一種增大質(zhì)量塊的三軸MEMS加速度計的設(shè)計

　　馮?堃，張國俊，王姝婭，戴麗萍，鐘志親（電子科技大學(xué)?電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都611731）

　　摘?要：介紹了一種增大質(zhì)量塊設(shè)計的三軸MEMS加速度計。該加速度計基于絕緣體上硅（SOI）硅片，采用雙面光刻、干法刻蝕的工藝，利用了部分SOI硅片的底層硅部分來增大加速度計的質(zhì)量塊，設(shè)計了基于單一米字形質(zhì)量塊的三軸MEMS電容式微加速度計。根據(jù)不同的外界加速度對器件產(chǎn)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。最后結(jié)合Ansys仿真結(jié)果得出：所設(shè)計的微加速度計具有較高的靈敏度、抗干擾能力強、噪聲較小的優(yōu)點，在慣性傳感領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：微機械系統(tǒng)；三微加速度計；高靈敏度；絕緣體上硅

　　0 引言

　　SOI(silicon-on insulator，絕緣體上硅)晶片以其優(yōu)越的單晶材料特性、易于實現(xiàn)大厚度器件、易于實現(xiàn)高深寬比的制造、良好的機械穩(wěn)定性、殘余應(yīng)力小以及后續(xù)制造工藝簡單的優(yōu)點逐漸在慣性傳感器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 ^[1～5] 。采用SOI晶片的MEMS加速度計很容易實現(xiàn)大的慣性質(zhì)量塊和低布朗噪聲。因此，基于SOI的微加速度計是將來慣性傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向。H.Hamaguchi等人采用了不等高梳齒電極電容設(shè)計制作了Z軸加速度計，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)了三軸線加速度計的設(shè)計與制造 ^[2,3] 。Chia-Pao Hsu等人采用間隙閉合差分電容電極設(shè)計在SOI上實現(xiàn)了Z軸加速度計，并采用此技術(shù)制成了基于單質(zhì)量塊的三軸加速度計 ^[6,7] 。

　　本文研究的三軸微加速度計采用中心對稱米字形結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了只使用一個敏感質(zhì)量塊來檢測三個方向的加速度，同時避免了交叉軸干擾。同時，由于基于SOI硅片制作，利用了SOI硅片的底層硅，得到了更大的質(zhì)量塊，提高了靈敏度。

　　1 加速度計結(jié)構(gòu)與原理

　　1.1 加速度計結(jié)構(gòu)

　　圖1為所設(shè)計的三軸微加速度計的俯視圖。本文中設(shè)計的微加速度計為中心對稱結(jié)構(gòu)，采用米字形質(zhì)量塊設(shè)計，錨點電極采用折疊梁與質(zhì)量塊連接。由于采用了SOI硅片，可以實現(xiàn)在加工工藝上保留了部分SOI硅片的底層硅部分，增大了加速度計敏感質(zhì)量塊的質(zhì)量，從而可以提高微加速度計的靈敏度。在米字形質(zhì)量塊上包含了八組梳齒結(jié)構(gòu)，與其對應(yīng)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(jié)構(gòu)相同，采用等高梳齒設(shè)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(xiàn)了變間距的差分電容的設(shè)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 ）采用不等高梳齒設(shè)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(xiàn)了變面積的差分電容設(shè)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(diào)制電壓時減少零極點漂移的作用。

　　在加速度計的實現(xiàn)工藝上，分別通過采用聚酰亞胺和二氧化硅作為深硅刻蝕的掩膜，來分兩次進行干法深硅刻蝕來加工實現(xiàn)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(xiàn)增大質(zhì)量塊的設(shè)計，采用了了雙面光刻工藝對SOI硅片的背面進行了光刻，這樣可以保證部分SOI的底層硅得到保留作為加速度計的質(zhì)量塊的一部分，從而極大增大了慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量。

　　1.2 加速度計原理

　　所設(shè)計的微加速度計傳感原理如下：

　　對于單個平行板電容器的電容與位移的關(guān)系為：

　　其中，ε為介電常數(shù)，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(guān)系為：

　　同理，Y軸的為：

　　故當(dāng)質(zhì)量塊在X軸上下方向上同時發(fā)生位移時，電容變化只取決于X軸方向上的位移變化；當(dāng)質(zhì)量塊在Y軸上下方向上同時發(fā)生位移時，電容變化只取決于Y軸方向上的位移變化

　　對于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(dāng)位移發(fā)生在Z軸向上方向時，有

　　同理，當(dāng)位移發(fā)生在Z軸向下方向時，有

　　故當(dāng)質(zhì)量塊在Z軸上下方向上同時發(fā)生位移時，電容變化只取決于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(guān)，故設(shè)計的三軸加速度計理論上并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的硅材料，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(zhì)量塊邊長為500μm，厚度為SOI頂層硅部分60μm和部分底層硅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(tài)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(zhì)量為6.31×10 ^-7kg。

