基于單一敏感質(zhì)量的三軸電容加速度計(jì)的設(shè)計(jì)*

陳立國(guó)， 袁 飛， 陳 濤， 孫立寧

(蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心&蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心 蘇州，215021)

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基于單一敏感質(zhì)量的三軸電容加速度計(jì)的設(shè)計(jì)*

陳立國(guó)， 袁 飛， 陳 濤， 孫立寧

(蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心&蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心 蘇州，215021)

設(shè)計(jì)了一種單一敏感質(zhì)量的三軸電容加速度計(jì)。該器件采用全差分電容的檢測(cè)方法，滿足了靈敏度的設(shè)計(jì)要求并解決了三軸的交叉耦合問(wèn)題，其獨(dú)特的單一敏感質(zhì)量結(jié)構(gòu)減小了器件的整體尺寸，降低了成本。器件由外延多晶硅工藝實(shí)現(xiàn)了18 μm的厚度制作，降低了熱機(jī)械噪聲，增大了檢測(cè)電容，提高了靈敏度、分辨率和可靠性。ANSYS仿真結(jié)果表明，器件在3個(gè)軸向的靈敏度一致性好，抗干擾，測(cè)試結(jié)果和理論分析相符。該加速度計(jì)結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單，在消費(fèi)電子領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

單一敏感質(zhì)量； 三軸加速度計(jì)； 微機(jī)電系統(tǒng)； 全差分電容檢測(cè)

引 言

隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟，硅微機(jī)械加速度計(jì)成功地在汽車氣囊、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、手機(jī)、平板、游戲手柄和航模等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

電容式微加速度計(jì)以其溫度漂移效應(yīng)小、溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、單位芯片面積靈敏度高、功耗低、易于構(gòu)成高精度的力平衡式器件和綜合性能最優(yōu)的特點(diǎn)成為當(dāng)前微加速度計(jì)研究的熱點(diǎn)和主流。在汽車氣囊、計(jì)步器和寵物運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等應(yīng)用中，單軸加速度計(jì)已經(jīng)能滿足使用需求，然而在三維游戲、航模和手機(jī)等消費(fèi)電子領(lǐng)域，檢測(cè)3個(gè)方向的加速度變得尤為重要。

傳統(tǒng)的三軸檢測(cè)方式是將3個(gè)單軸的加速度計(jì)組裝在一起構(gòu)成三軸加速度計(jì)，這種方法限制了加速度計(jì)的微小化程度，組裝時(shí)也引入了正交誤差。

Wenzel等[4]運(yùn)用低成本的表面硅犧牲層工藝結(jié)合紫外光刻(UV-LIGA)加工出了一款新型三軸加速度計(jì)，其特點(diǎn)在于采用3個(gè)集成于同一襯底上的獨(dú)立質(zhì)量塊分別檢測(cè)3個(gè)軸向的加速度，工藝步驟簡(jiǎn)單，減小了正交誤差，但其分立的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，犧牲了器件的尺寸面積，不利于器件的微型化。王守明等[5]采用體硅工藝加工出了一款新型結(jié)構(gòu)的梳齒電容加速度計(jì)，該設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)質(zhì)量塊，分別檢測(cè)水平和垂直方向的加速度，其中,x，y水平方向共用一個(gè)質(zhì)量塊，不對(duì)稱的梳齒設(shè)計(jì)，消除了垂直方向的干擾，垂直方向通過(guò)梁的設(shè)計(jì)，消除了水平方向的影響，但是其垂直方向采用變面積梳齒檢測(cè)，靈敏度不高。STMicroelectronics也采用了相同的雙質(zhì)量塊檢測(cè)的設(shè)計(jì)[6]，但在垂直方向上設(shè)計(jì)為變間距的差分結(jié)構(gòu)，有效利用面積，增大了靈敏度。Xie等[6]設(shè)計(jì)了一款新型的單質(zhì)量三軸加速度計(jì)，其創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了不等高的梳齒作為檢測(cè)電容，加工完成的整體尺寸為4 mm×4 mm，但其水平方向和垂直方向的靈敏度有很大的不一致性(水平方向?yàn)?45.3 fF/g，垂直方向?yàn)?.1 fF/g)。Nonomura等[7]設(shè)計(jì)了一個(gè)三軸全部差分的單質(zhì)量加速度計(jì)，其使用獨(dú)特的Zigzag-Shaped Z-electrode結(jié)構(gòu)來(lái)保證z向的電容擁有相同的間距，從而獲得較高的靈敏度和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，但是其制造工藝復(fù)雜。可以看出，三軸加速度計(jì)在消費(fèi)電子領(lǐng)域的需求引起了廣泛的研究，如何有效地減小加速度的芯片尺寸，采用簡(jiǎn)單的制造工藝降低成本，又保證靈敏度的應(yīng)用需求是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。

