外压电阻器的部分也突出于固体截面的内外围边缘

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图2b.当施加外部刺激时，这些外部压阻的应力分量大小相等，但与内部压阻的应力分量符号相反。

加速度计的设计考虑了关键的设计参数，这是开发强大的模拟传感器以生存极端环境。考虑的关键设计参数是安全工作应力(S0S)，它考虑了惯性质量、隔膜厚度和半径，以及加速度计设计的阻尼特性。在本研究中，最大s0s设置为SIC断裂强度的50%(450MPa)的50%[13]。

3.理论分析

第一个装置，被称为PRE550，是一个简单的圆形隔膜式压力传感器。它是一个夹紧的圆形膜片，在表面施加均匀的压力。该系统的力学行为在[14]中描述，其中膜片的变形方程表示为

其中△z为膜中心的误差(m)，r为膜半径(m)，P为均匀施加压力(Pa)，D为抗弯强度(Nm)，E为杨氏模量(Pa)，t为膜厚度(m)，gamma;为泊松比。

隔膜边缘和中心的应力大小相等，符号相反。最大应力大小为[14]

3 Pr2

4 t2

(2)

sigma;max=

被夹紧的圆形隔膜在其自身重量下的固有振动频率来自[15]，表示为

f =′(3)

其中，rho;为材料的密度(kg/m3)。

4.有限元分析

通过模拟，提取了代表每个设计合并的结构的行为参数。有限元分析可以用来分析结构质量的分布性质，而不是从理论上得到的集总质量近似。设备几何要么从布局工具导入[16]，要么直接在模拟工具中生成，其中实体几何被切割成四分之一，除了一个四分之一如图1所示被删除。

这大大减少了分析时间。选择建立实体几何网格的有限元元素为S0LID187[10]，这是一个高阶3D，10节点四面体元素，具有二次位移行为，每个节点有3个自由度：节点x、y和z方向的平移。应用边界条件，使背面（不包括凸台）的所有三个自由度，以防止刚体运动。然后将对称边界条件应用于暴露的四分之一对称面。

压电阻器纵向(SX)和横向(SY)方向的应力和vonMises等效应力（SEQV）如图所示。应用静态加速度为100,000xg时为3a-d。图中的横坐标。3a-d表示压电电阻器所在的路径，是每个器件从中心到外边缘的纵向距离(沿图2中的A-AA线)。图中PRE550的应力轮廓。3a遵循通常的轮廓，一个简单的圆形隔膜夹在其外边缘。纵向应力(SX)在中心是拉伸的，在外边缘变得压缩，在两个位置，在大小上大致相等，但符号相反，如[14]中讨论的。放置在这些位置的电阻器将具有最高的灵敏度。在中心位置，纵向和横向应力（或径向应力和切向应力）相等，这里的压阻器将经历一个大的切向泊松应变，这给测量输出增加了强烈的负压阻。在图3b中 (Ps02.500)，它有一个圆柱形凸台，在压缩和拉伸区域的最大应力大小不相等。这意味着内外压电阻之间的灵敏度不相等。然而，横向应力分量降低，从而最小限度地减少耐压寄生。在图3c中(PREB0S400)，这两个区域的纵向应力在符号上也相反，在大小上不相等。在这种情况下，凸起边缘的横向应力相对小于同一截面对应的纵向应力，但压电电阻也会经历不均匀的灵敏度。图中的应力轮廓。图3d中(ACLB0S400)与PREB0S400相似。与PREB0S400一样，拉伸和压缩区域的应力大小不相等。

表1

四种加速度计配置在100,000xg时的数值比较