雙軸集成加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曹延磊+丁蘭

摘 要：該文基于一種集成CMOS MEMS加工方式上，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙軸平面內(nèi)加速度計(jì)。加速度計(jì)結(jié)構(gòu)呈對稱結(jié)構(gòu)，有一個(gè)主體質(zhì)量塊、四個(gè)小質(zhì)量塊、8個(gè)彈簧和感應(yīng)電極組成。理論上此加速度計(jì)可以提供X和Y方向相同的檢測靈敏度。

關(guān)鍵詞：加速度計(jì) MEMSPost CMOS

中圖分類號：V241.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0059-03

IT業(yè)的未來主要集中在可穿戴設(shè)備、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、云計(jì)算這幾方面。最幾年，隨著智能手機(jī)與可穿戴設(shè)備的興起，集成慣性傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的汽車工業(yè)和航空已。經(jīng)拓展到消費(fèi)電子領(lǐng)域。可以預(yù)見集成慣性傳感器未來會(huì)深入到人類生活各個(gè)方面。

加速度計(jì)是目前產(chǎn)量最大的慣性傳感器，它們已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車而工業(yè)和消費(fèi)電子。而低生產(chǎn)成本、單片集成、低功耗和高信噪比的加速度計(jì)仍是最近的研究熱點(diǎn)。

1 集成加速度計(jì)制備方式

CMOS工藝中主要堆疊的材料有，單晶硅襯底，多晶硅層（Poly）、金屬層（Al）、氧化層（Fox，氧化柵極和USG介電層），鎢通孔等。由圖1可知，頂層金屬（M5）的頂部到FOX的距離8.07μm。這樣的SiO2厚度足可以做薄膜加速度計(jì)的質(zhì)量塊。CMOS MEMS加速度計(jì)工藝步驟如下：

（1）將CMOS工藝線上回來的器件投入硫酸（H2SO4）雙氧水（H2O2）的溶液中。直到金屬刻蝕完成。

（2）刻蝕后需要防止粘附。用純水中將硫酸溶液稀釋置換出來。再用異丙醇溶液將純水置換。然后放到加熱器中將異丙醇蒸發(fā)干凈。到此金屬犧牲層刻蝕完成。

（3）金屬犧牲步驟完成后，需要對懸浮結(jié)構(gòu)中的鈍化保護(hù)層去除。去除鈍化層的方法采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）去除，從去除覆蓋微結(jié)構(gòu)處的PASS，頂層金屬裸露出來。此步驟工藝完成后如圖1示意圖所示。進(jìn)行完RIE后，MEMS微結(jié)構(gòu)仍未懸浮，必須進(jìn)行（4）步驟的硅襯底刻蝕才能完成釋放。

（4）采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）對襯底進(jìn)行刻蝕釋放結(jié)構(gòu)。襯底刻蝕完成后微結(jié)構(gòu)釋放懸浮起來，如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為加速度計(jì)整體結(jié)構(gòu)示意圖。外部電路向加速度計(jì)提供的信號有：用于x方向的和-；用于感測y方向和-。加速度計(jì)向外部電路輸出的信號有：感測x方向運(yùn)動(dòng)的和差分輸出信號；感測y方向運(yùn)動(dòng)的和差分輸出信號。其中有四個(gè)彈簧沒有用于信號輸出，在這4個(gè)彈簧中需要加入金屬線保證整體的彈性常數(shù)對稱。

2.1 質(zhì)量塊設(shè)計(jì)

質(zhì)量塊是加速度計(jì)重要組成部分。當(dāng)加速度計(jì)受到外加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生位移。在電容式加速度計(jì)中，較大的位移會(huì)產(chǎn)生較大的變化電容，較大的變化電容會(huì)產(chǎn)生較大的Vsense。但是質(zhì)量塊位移大小一般由兩個(gè)因素決定，（1）質(zhì)量塊的質(zhì)量；（2）彈簧的彈性系數(shù)。質(zhì)量塊中布滿了小孔陣列，其目的有兩個(gè)：（1）便于在后制程中更容易釋放整個(gè)質(zhì)量塊微結(jié)構(gòu)，（2）對質(zhì)量塊起阻尼作用。與實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接的Via通孔不同，質(zhì)量塊中的Via通孔起犧牲層的作用。標(biāo)準(zhǔn)的DRC約束Via的大小為0.36×0.36μm2大小，間隔不小于0.35μm，這樣才能實(shí)現(xiàn)較好通孔填充，但是這樣的約束無法滿足做犧牲層的條件，因此Via做犧牲層時(shí)需要違反DRC規(guī)則。

為了獲取較大的質(zhì)量塊，在本論文中，質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)由Metal5統(tǒng)一位置的的Passivation層一直向下到ILD層構(gòu)成。3 ug的質(zhì)量塊需要的版圖面積為13 000μm2?？紤]到刻蝕空以及可移動(dòng)電極的周邊的去除，版圖面積還要增大。質(zhì)量塊有1個(gè)大質(zhì)量塊和四個(gè)位于四角的小質(zhì)量量塊構(gòu)成。

