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分类号________________密级________________UDC__________________编号________________中国科学院研究生院硕士学位论文一种新型微流量计的设计、制备及力学分析钱劲指导教师：赵亚溥研究员中国科学院力学研究所张大成教授北京大学微电子学系申请学位级别硕士学科专业名称固体力学论文提交日期2003/06/18论文答辩日期2003/07/13培养单位中国科学院力学研究所学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席______________Design,FabricationandMechanicalAnalysisofaNovelMicroflowmeterDissertationsubmittedtoChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterofScienceByJinQianSupervisor:ProfessorYa-PuZhao(CAS)Co-supervisor:ProfessorDa-ChengZhang(PekingUniv.)指导教师签名____________________________赵亚溥研究员中国科学院力学研究所____________________________张大成教授北京大学微电子学系论文答辩委员会主席：余寿文教授清华大学工程力学系委员：郑哲敏院士中国科学院力学研究所方竞教授北京大学力学与工程科学系苏先樾教授北京大学力学与工程科学系夏蒙棼教授北京大学物理系郝一龙副教授北京大学微电子学系朱如曾研究员中国科学院力学研究所魏悦广研究员中国科学院力学研究所目录目录目录ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּi摘要ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּiiiAbstractּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּv第一章绪论ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ11.1引言ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ11.2微型流量计的研究概况ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ31.3本文的主要工作ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ10第二章微流量计的设计、制备和测试ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ122.1压阻式微流量计的工作原理ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ122.2压阻式微流量计的设计ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ152.3制备压阻的体硅工艺及流程ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ172.4工艺版图及功能说明ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ192.5微流量计的初步封装和测试ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ212.6本章小结ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ23第三章微拉曼光谱仪在微结构应力测量中的应用ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ273.1拉曼散射－理论和仪器ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ273.2试样的准备ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ293.3拉曼谱线与应力的关系ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ313.4实验过程及结果ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ343.5本章小结ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ39i目录第四章微传感器及微致动器的材料筛选ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ404.1材料筛选的原则：效能因子(PerformanceIndex)ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ404.2微传感器典型结构的效能因子ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ414.3微致动器典型结构的效能因子ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ444.4MEMS材料性质数据库ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ514.5本章小结ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ54第五章微电子机械系统中的残余应力ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ555.1残余应力的起源ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ555.2残余应力的测量方法ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ565.3薄膜残余应力的测量和控制ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ605.4残余应力对微结构力学行为的影响ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ675.5ּ应用TFD模型计算一级近似的残余应力梯度ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ735.6本章小结ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ78第六章全文总结及展望ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ79附录A单晶硅材料弹性常数的计算ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ82附录BStoney公式的推导及修正ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ84参考文献ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ89攻读硕士学位期间发表的论文ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ96致谢ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ97ii摘要摘要本文结合微电子机械系统(MEMS)中比较典型的一种微传感器——微流量计的研究，分析了MEMS设计中几个普遍存在的问题，全文主要包括四部分的内容：第一部分，与北京大学微电子学系合作，研究了压阻式微流量计的结构形式与流道设计，进行了性能测试。压阻的位置选择在悬臂结构的根部，这里可以得到最大的应力响应，压阻的制备通过对硅片进行硼掺杂完成，每个压阻的阻值约为3.5千欧。每一传感器的四个压阻构造成惠斯通电桥，这样流体对传感器的作用就通过压阻产生电压输出。输出电压随流量的增大而增大，二者之间的函数关系通过将测试结果进行多项式拟合得到。初步测试结果表明，微流量计能够在预期分辨率下对0-10L/min(升每分钟)的气体流量范围进行测量。该流量计由体硅微加工技术制造，整个工艺过程共需要7块掩膜版。第二部分，应用微拉曼光谱仪(Micro-RamanSpectroscopy)对一种微流量计结构进行局部应力测量。根据结构的载荷状况和边界条件，假设结构压阻区内为单轴应力分布，并由此求得应力与拉曼谱线移动之间的关系。同时，应用有限元软件(ABAQUSv6.2)对结构进行了有限元分析，模拟得到的应力分布与实验值接近。这表明微拉曼光谱技术是一种精确的、无损的应力测量方法，它的空间分辨率可以达到1微米左右，所以非常适合进行微小结构局部应力的测量。第三部分，分析了微传感器和微致动器的材料筛选问题，这也是MEMS设计中普遍存在的问题之一。当前，大多数MEMS器件都选择硅作为主要材料，其主要原因是：MEMS技术最早是脱胎于集成电路工业的。但是，工艺技术的发展使得MEMS的选材范围越来越大。这部分内容应用效能因子(PerformanceIndex)的概念，针对多种典型MEMS结构提出了基于力学原理的选材原则。这些效能因子的归纳，可以使MEMS设计者在设计早期方便迅速地进行材料筛选。第四部分，残余应力和它在厚度方向的梯度分布是薄膜最为重要的性质之一。这部分内容先概述了薄膜残余应力的起源、计算、测量方法以及对微结构的不利影响。然后，针对表面牺牲层工艺中出现的结构释放后在厚度方向产生弯曲的实验现iii摘要象，应用改进的Thomas-Fermi-Dirac(TFD)理论求得