一種增大質(zhì)量塊的三軸MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)

馮堃　張國俊　王姝婭　戴麗萍　鐘志親

摘要：介紹了一種增大質(zhì)量塊設(shè)計(jì)的三軸MEMS加速度計(jì)。該加速度計(jì)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(jì)的質(zhì)量塊，設(shè)計(jì)了基于單一米字形質(zhì)量塊的三軸MEMS電容式微加速度計(jì)。根據(jù)不同的外界加速度對(duì)器件產(chǎn)生的不同位移，研究了在三個(gè)軸向的加速度計(jì)的靈敏度，同時(shí)分析了加速度計(jì)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(jì)的微加速度計(jì)具有較高的靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)、噪聲較小的優(yōu)點(diǎn)，在慣性傳感領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。

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

0引言

SOl（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(shí)現(xiàn)大厚度器件、易于實(shí)現(xiàn)高深寬比的制造、良好的機(jī)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(diǎn)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(jì)很容易實(shí)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(jì)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(jì)制作了Z軸加速度計(jì)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了三軸線加速度計(jì)的設(shè)計(jì)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(jì)在SOI上實(shí)現(xiàn)了Z軸加速度計(jì)，并采用此技術(shù)制成了基于單質(zhì)量塊的三軸加速度計(jì)[6，7]。

本文研究的三軸微加速度計(jì)采用中心對(duì)稱米字形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了只使用一個(gè)敏感質(zhì)量塊來檢測三個(gè)方向的加速度，同時(shí)避免了交叉軸干擾。同時(shí)，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(jì)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 加速度計(jì)結(jié)構(gòu)

圖1為所設(shè)計(jì)的三軸微加速度計(jì)的俯視圖。本文中設(shè)計(jì)的微加速度計(jì)為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用米字形質(zhì)量塊設(shè)計(jì)，錨點(diǎn)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(shí)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(jì)敏感質(zhì)量塊的質(zhì)量，從而可以提高微加速度計(jì)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(duì)應(yīng)的電容為Cx1，Cx2，Cy1，Cy2，Cz1，Cz2，Cz3和Cz4。

四組電容（Cx1，Cx2，Cy1和Cy2）結(jié)構(gòu)相同，采用等高梳齒設(shè)計(jì)，如圖2，可以用來測量平面方向上，即X、Y軸的加速度。其中，Cx1與Cx2是用來測量X軸加速度的差分電容，Cy1與Cy2是用來測量Y軸加速度的差分電容。通過使可移動(dòng)梳齒與固定梳齒之間的間距不同，即d1≠d2，實(shí)現(xiàn)了變間距的差分電容的設(shè)計(jì)，從而提高了可測量電容的靈敏度。

另外四組電容（Cz1，Cz2，Cz3和Cz4）采用不等高梳齒設(shè)計(jì)，如圖3，可以用來測量Z軸方向上的加速度。其中，Cz1和Cz2方向的可動(dòng)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;Cz3和Cz4方向的固定梳齒高度為可動(dòng)梳齒高度的一半，兩種梳齒的上邊緣為同一高度，實(shí)現(xiàn)了變面積的差分電容設(shè)計(jì)，從而提高了可測量電容的靈敏度。同時(shí)，Z軸方向上的可動(dòng)梳齒與固定梳齒之間的間距相等，均為do，從而可以起到在電容器上施加調(diào)制電壓時(shí)減小零極點(diǎn)漂移的作用。 在加速度計(jì)的實(shí)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(jìn)行干法深硅刻蝕來加工實(shí)現(xiàn)不等高梳齒。如圖2所示，電容Cx1，Cx2，Cy1和Cy2所在的梳齒為全高梳齒，需要兩種掩膜;如圖3所示，電容，Cz1，Cz2，Cz3和Cz4所在的梳齒為半高梳齒，需要一種掩膜。為了實(shí)現(xiàn)增大質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)，采用了了雙面光刻工藝對(duì)SOI硅片的背面進(jìn)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(jì)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(jì)原理

所設(shè)計(jì)的微加速度計(jì)傳感原理如下：

對(duì)于單個(gè)平行板電容器的電容與位移的關(guān)系為：

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

對(duì)于Z軸，分別考慮Z1，Z2，Z3，Z4四個(gè)方向，同時(shí)為了方便討論，以偏離XY軸45度方向的a-β為參考平面。

當(dāng)位移發(fā)生在Z軸向上方向時(shí)，有

2 仿真分析

微加速度計(jì)的材料為晶相100的硅材料，其彈性模量為190 Gpa，密度為2330 kg/m3。微加速度計(jì)中心八邊形部分質(zhì)量塊邊長為500 μm，厚度為SOI頂層硅部分60 μm和部分底層硅250 μm;中間有圓形阻尼孔，為了方便仿真將其等效為一個(gè)大的圓孔，其直徑為400 μm。米字形伸長部分尺寸為750 μm x 100 μm×60 μm;電容Cxl，Cx2，Cyl和Cy2所在的梳齒厚度H=60 μm，電容（Czl，Cz2，Cz3和Cz4）所在的梳齒厚度h= 30μm;靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)XY軸方向固定梳齒與可動(dòng)梳齒的正對(duì)部分為120μm×60 μm，梳齒間距分別為di=5 μm，d2=10 μm;Z軸方向固定梳齒與可動(dòng)梳齒的正對(duì)部分為120 μmx30 μm，梳齒間距分別為d0=30 μm。器件總質(zhì)量為6.31×10^-7kg。

利用Ansys有限元分析軟件對(duì)器件進(jìn)行靜力學(xué)分析。分別對(duì)器件施加1g的加速度，得到微加速度計(jì)三個(gè)軸向的位移靈敏度，如表1。

利用Ansys有限元分析軟件對(duì)器件進(jìn)行模態(tài)分析，如圖4

由表2可知，所設(shè)計(jì)的微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，前四階模態(tài)為沿Z軸平動(dòng)、沿X軸平動(dòng)、沿Y軸平動(dòng)和沿Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，前三階是所設(shè)計(jì)的微加速度計(jì)的主模態(tài)，其他模態(tài)是頻率為主模態(tài)2倍的雜項(xiàng)模態(tài)，這樣基本可以實(shí)現(xiàn)避免雜項(xiàng)模態(tài)對(duì)主模態(tài)的干擾。同時(shí)，三個(gè)軸向的共振頻率相差較大，說明所設(shè)計(jì)的微加速度計(jì)的交叉干擾較小，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 加工工藝

本文中的微加速度計(jì)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1 μm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(jìn)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(gè)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(shí)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(jì)。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的三軸微加速度計(jì)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(jì)，使得，靈敏度得到了提高。同時(shí)采用全對(duì)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(jì)的微加速度計(jì)基于SOI硅片制作，避免了化學(xué)機(jī)械平坦化和鍵合等工藝，簡化了工藝?？傮w而言，該全對(duì)稱三軸微加速度計(jì)設(shè)計(jì)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。

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