一種增大質量塊的三軸MEMS加速度計的設計

　　馮 堃，張國俊，王姝婭，戴麗萍，鍾志親（電子科技大學 電子科學與工程學院，成都611731）

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202004/412567.htm

　　摘 要：介紹了一種增大質量塊設計的三軸MEMS加速度計。該加速度計基於絕緣體上矽（SOI）矽片，採用雙面光刻、幹法刻蝕的工藝，利用了部分SOI矽片的底層矽部分來增大加速度計的質量塊，設計了基於單一米字形質量塊的三軸MEMS電容式微加速度計。根據不同的外界加速度對器件產生的不同位移，研究了在三個軸向的加速度計的靈敏度，同時分析了加速度計的交叉軸耦合的影響。最後結合Ansys仿真結果得出：所設計的微加速度計具有較高的靈敏度、抗幹擾能力強、噪聲較小的優點，在慣性傳感領域有一定的應用前景。

　　關鍵詞：微機械系統；三微加速度計；高靈敏度；絕緣體上矽

　　0 引言

　　SOI(silicon-on insulator，絕緣體上矽)晶片以其優越的單晶材料特性、易於實現大厚度器件、易於實現高深寬比的製造、良好的機械穩定性、殘餘應力小以及後續製造工藝簡單的優點逐漸在慣性傳感器領域得到廣泛應用 ^[1～5] 。採用SOI晶片的MEMS加速度計很容易實現大的慣性質量塊和低布朗噪聲。因此，基於SOI的微加速度計是將來慣性傳感技術的重要發展方向。H.Hamaguchi等人採用了不等高梳齒電極電容設計製作了Z軸加速度計，並以此為基礎實現了三軸線加速度計的設計與製造 ^[2,3] 。Chia-Pao Hsu等人採用間隙閉合差分電容電極設計在SOI上實現了Z軸加速度計，並採用此技術製成了基於單質量塊的三軸加速度計 ^[6,7] 。

　　本文研究的三軸微加速度計採用中心對稱米字形結構設計，實現了只使用一個敏感質量塊來檢測三個方向的加速度，同時避免了交叉軸幹擾。同時，由於基於SOI矽片製作，利用了SOI矽片的底層矽，得到了更大的質量塊，提高了靈敏度。

　　1 加速度計結構與原理

　　1.1 加速度計結構

　　圖1為所設計的三軸微加速度計的俯視圖。本文中設計的微加速度計為中心對稱結構，採用米字形質量塊設計，錨點電極採用摺疊梁與質量塊連接。由於採用了SOI矽片，可以實現在加工工藝上保留了部分SOI矽片的底層矽部分，增大了加速度計敏感質量塊的質量，從而可以提高微加速度計的靈敏度。在米字形質量塊上包含了八組梳齒結構，與其對應的電容為C _x1 ，C _x2 ，C _y1 ，C _y2 ，C _z1 ，C _z2 ，C _z3 和C _z4 。

　　四組電容（C _x1 ，C _x2 ，C _y1 和C _y2 ）結構相同，採用等高梳齒設計，如圖2，可以用來測量平面方向上，即X、Y軸的加速度。其中，C _x1 與C _x2 是用來測量X軸加速度的差分電容，C _y1 與C _y2 是用來測量Y軸加速度的差分電容。通過使可移動梳齒與固定梳齒之間的間距不同，即d ₁ ≠d ₂ ，實現了變間距的差分電容的設計，從而提高了可測量電容的靈敏度。

　　另外四組電容（C _z1 ，C _z2 ，C _z3 和C _z4 ）採用不等高梳齒設計，如圖3，可以用來測量Z軸方向上的加速度。其中，C _z1 和C _z2 方向的可動梳齒高度為固定梳齒高度的一半，兩種梳齒的下邊緣為同一高度；C _z3 和C _z4 方向的固定梳齒高度為可動梳齒高度的一半，兩種梳齒的上邊緣為同一高度，實現了變面積的差分電容設計，從而提高了可測量電容的靈敏度。同時，Z軸方向上的可動梳齒與固定梳齒之間的間距相等，均為d ₀ ，從而可以起到在電容器上施加調製電壓時減少零極點漂移的作用。

　　在加速度計的實現工藝上，分別通過採用聚醯亞胺和二氧化矽作為深矽刻蝕的掩膜，來分兩次進行幹法深矽刻蝕來加工實現不等高梳齒。如圖2所示，電容C _x1 ，C _x2 ，C _y1 和C _y2 所在的梳齒為全高梳齒，需要兩種掩膜；如圖3所示，電容,C _z1 ，C _z2 ，C _z3 和C _z4 所在的梳齒為半高梳齒，需要一種掩膜。為了實現增大質量塊的設計，採用了了雙面光刻工藝對SOI矽片的背面進行了光刻，這樣可以保證部分SOI的底層矽得到保留作為加速度計的質量塊的一部分，從而極大增大了慣性質量塊的質量。

　　1.2 加速度計原理

　　所設計的微加速度計傳感原理如下：

　　對於單個平行板電容器的電容與位移的關係為：

　　