　　利用Ansys有限元分析軟件對器件進行靜力學(xué)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有限元分析軟件對器件進行模態(tài)分析，如圖4。

　　由表2可知，所設(shè)計的微加速度計結(jié)構(gòu)對稱，前四階模態(tài)為沿Z軸平動、沿X軸平動、沿Y軸平動和沿Z軸轉(zhuǎn)動。其中，前三階是所設(shè)計的微加速度計的主模態(tài)，其他模態(tài)是頻率為主模態(tài)2倍的雜項模態(tài)，這樣基本可以實現(xiàn)避免雜項模態(tài)對主模態(tài)的干擾。同時，三個軸向的共振頻率相差較大，說明所設(shè)計的微加速度計的交叉干擾較小，符合設(shè)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）采用熱氧化工藝在SOI硅片兩面熱生長厚度為1μm的氧化硅為后續(xù)深硅刻蝕的硬掩膜。（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(qū)域，RIE刻蝕氧化硅形成圖形。（c）在SOI正面頂層硅上進行電子束蒸發(fā)鋁，然后第二次雙面光刻形成電極區(qū)域。（d)采用聚酰亞胺（PI）為光刻膠第三次雙面光刻整個米字形結(jié)構(gòu)，亞胺化形成第二種后續(xù)深硅刻蝕的硬掩膜。（e)第一次深硅刻蝕，刻蝕厚度為頂層硅厚度的一半，然后氧等離子體RIE去除亞胺化后的聚酰亞胺。（f）第二次干法刻蝕，刻蝕到SOI硅片的絕緣層，至此正面結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成。（g)背面第一次雙面光刻背面電極區(qū)域，RIE刻蝕氧化硅，形成背面第一次干法刻蝕時的硬掩膜，（h)背面第二次雙面光刻背面米字形結(jié)構(gòu)，然后亞胺化形成硬掩膜。（i)背面第一次深硅刻蝕，刻蝕厚度為底層硅厚度的一半，然后氧等離子體RIE去除亞胺化后的PI。（j）背面第二次深硅刻蝕，刻蝕到SOI硅片絕緣層。（k)用氫氟酸蒸氣去除氧化硅絕緣層和掩膜層，釋放結(jié)構(gòu)得到微加速度計。

　　4 結(jié)論

　　本文所設(shè)計的三軸微加速度計采用雙面光刻和干法刻蝕工藝，充分利用SOI硅片底層硅部分來增大質(zhì)量塊的質(zhì)量，差分電容結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得，靈敏度得到了提高。同時采用全對稱的米字形結(jié)構(gòu)，有效地減小了三軸間加速度的交叉耦合干擾。所設(shè)計的微加速度計基于SOI硅片制作，避免了化學(xué)機械平坦化和鍵合等工藝，簡化了工藝?？傮w而言，該全對稱三軸微加速度計設(shè)計合理，具有較小的交叉軸干擾和較大的靈敏度，有良好的應(yīng)用前景。

　　參考文獻：

　　[1] MATSUMOTO Y,NISHIMURA M,MATSUURA M,et al. Three-axis SOI capacitive accelerometer with PLL C-V converter[J].Sensors & Actuators A Physical,1999:75 77–85.

　　[2] TSUCHIYA T,FUNABASHI H. A z-axis differential capacitive SOI accelerometer with vertical comb electrodes[J].Sensors & Actuators A Physical,2004,116(3):378-383.

　　[3] HAMAGUCHI H,SUGANO K,Tsuchiya T,et al. A DIFFERENTIAL CAPACITIVE THREE-AXIS SOI ACCELEROMETER USING VERTICAL COMB ELECTRODES[C]// Solid-state Sensors, Actuators & Microsystems Conference, Transducers International.IEEE,2007.

　　[4] ABDOLVAND R ,AMINI B V,Ayazi F.Sub-Micro-Gravity In-Plane Accelerometers With Reduced Capacitive Gaps and Extra Seismic Mass[J].Journal of Microelectromechanical Systems,2007,16(5):1036-1043.

　　[5] ZAMAN M F,SHARMA A,HAO Z,et al.A Mode-Matched Silicon-Yaw Tuning-Fork Gyroscope With Subdegree-Per-Hour Allan Deviation Bias Instability[J].Journal of Microelectromechanical Systems, 2008, 17(6):1526-1536.

　　[6] HSU C P,YIP M C,FANG W.Implementation of a gap-closing differential capacitive sensing Z-axis accelerometer on an SOI wafer[J].Journal of Micromechanics & Microengineering,2009,19(7):75006-75007.

　　[7] HSU C P,HSU Y C,YIP M C,et al. A Novel SOI-Based Single Proof-Mass 3-Axis Accelerometer with Gap-Closing Differential Capacitive Electrodes in All Sensing Directions[C]//Sensors.IEEE,2011.

　　（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第05期第59頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）