筆者介紹了一種單一敏感質(zhì)量的三軸加速度計(jì)的設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試，采用單一的質(zhì)量梳齒結(jié)構(gòu)來(lái)檢測(cè)3個(gè)垂直方向的加速度，減小了芯片尺寸，全差分的電容檢測(cè)既消除了3個(gè)軸向的交叉耦合，又保證了其靈敏度的需求。器件采用外延多晶硅工藝，增加了慣性質(zhì)量塊的厚度，降低了熱機(jī)械噪聲，提高了靈敏度和分辨率。

1 設(shè)計(jì)與原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為筆者提出的加速度計(jì)的工作原理圖，整體結(jié)構(gòu)尺寸為668 μm×475 μm×18 μm，質(zhì)量塊和定梳齒通過(guò)錨點(diǎn)固定在襯底上，質(zhì)量塊和襯底之間存在一初始間距，形成z向差分檢測(cè)電容；橫向和縱向的動(dòng)梳齒作為水平軸向的檢測(cè)梳齒和兩組定梳齒構(gòu)成差分電容，既提高了檢測(cè)靈敏度又消除了共模誤差。x，y軸向檢測(cè)梳齒的放大圖如圖1(b,c)所示。設(shè)計(jì)采用等間距的梳齒結(jié)構(gòu)，梳齒間距為2 μm。其靜態(tài)電容為

(1)

其中:n0為檢測(cè)梳齒的對(duì)數(shù);ε為相對(duì)介電常數(shù);ε0為真空介電常數(shù);lc,wc分別為梳齒正對(duì)部分的長(zhǎng)和寬;d0為動(dòng)梳齒和靜梳齒之間的初始間距。

設(shè)計(jì)采用兩根雙端固支的簡(jiǎn)支梁支撐質(zhì)量塊，梁在各個(gè)軸向的變形剛度為

其中：n為梁的根數(shù)；N為每根梁的折數(shù)；E為彈性模量；l，t，w分別為梁的長(zhǎng)、厚和寬；γ為泊松比；R為梁和質(zhì)量塊的連接端到旋轉(zhuǎn)中心的距離[8]。

如圖2所示，在本設(shè)計(jì)中R取308 μm。

圖3為加速度計(jì)的完整結(jié)構(gòu)圖。為了防止質(zhì)量塊產(chǎn)生過(guò)大位移，造成貼合現(xiàn)象，在偏心質(zhì)量的部分設(shè)計(jì)了兩個(gè)止擋塊[9]。為了減小阻尼，在整個(gè)質(zhì)量塊上開(kāi)了阻尼孔，同時(shí)為了增大偏心質(zhì)量，提高靈敏度，在偏心質(zhì)量部分的阻尼孔比其他地方的要小，其中，大阻尼孔為3.5 μm×7.5 μm，小阻尼孔為5 μm×5 μm。

表1為所設(shè)計(jì)的加速度計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)。

圖1 加速度計(jì)檢測(cè)原理Fig.1 Detection principle of tri-axis accelerometer

圖2 參數(shù)RFig.2 Parameter R

圖3 加速度計(jì)阻尼孔示意圖Fig.3 Schematic diagram of damping hole

參數(shù)項(xiàng)x軸y軸z軸初始電容/pF0.2240.1850.247梁的剛度3.6×10-8/(Nm·rad-1)7.08/(N·m-1)6.87×10-8/(Nm·rad-1)諧振頻率/Hz384355233562整體尺寸/μm3668μm×475μm×18μm

