中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
微機電系統（MEMS）器件具有小型化、低成本、可批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，在消費電子、汽車(chē)電子、航空航天、醫療器械和工業(yè)控制等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應用，使得其在現代社會(huì )中發(fā)揮著(zhù)重要作用。隨著(zhù)科技的進(jìn)步，各領(lǐng)域對MEMS器件性能的要求越來(lái)越嚴格。因此，MEMS相關(guān)研究的主要目標是開(kāi)發(fā)出性能更好的器件。
近日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng )新研究院傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室聯(lián)合中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院的研究人員提出了一種新型的基于仿真的MEMS結構進(jìn)化方法，用于設計具有最大自由度（DOF）的非參數化MEMS結構。這種新型設計方法通過(guò)權衡MEMS結構每個(gè)部分的屬性來(lái)實(shí)現半自動(dòng)結構進(jìn)化，并在多次迭代后得到最優(yōu)結果。該方法被用于優(yōu)化壓阻式壓力傳感器（PPS）的壓敏膜片。有限元法（FEM）仿真表明，與沒(méi)有島嶼或正方形島嶼的傳統膜片相比，優(yōu)化后的膜片將外界壓力產(chǎn)生的應力提高了10%至16%，非線(xiàn)性降低了57%至77%，這些改進(jìn)證明了該方法的有效性。
優(yōu)化目標
壓阻式壓力傳感器是一種利用硅的壓阻特性，通過(guò)產(chǎn)生與輸入壓力成正比的輸出電壓來(lái)測量外部壓力的傳感器。壓阻式壓力傳感器的兩個(gè)最重要的特性是它的靈敏度和輸出電壓的非線(xiàn)性，這兩個(gè)特性決定了其抗干擾性能和壓力測量精度。在所有傳感器配置中，壓敏膜片通過(guò)其撓度將外部壓力轉換為可測量的應力，對這兩個(gè)特性的影響最大，其中恒定壓力下（所有其它參數保持恒定）膜片表面上的應力越大，傳感器的靈敏度越好。同樣，較小的膜片撓度也會(huì )降低傳感器的非線(xiàn)性性能。因此，對于壓阻式壓力傳感器來(lái)說(shuō)，設計壓敏膜片是非常重要的。
最簡(jiǎn)單的膜片設計具備平面結構，但表面應力和最大撓度在很大程度上是相互制約的。要想優(yōu)化表面應力，只能減小膜片的厚度，這將使撓度顯著(zhù)增加。為了克服該限制，研究人員開(kāi)發(fā)了一種具有背部島嶼結構的特殊膜片。具有特定形狀的背部島嶼可以降低撓度，同時(shí)集中并增加膜片表面的應力。因此，開(kāi)發(fā)具有最小撓度和最大表面應力的結構，即尋找在相同撓度下應力最大的理想背部島嶼結構，是膜片設計的目標。
優(yōu)化方法
如圖1a所示，使用本項研究工作的進(jìn)化方法優(yōu)化MEMS結構的通用工藝流程包括三個(gè)步驟：建立機械模型、計算?PI（性能指數）矩陣和基于?PI矩陣的結構進(jìn)化。中間需進(jìn)行判斷。如果?PI矩陣滿(mǎn)足要求，則終止優(yōu)化過(guò)程。否則，繼續進(jìn)化方法，并修改機械模型以進(jìn)行下一次迭代。
圖1 優(yōu)化方法
圖1b顯示了島嶼膜片的壓阻式壓力傳感器的機械模型示意圖，其芯片尺寸為3000μm x 3000μm x 300μm，壓敏膜片被分隔成一個(gè)尺寸為1000μm x 1000μm x 30μm的平面部分和一個(gè)高度為270μm的島嶼部分，其結構不確定。壓阻區域位于膜片背部邊緣的中央。