2.2 彈簧設(shè)計(jì)

加速度計(jì)檢測的加速度方向在XOY平面內(nèi)，為了保證檢測的精度和敏感方向，彈簧在設(shè)計(jì)時(shí)需要保證在z方向的彈性常數(shù)大于在XOY平面內(nèi)的彈性常數(shù)。并且x和y方向的彈性常數(shù)不能過小，過小會(huì)增加系統(tǒng)的熱噪聲。另外對于本文采用的電容檢測方式的結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到外界加速度時(shí)z方向的位移應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于感應(yīng)電極的高度，以保證x和y方向的電容不會(huì)受到影響，從而提高交叉軸靈敏度。

MEMS中由懸臂梁構(gòu)成的彈簧同螺旋彈簧類似，如果采用多個(gè)彈簧構(gòu)成彈簧系統(tǒng)，彈簧并聯(lián)時(shí)系統(tǒng)的彈性常數(shù)為所有各個(gè)彈性常數(shù)之和；彈簧串聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)彈性常數(shù)的倒數(shù)為各個(gè)彈性常數(shù)倒數(shù)和。因此，可以采用多個(gè)彈簧并聯(lián)來增加。另外，為了獲得較高的靈敏度，通常選擇增加l，折疊彈簧可以有效的增加l，并能減小彈簧所占的版圖面積。低復(fù)雜度的彈簧外形圖2所示。彈簧采用折疊形式，彈簧折疊周期N=12，半周期長度l=64μm，寬度w=1.5μm。

在該論文中，彈簧的工藝層和質(zhì)量塊一樣，采用了最多的堆疊層（從ILD到與Metal5同位置的Passivation層），從而增加了厚度t，降低z方向的彈性系數(shù)。彈簧是連接可移動(dòng)質(zhì)量塊與錨定端的橋梁，可移動(dòng)單元上的信號只能由彈簧傳遞給處理電路.

2.3 感應(yīng)電極設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的加速度計(jì)的感測方向?yàn)閄OY，所以感應(yīng)電極采用平行感測分布。對于平行板電容有：

極板的重合面積越大，極板間距越小就能獲得越大的電容；極板間距越小可以獲得更高的靈敏度。較多的感應(yīng)電極和增加感應(yīng)電極產(chǎn)度可以使總體電容增加。需要指出，感應(yīng)電極不能過細(xì)，也不能過長，由于殘余應(yīng)力的存在，過細(xì)過長會(huì)增加感應(yīng)電極曲率，導(dǎo)致感應(yīng)電極在水平方向上失配。

在Post CMOS中，極板間距受到設(shè)計(jì)規(guī)則和限制，頂層金屬的最小線寬為0.44μm，另外，由于電容極板含有金屬，金屬必定被氧化物包圍，因此感應(yīng)電極的間距不是兩側(cè)金屬面之間的距離。下面引入等效間距，對感應(yīng)電極間距進(jìn)行討論。如圖3所示。由于介電層SiO2的介電常數(shù)近似等于4，所以等效的感測電容：

取=0.46μm=0.44μm 得到等效間距最小值=0.67μm。為保存設(shè)計(jì)余量，仿真時(shí)該文采用等效間距=1.2μm，因而版圖設(shè)計(jì)時(shí)=0.46μm，=0.97um。

為了得到更多感應(yīng)電極重疊面積，從厚度上來考慮應(yīng)當(dāng)采用頂層金屬。該文感應(yīng)電極的感應(yīng)厚度從CONTACT底部到頂層金屬M(fèi)etal5，共8.07μm。同質(zhì)量塊中起犧牲作用的Via不同，制作感應(yīng)電極時(shí)Via有些起電學(xué)連接作用，有些Via只其犧牲層作用。起電學(xué)連接的Via，一定要遵循CMOS的DRC規(guī)則，因?yàn)閂ia的間距限制，從而感應(yīng)電極的有效面積比從CONTCAT（連接Metal1和有源區(qū)的通孔）的底部到Metal5的頂部構(gòu)成面積小。

2.4 加速度計(jì)整體結(jié)構(gòu)總結(jié)

3 結(jié)語

該文首先敘述應(yīng)用需求，從而分析出集成加速度計(jì)的優(yōu)越性。然后結(jié)合一種犧牲金屬和各向同性刻蝕硅襯底的加工方式，設(shè)計(jì)的加速度計(jì)有一個(gè)主體質(zhì)量塊、四個(gè)小質(zhì)量塊、8個(gè)彈簧和感應(yīng)電極組成。理論上此加速度計(jì)可以提供X和Y方向相同的檢測靈敏度。應(yīng)當(dāng)指出加速度計(jì)的設(shè)計(jì)和仿真是相互結(jié)合反復(fù)修改的過程，物理尺寸不僅需要滿足產(chǎn)線的工藝能力，還需要滿足消費(fèi)電子使用的應(yīng)用場合。

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