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多晶硅薄膜热膨胀系数在线测试结构的设计与模拟

作者：张宇星 Publish: 2007-6-11 Hits:-

【中文题名】

多晶硅薄膜热膨胀系数在线测试结构的设计与模拟

【英文题名】

Design and Simulation of the Structure for On-Line Determination of Thermal Expansion Coefficient of Polysilicon Thin Films

【学科专业】

微电子与固体电子学

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2007-6-11

【中关键词】

MEMS薄膜,热膨胀系数,在线检测,表面工艺,,

【英关键词】

MEMS thin films,thermal expansion coefficient,on-line test,micro-machined process,

【分类导航】

工业技术>无线电电子学、电信技术>半导体技术>一般性问题>半导体二极管>二极管：按作用分

【论文摘要】

MEMS器件的尺寸一般在几微米到几百微米之间。如此小的尺寸使得器件的材料特性会随着加工工艺的不同而有很大的不同。如果需要及时了解该尺寸条件下材料的参数,必须研究专门适用于MEMS薄膜材料参数测试的检测结构。本文就MEMS薄膜材料热膨胀系数的在线检测结构做了具体的研究和分析。 MEMS薄膜热膨胀系数在线检测结构设计的关键在于:1.测试结构的工艺必须与待测薄膜材料的加工工艺相兼容。2.测试结构必须提供与后端数据处理模块相兼容的数据输出接口。3.测试结构在满足一定测试精度的前提下应尽量简单、尽量占用较少面积。4.结构对测试环境和测试仪器的要求不应太高。虽然,现已存在多种基于MEMS技术的薄膜热膨胀系数测试结构,但没有一种结构能够完全满足以上要求,因此都不能用于在线检测。本论文利用已有单弯梁结构与级联弯梁结构设计出两种能够满足以上所有要求的多晶硅薄膜热膨胀系数在线检测结构,并给出了两种结构的热-电-机械耦合解析模型。其中级联弯梁结构的热-电-机械模型是首次被提出,它也适用于级联弯梁热执行器的性能计算。因而模型无论对于级联弯梁测试结构还是级联弯梁热执行器的设计和分析都有着较高的参考价值。此外,本文还根...

【论文题纲】

摘要	4-5
Abstract	5-9
第一章绪言	9-11
1.1 MEMS 的概念	9
1.2 MEMS 研究应用分类	9-10
1.3 本课题研究的意义及论文纲要	10-11
第二章微机械薄膜热膨胀系数测试结构的进展	11-25
2.1 薄膜热膨胀理论基础	11-12
2.2 薄膜热膨胀系数测试结构	12-21
2.2.1 双层薄膜梁结构	12-14
2.2.2 薄膜翘曲结构	14-15
2.2.3 T 形结构	15-17
2.2.4 不等宽梁结构（Guckel 热执行器式结构）	17-20
2.2.5 基于弯梁的差分电容式结构	20-21
2.3 结构性能指标比较	21
2.4 游标尺读数系统简介	21-24
2.5 本章小结	24-25
第三章在线检测结构及其模型的建立	25-42
3.1 薄膜热膨胀系数在线检测结构的工作原理	25-27
3.1.1 单弯梁结构的工作原理	25-27
3.1.2 级联弯梁结构的工作原理	27
3.2 结构建模基础	27-33
3.2.1 结构建模方法	27
3.2.2 传热学基础	27-31
3.2.2.1 传热学的研究对象和基本概念	27-28
3.2.2.2 热量传递的三种基本方式	28-31
3.2.3 结构力学基础[15]	31-33
3.2.3.1 结构力学的研究对象和基本概念	31
3.2.3.2 结构力学超静定力系求解方法	31-33
3.3 结构理论模型	33-39
3.3.1 热学模型	33-37
3.3.1.1 单弯梁结构的热学模型	34-35
3.3.1.2 级联弯梁结构的热学模型	35-37
3.3.2 力学模型	37-39
3.3.2.1 单弯梁测试结构的力学模型	37-38
3.3.2.2 级联弯梁测试结构的力学模型	38-39
3.4 参数提取	39-41
3.4.1 η、ρ0、ξ的提取	39-40
3.4.2 单弯梁结构热膨胀系数α的提取	40
3.4.3 级联弯梁结构热膨胀系数α的提取	40-41
3.5 本章小节	41-42
第四章在线检测结构性能分析及参数优化	42-61
4.1 有限元模拟法	42-44
4.1.1 有限元单元法	42
4.1.2 ANSYS~(TM) 软件	42-43
4.1.3 ANSYS 单元选取	43
4.1.4 ANSYS 单位制	43-44
4.2 解析公式验证	44-48
4.2.1 ANSYS 模拟验证	44-47
4.2.1.1 单弯梁结构ANSYS 模拟验证	45-46
4.2.1.2 级联弯梁结构ANSYS 模拟验证	46-47
4.2.2 实验数据验证	47-48
4.3 性能分析与参数优化	48-56
4.3.1 单弯梁结构性能分析	48-51
4.3.1.1 角度（θ）的影响	48-50
4.3.1.2 梁长（L）的影响	50
4.3.1.3 梁宽度（w）、厚度（h）的影响	50-51
4.3.2 级联弯梁结构性能分析	51-56
4.3.2.1 角度（θ）的影响	51-52
4.3.2.2 角度（γ）的影响	52-53
4.3.2.3 角度（? ）的影响	53-54
4.3.2.4 副弯梁单元梁长（L_1）的影响	54-55
4.3.2.5 主弯梁单元梁长（L_2）的影响	55
4.3.2.6 梁宽度（w）和厚度（h）的影响	55-56
4.4 单弯梁结构与级联弯梁结构性能比较	56-59
4.4.1 梁顶端位移	56-57
4.4.2 加热效率	57-58
4.4.3 相对误差	58
4.4.4 系统响应速度	58
4.4.5 等效弹性系数	58-59
4.5 误差分析	59-60
4.5.1 误差源	59-60
4.5.2 相对误差计算公式	60
4.6 本章小节	60-61
第五章工艺过程与版图设计	61-66
5.1 工艺选择	61
5.2 测试结构工艺流程	61-64
5.3 版图设计	64-65
5.4 本章小节	65-66
第六章结束语	66-68
6.1 总结	66-67
6.2 对后续工作的建议	67-68
参考文献	68-72
图表索引	72-75
附录A MKS 单位制与uMKSV 单位的转换表	75-76
附录B 单弯梁结构梁顶端位移MATLAB 计算程序	76-77
附录C 级联弯梁结构梁顶端位移MATLAB 计算程序	77-83
硕士期间发表论文目录	83-84
致谢	84

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.344526



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