1.2 檢測(cè)原理

電容式加速度計(jì)由慣性質(zhì)量塊、支撐梁和固定梳齒電極構(gòu)成，定齒和動(dòng)齒之間的電容變化能反映出外界加速度的大小。整個(gè)加速度計(jì)可以等效為一個(gè)彈簧-阻尼系統(tǒng)，其振動(dòng)方程為

X(s)(ms2+cs+k)=mA(s)

(5)

其中：m為可動(dòng)質(zhì)量；k為彈性梁的剛度；c為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。

在穩(wěn)態(tài)情況下，即s=0時(shí)，可得微位移和加速度的關(guān)系為

(6)

其中：ω為質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的諧振頻率。

電容式加速度計(jì)利用敏感部分將被檢測(cè)的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電容變化量，在通過(guò)外部的信號(hào)調(diào)理電路處理，實(shí)現(xiàn)加速度的線性輸出。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)可動(dòng)梳齒產(chǎn)生X(s)的微位移時(shí)，電容變化量為

(7)

(8)

在實(shí)際應(yīng)用中，電容的位移變化量大約是初始間距的1/200，遠(yuǎn)小于初始間距。由式(8)可以看出，在位移量遠(yuǎn)小于間距的情況下，電容變化量和施加的加速度成線性關(guān)系。

1.3 加速度交叉耦合分析

對(duì)于三軸加速度計(jì)而言，如何減小亦或消除各個(gè)軸之間的耦合是十分重要的，這也是目前研究的重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中，充分考慮到各個(gè)軸之間的耦合，通過(guò)梳齒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將每個(gè)軸所受的其他軸的影響消除。當(dāng)整體結(jié)構(gòu)受到z軸向的加速度時(shí)(圖1(a))，結(jié)構(gòu)在偏心質(zhì)量的作用下，繞錨點(diǎn)的幾何中心產(chǎn)生平面外扭轉(zhuǎn)，此時(shí)Cz1減小，Cz2增大，由于y軸向梳齒關(guān)于錨點(diǎn)中心對(duì)稱，因此Cy1和Cy2發(fā)生相同的變化，x向梳齒在錨點(diǎn)的同一側(cè)，Cx1和Cx2也發(fā)生相同的變化，經(jīng)差分處理后，亦只有電容組Cz1，Cz2輸出差模信號(hào)。當(dāng)整體結(jié)構(gòu)受到y(tǒng)軸向的加速度時(shí)(圖1(b))，結(jié)構(gòu)只在y方向上產(chǎn)生平面內(nèi)的位移，此時(shí)Cy1減小，Cy2增大，用于檢測(cè)x,z軸向加速度的梳齒正對(duì)面積和梳齒間距均不發(fā)生改變，電容無(wú)變化，只有電容組Cy1,Cy2輸出差模信號(hào)；當(dāng)整體結(jié)構(gòu)受到x軸向的加速度時(shí)(圖1(c)),結(jié)構(gòu)在偏心質(zhì)量的作用下，繞錨點(diǎn)的幾何中心發(fā)生平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)，可以看出，Cx1變小，Cx2增大，Cy1和Cy2發(fā)生相同的變化，Cz1和Cz2無(wú)變化，經(jīng)差分處理后，只有電容組Cx1，Cx2輸出差模信號(hào)。由此可見(jiàn)，各個(gè)軸之間的相互影響得以抵消。

2 仿真模擬

用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，以驗(yàn)證其應(yīng)力強(qiáng)度和靈敏度。建立其ANSYS模型，由于本模型中含有大量的阻尼孔，為優(yōu)化模擬和減少仿真時(shí)間，先對(duì)面進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，之后再拉伸成體，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和最大應(yīng)力分析。

模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示，計(jì)算諧振頻率和仿真值對(duì)比如表2所示。