　　其中，ε為介電常數，l，h和d分別代表梳齒電極的長寬高。

　　則在X軸的電容位移變化關係為：

　　

　　同理，Y軸的為：

　　

　　故當質量塊在X軸上下方向上同時發生位移時，電容變化只取決於X軸方向上的位移變化；當質量塊在Y軸上下方向上同時發生位移時，電容變化只取決於Y軸方向上的位移變化

　　對於Z軸，分別考慮Z ₁,Z₂,Z₃,Z₄ 四個方向，同時為了方便討論，以偏離XY軸45°方向的α-β為參考平面。當位移發生在Z軸向上方向時，有

　　

　　

　　同理，當位移發生在Z軸向下方向時，有

　　

　　故當質量塊在Z軸上下方向上同時發生位移時，電容變化只取決於Z軸方向上的位移變化，即

　　

　　從上式（3）、（4）和（11）可以看出，∆C _x , ∆C _y和∆C _z 只與三個軸方向上的位移∆x，∆y和∆z有關，故設計的三軸加速度計理論上並不存在兩個軸之間的交叉耦合。

　　2 仿真分析

　　微加速度計的材料為晶相100的矽材料，其彈性模量為190Gpa，密度為2330kg/m ³ 。微加速度計中心八邊形部分質量塊邊長為500μm，厚度為SOI頂層矽部分60μm和部分底層矽250μm；中間有圓形阻尼孔，為了方便仿真將其等效為一個大的圓孔，其直徑為400μm。米字形伸長部分尺寸為750μm×100μm×60μm；電容Cx1，Cx2，Cy1和Cy2所在的梳齒厚度H=60μm，電容（Cz1，Cz2，Cz3和Cz4）所在的梳齒厚度h=30μm；靜止狀態時XY軸方向固定梳齒與可動梳齒的正對部分為120μm×60μm，梳齒間距分別為d ₁ =5μm，d ₂ =10μm；Z軸方向固定梳齒與可動梳齒的正對部分為120μm×30μm，梳齒間距分別為d ₀=30μm。器件總質量為6.31×10 ^-7kg。

　　利用Ansys有限元分析軟體對器件進行靜力學分析。分別對器件施加1g的加速度，得到微加速度計三個軸向的位移靈敏度，如表1。

　　利用Ansys有限元分析軟體對器件進行模態分析，如圖4。

　　由表2可知，所設計的微加速度計結構對稱，前四階模態為沿Z軸平動、沿X軸平動、沿Y軸平動和沿Z軸轉動。其中，前三階是所設計的微加速度計的主模態，其他模態是頻率為主模態2倍的雜項模態，這樣基本可以實現避免雜項模態對主模態的幹擾。同時，三個軸向的共振頻率相差較大，說明所設計的微加速度計的交叉幹擾較小，符合設計目標。

　　3 加工工藝

　　本文中的微加速度計的加工工藝流程圖如圖2所示。（a）採用熱氧化工藝在SOI矽片兩面熱生長厚度為1μm的氧化矽為後續深矽刻蝕的硬掩膜。（b）第一次雙面光刻出X軸和Y軸所在的等高梳齒的平面方向區域，RIE刻蝕氧化矽形成圖形。（c）在SOI正面頂層矽上進行電子束蒸發鋁，然後第二次雙面光刻形成電極區域。（d)採用聚醯亞胺（PI）為光刻膠第三次雙面光刻整個米字形結構，亞胺化形成第二種後續深矽刻蝕的硬掩膜。（e)第一次深矽刻蝕，刻蝕厚度為頂層矽厚度的一半，然後氧等離子體RIE去除亞胺化後的聚醯亞胺。（f）第二次幹法刻蝕，刻蝕到SOI矽片的絕緣層，至此正面結構已經完成。（g)背面第一次雙面光刻背面電極區域，RIE刻蝕氧化矽，形成背面第一次幹法刻蝕時的硬掩膜，（h)背面第二次雙面光刻背面米字形結構，然後亞胺化形成硬掩膜。（i)背面第一次深矽刻蝕，刻蝕厚度為底層矽厚度的一半，然後氧等離子體RIE去除亞胺化後的PI。（j）背面第二次深矽刻蝕，刻蝕到SOI矽片絕緣層。（k)用氫氟酸蒸氣去除氧化矽絕緣層和掩膜層，釋放結構得到微加速度計。

　　4 結論

　　本文所設計的三軸微加速度計採用雙面光刻和幹法刻蝕工藝，充分利用SOI矽片底層矽部分來增大質量塊的質量，差分電容結構設計，使得，靈敏度得到了提高。同時採用全對稱的米字形結構，有效地減小了三軸間加速度的交叉耦合幹擾。所設計的微加速度計基於SOI矽片製作，避免了化學機械平坦化和鍵合等工藝，簡化了工藝。總體而言，該全對稱三軸微加速度計設計合理，具有較小的交叉軸幹擾和較大的靈敏度，有良好的應用前景。

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　　（註：本文來源於科技期刊《電子產品世界》2020年第05期第59頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。）