研究人員采用COMSOL Multiphysics 5.6（一款多物理場(chǎng)仿真軟件）對后續優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行有限元法仿真。為了對稱(chēng)和簡(jiǎn)化，只有四分之一是在仿真模型中建立的。優(yōu)化過(guò)程從隨機選擇一個(gè)矩陣開(kāi)始，并將其計算性能指標記作PIinitial，如圖1c所示。圖1d中的最終結構是逐步優(yōu)化方案的結果，該方案最大限度地利用了原始ΔPI矩陣。為了進(jìn)一步優(yōu)化，研究人員根據逐步優(yōu)化方案修改了機械模型，并按照圖1a進(jìn)行了新的仿真。
優(yōu)化過(guò)程
研究人員使用進(jìn)化方法對三種不同的初始島嶼膜片結構進(jìn)行了優(yōu)化，并給出了變化過(guò)程的圖形示例（圖2a）。研究人員對無(wú)島嶼膜片和方形島嶼膜片進(jìn)行了六次優(yōu)化，對跨島嶼膜片進(jìn)行了四次優(yōu)化。不同的初始結構導致了相同的優(yōu)化結果，表明進(jìn)化方法對初始條件不敏感，且有很高的概率達到全面最優(yōu)。圖2b顯示了三種島嶼膜片結構在進(jìn)化過(guò)程中的最大應力和撓度。
圖2 優(yōu)化過(guò)程
圖2c顯示了三種島嶼膜片結構在進(jìn)化過(guò)程中的PI值，在整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中逐漸增加。最終結構的PI值為246，這意味著(zhù)最優(yōu)結構的最大應力比相同撓度下的平面膜片高了246%。
優(yōu)化結果
圖3a顯示了最優(yōu)島嶼膜片的橫向到縱向應力差的有限元法仿真，與優(yōu)化結果相比，研究人員為了便于制造，已對其進(jìn)行了詳細修改。圖3b顯示了最優(yōu)島嶼膜片的撓度有限元法仿真。
圖3 優(yōu)化結果
圖4顯示了三種不同的島嶼膜片結構：最優(yōu)島嶼膜片、方形島嶼膜片和無(wú)島嶼膜片。研究人員為便于比較其非線(xiàn)性，調整了三種膜片平面部分的厚度以確保它們的表面應力相似。如圖所示，對于指定尺寸，最優(yōu)島嶼膜片上的應力比方形島嶼膜片上的應力大10%，比無(wú)島嶼膜片上的應力大16%。然而，最優(yōu)島嶼膜片的應力非線(xiàn)性最小，為方形島嶼膜片非線(xiàn)性應力的43%，無(wú)島嶼膜片非線(xiàn)性應力的23%。顯然，該最優(yōu)島嶼膜片在增加應力和降低非線(xiàn)性方面具有顯著(zhù)效果。
圖4 三種不同島嶼膜片結構的對比
制造與特征化
接下來(lái)，研究人員使用標準MEMS程序制造具有最優(yōu)島嶼膜片的壓阻式壓力傳感器。圖5a顯示了制造工藝。
圖5 具有最佳島嶼膜片的壓阻式壓力傳感器的制作
綜上所述，本文提出了一種用于MEMS結構設計的新型半自動(dòng)進(jìn)化方法。優(yōu)化過(guò)程包括三個(gè)步驟：建立機械模型，將待優(yōu)化組件劃分為多個(gè)等尺寸的單元元素；評估每個(gè)元素的屬性，生成一個(gè)載有每個(gè)元素特性的矩陣；并以此矩陣作為指導，優(yōu)化結構直到達到其最大性能。在不需要輸入參數值和先驗知識的情況下，研究人員將進(jìn)化方法應用于優(yōu)化壓阻式壓力傳感器壓敏膜片的結構。三種不同的初始結構均得到最優(yōu)結構表明，該方法對初始條件不敏感，從而成功地避免優(yōu)化求解器收斂到局部最大值。最終結構的仿真和制造設備的實(shí)驗結果表明，通過(guò)該方法獲得的最優(yōu)結構可以增大膜片上的應力并顯著(zhù)降低其非線(xiàn)性。這些有利的性能改進(jìn)證明了研究人員提出的進(jìn)化設計方法的價(jià)值。