由圖4可以看出，本結(jié)構(gòu)的1階模態(tài)是繞x軸扭轉(zhuǎn)的z向運(yùn)動(dòng)，2階模態(tài)是繞z軸旋轉(zhuǎn)的x向運(yùn)動(dòng)，3階模態(tài)是水平的y向運(yùn)動(dòng)，4階模態(tài)是繞y軸扭轉(zhuǎn)的z向運(yùn)動(dòng)，其中，1～3階模態(tài)為本設(shè)計(jì)的主模態(tài)，4階模態(tài)為雜態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，雜項(xiàng)模態(tài)的諧振頻率(26 517 Hz)遠(yuǎn)大于主模態(tài)的諧振頻率(最大5 523 Hz)，避免了雜項(xiàng)模態(tài)對(duì)主模態(tài)的干擾。

圖4 前4階模態(tài)Fig.4 The first four modals

模態(tài)計(jì)算值仿真值135623225238433714355235628426517

靜力學(xué)分析結(jié)果如表3所示(施加1g加速度)。

表3 位移變化和電容變化

由表3可知，結(jié)構(gòu)在受到3個(gè)軸向的加速度時(shí)所產(chǎn)生的位移均在在6～8 nm之間，為保證3個(gè)軸向靈敏度的一致性，可通過(guò)調(diào)整初始電容值的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，各軸電容變化計(jì)算如表3所示。

在整個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，受力最大的部分是在梁的兩端，因此需要驗(yàn)證梁所受到的應(yīng)力，保證其所受應(yīng)力小于其許用應(yīng)力強(qiáng)度。當(dāng)受到16g加速度時(shí)，梁在不同情況下的最大應(yīng)力如表4所示。

由表4可知，在受到相同加速度時(shí)，梁在承受y向加速度時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力最大。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，器件所檢測(cè)的加速度值在16g以下，給器件施加16g的y向加速度，模擬得梁的最大應(yīng)力為3.36 MPa。硅的斷裂強(qiáng)度為7 GPa，取安全因數(shù)值為3，由此算得硅的許用應(yīng)力強(qiáng)度為2.3 GPa，遠(yuǎn)大于16g時(shí)的應(yīng)力，由此本結(jié)構(gòu)滿足低g值的應(yīng)用要求。

表4 梁在各軸加速度下的應(yīng)力

3 加工工藝

本設(shè)計(jì)的加工工藝流程如圖5所示。A在拋光的晶圓上生成2～2.5 μm的氧化層，以作絕緣層使用，在絕緣層上沉積多晶硅層，并做圖刻蝕，制成埋入式電連接結(jié)構(gòu)，用于傳感器向外部傳遞電位和電容信號(hào)。B在引線層上生成2 μm的氧化層，做犧牲層使用。C,D在氧化層上采用LPCVD沉積多晶硅種子層，并作圖刻蝕，形成和第一多晶硅層之間的通孔，用作厚多晶硅器件的錨定區(qū)，稍后制成錨定組件。E采用多晶硅外延，以生成20 μm的結(jié)構(gòu)層。將F結(jié)構(gòu)層上方拋平，沉積一層鋁，在此基礎(chǔ)上作圖刻蝕，以得到pad和鍵合區(qū)。G采用深反應(yīng)離子刻蝕方法將結(jié)構(gòu)層刻穿底部的氧化層，得到所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。H用VHF蒸汽去除犧牲層，釋放所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。

圖5 加工工藝流程Fig.5 Fabrication process

加工完成后的加速度傳感器如圖6所示。

圖6 加工完成后的加速度計(jì)照片F(xiàn)ig.6 The finished accelerometer

4 測(cè)試結(jié)果

將加工完成的微加速度置于測(cè)試平臺(tái)上，測(cè)試其靜態(tài)電容和pull-in電壓，儀器所加的頻率為100 kHz，施加的電壓為0 V，靜態(tài)電容測(cè)試結(jié)果如表5所示(整片晶圓)。由表5可以看出，實(shí)際測(cè)試的單邊電容值和理論計(jì)算值比較接近，存在誤差的原因：a.加工過(guò)程中的根切現(xiàn)象;b.其他微小寄生電容的影響，起主導(dǎo)作用的是工藝因素，可以通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

表5 單邊靜態(tài)電容測(cè)試值

圖7 x,y,z軸pull-in電壓Fig.7 The pull-in voltages of x, y and z axis

Pull-in電壓測(cè)試結(jié)果如圖7所示。可以看出，當(dāng)從0 V開(kāi)始施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，隨著電壓的增加，動(dòng)梳齒逐漸向定梳齒移動(dòng)，微小的位移量引起的電容變化量也很小，因此曲線前一段除小波動(dòng)外，整體比較平穩(wěn)，當(dāng)電壓增大到一定值時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到臨界點(diǎn)，再次增大電壓，動(dòng)梳齒和定齒發(fā)生吸合，產(chǎn)生了電容的突變，曲線的后一段也很好地驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

表6為pull-in電壓測(cè)試值和理論計(jì)算值。由于pull-in電壓和極板的初始間距以及梁的尺寸有很大的關(guān)系[10]，而兩者的尺寸精度是由加工工藝決定的，本工藝對(duì)器件會(huì)產(chǎn)生0.3～0.5 μm的根切，因此理論計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值有一定的誤差。后期可以通過(guò)設(shè)置加工裕度來(lái)保證梁和極板的間距在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，從而使得測(cè)試值和理論值相符合。

表6 Pull-in電壓測(cè)試值

將器件和ASIC打線后進(jìn)行靈敏度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示，從上到下分別是z軸±1g時(shí)的輸出值。根據(jù)ASIC和器件電容的等效關(guān)系(x，y軸為1.2 fF/g，z軸為1.5 fF/g)，計(jì)算出的電容靈敏度如表7所示。

表7 各軸電容靈敏度數(shù)值

從表7可以看出，器件受到+1g加速度的輸出值和受到-1g加速度的輸出值在量值上相當(dāng)接近，最大誤差僅為4%，測(cè)試的靈敏度較計(jì)算值大，考慮到由根切引起的靜態(tài)電容測(cè)試值偏大，測(cè)試的靈敏度較計(jì)算值大是在預(yù)期內(nèi)的，后期設(shè)置加工裕度以保證兩者相符。

從圖8可以看出，當(dāng)z軸有1g加速度輸出時(shí)，x，y軸向的輸出值為零。單個(gè)軸向的加速度對(duì)其他軸向沒(méi)有干擾。

本器件的量程為±16g，測(cè)試器件從0～16g的電容變化量，擬合散點(diǎn)，分析其非線性，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。可以看出，三軸的電容變化量隨g值基本都是線性變化的，經(jīng)計(jì)算非線性誤差為2.16% FS。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了一種基于單一敏感質(zhì)量的三軸全差分電容式加速度計(jì)，采用單一的質(zhì)量梳齒結(jié)構(gòu)來(lái)檢測(cè)3個(gè)垂直方向的加速度。所設(shè)計(jì)的加速度計(jì)厚度為18 μm，大于傳統(tǒng)表面工藝加工出的厚度，降低了器件的熱機(jī)械噪聲，增大了檢測(cè)電容，提高了靈敏度和可靠性。ANSYS模擬和測(cè)試結(jié)果相符合，3個(gè)軸向的電容靈敏度分別為1.36，1.45，1.56 fF/g，機(jī)械熱噪聲分別為22.9，15.3，44.7 μg/Hz1/2，器件在3個(gè)軸向的靈敏度一致性好、分辨率高、抗干擾。該加速度計(jì)結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單，在消費(fèi)電子領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.05.021

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“八六三”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011AA040404)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20133201110009)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-13-0923)

2014-02-12；

2014-04-04

TH113.2; TH162； TN389

陳立國(guó)，男，1974年11月生，博士、教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)槲⒉僮骱臀Ⅱ?qū)動(dòng)機(jī)器人等。曾發(fā)表《Design, modeling and control of a piezoelectric ultrasonic microdissection technique for the molecular analysis of tissue》(《Smart Materials & Structures》2010,Vol.19,No.2)等論文。 E-mail:chenliguo@suda.edu.cn