面外軸向檢測MEMS加速度計研究現(xiàn)狀*

馬智康，劉國文,2，李兆涵，劉福民，徐宇新

(1. 北京航天控制儀器研究所·北京·100039；2.浙江大學 航空航天學院·杭州·310027)

0 引 言

MEMS加速度計具有體積小、成本低、可靠性高、適合批量生產等優(yōu)點[1]，在航空航天、地震監(jiān)測、姿態(tài)辨識、畜牧養(yǎng)殖、智能醫(yī)療等多個領域中得到了廣泛應用。隨著近年來對無人機、無人駕駛汽車、無人艦船等載具的研究走向熱潮，大量微導航、微慣性系統(tǒng)對多種MEMS慣性儀表有著迫切需求。

面外軸向檢測MEMS加速度計(也稱為Z軸MEMS加速度計)是專用于儀表安裝平面外方向加速度測量的慣性儀表，也是發(fā)展單片三軸集成MEMS慣性器件的重要組成部分。這種設備無需垂直安裝，為系統(tǒng)的集成提供了極大的便利。但同時，由于Z軸MEMS加速度計敏感結構獨特的面外運動方式，在參與MEMS加速度計的單片三軸集成化時，需要考慮其與水平軸加速度計在性能、結構和制造工藝上的匹配，這也使得Z軸MEMS加速度計的發(fā)展面臨著挑戰(zhàn)。

近年來，國外科研機構，如佐治亞理工學院、得克薩斯大學阿靈頓分校、哈利法科技大學等提出了采用參數(shù)優(yōu)化、參數(shù)解耦等方式提升Z軸MEMS加速度計靈敏度[2-5]。日立公司等研究機構提出了通過敏感結構優(yōu)化的方式提升Z軸MEMS加速度計的噪聲性能[6]。另外，中東技術大學、東京工業(yè)大學、上海微系統(tǒng)研究所等科研機構以及研究人員基于市場對三軸MEMS加速度計的需求，開展了Z軸MEMS加速度計三軸集成化以及制造工藝可定制化的研究[7-9]。

本文介紹了Z軸MEMS加速度計的典型結構和工作原理，根據(jù)Z軸MEMS加速度計的研究現(xiàn)狀，總結并探討了提升Z軸MEMS加速度計性能指標以及實現(xiàn)單片三軸集成化的方案，并在此基礎上提出了Z軸MEMS加速度計未來的發(fā)展趨勢。

1 Z軸MEMS加速度計的工作原理及典型結構

采用差分電容檢測原理的Z軸MEMS加速度計的敏感結構主要由可動質量塊、彈性梁以及檢測電極構成。檢測電容的初始值為C0。當外界加速度輸入時，可動質量塊與檢測電極的間距發(fā)生變化，一側間距增大，檢測電容變化為C0-ΔC，另一側間距減小，檢測電容變化為C0+ΔC，形成一對差分電容。差分電容的檢測能夠反映加速度的大小[10]。

常用Z軸MEMS加速度計的典型結構包括“三明治”式結構(圖1)和扭擺式(蹺蹺板式)結構(圖2)。這兩種加速度計結構簡單，均利用差分電容檢測原理進行工作?！叭髦巍苯Y構可以實現(xiàn)精度較高、封閉性較好的加速度計[11]，但其工藝流程涉及雙面對準光刻工藝[12]和體硅濕法腐蝕工藝，工藝相對復雜；扭擺式加速度計采用單面干法刻蝕工藝，與水平軸梳齒電容式加速度計工藝相兼容，適合參與加速度計的單片三軸集成。

圖1 “三明治”式加速度計原理圖

圖2 扭擺式加速度計原理圖

2 Z軸MEMS加速度計的研究現(xiàn)狀

近年來，國內外科研人員針對Z軸MEMS加速度計的多個性能指標進行了研究和提升，對一些新結構、新工藝進行了驗證，并且根據(jù)未來發(fā)展趨勢提出了多種Z軸加速度計的單片三軸集成方案。表1列出了近年來部分科研機構對Z軸MEMS電容式加速度計的改進措施，表2則總結了近年來部分科研機構提出的Z軸MEMS電容式加速度計的三軸集成化方案。

表1 近年來部分科研機構對Z軸MEMS電容式加速度計的改進措施

表2 近年來部分科研機構提出的Z軸MEMS電容式加速度計的三軸集成化方案

(1)通過調節(jié)檢測質量塊的面積、厚度、質量、檢測間隙以及梁結構彈性剛度等多種結構設計參數(shù)，以及設計參數(shù)的組合優(yōu)化方式，可提高Z軸加速度計的機械靈敏度。

(2)通過采用空氣顆粒作用力更小的檢測質量塊通孔布局，進行真空封裝，采用高密度材料制造檢測質量塊等方式，可降低Z軸MEMS加速度計的機械噪聲。

(3)多層組合工藝、3D打印等新工藝的涌現(xiàn)，賦予Z軸MEMS加速度計更高的設計靈活性：通過多層UV-LIGA工藝制造不同厚度的檢測質量塊與彈性梁，使得彈性梁剛度擺脫了檢測質量塊質量大小的束縛；通過3D打印制造面外方向折疊的彈性梁，為敏感結構提供了更加靈活的面外運動模態(tài)。

(4)實現(xiàn)MEMS加速度計的單片三軸集成逐漸成為了開展Z軸加速度計研究的目的之一，前文多個研究機構通過對分立式單片三軸集成、單質量塊單片三軸集成方式的驗證，為扭擺式結構、“三明治”式結構的Z軸加速度計提出了多種可行的三軸集成思路。

2.1 機械靈敏度的提升

(a)“鉸鏈式”加速度計顯微照片

2017年，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所的LI W等[13]提出了一種對稱雙面折疊梁結構的新型Z軸MEMS加速度計。如圖4所示，該加速度計采用“三明治”結構，檢測質量塊對稱連接8條具有高度一致性的折疊梁。梁結構通過硅晶圓兩側進行的深反應離子刻蝕和KOH濕法腐蝕工藝實現(xiàn)。通過調節(jié)折疊梁的厚度，便能改變儀表的靈敏度，而無需對制造工藝進行更改。這一結構顯著降低了加速度計的交叉軸靈敏度，使得加速度計獲得了較高的性能。該加速度計的諧振頻率為1.3kHz，品質因數(shù)為10，閉環(huán)整表標度因數(shù)為1.0V/g。在1g范圍內，非線性度為0.05%。該加速度計的零偏穩(wěn)定性為0.2mg。

(a) 雙面對稱折疊梁MEMS加速度計的截面示意圖

2017年，得克薩斯大學阿靈頓分校的MAHMOOD M S、CELIK-BUTLER Z等[3-4]設計了一種新型Z軸MEMS電容加速度計。該加速度計采用多層UV-LIGA工藝，在柔性聚酰亞胺基板上設計制造，能夠承受低至2cm曲率半徑的彎曲，具有出色的靈敏度和噪聲特性。加速度計的質量塊由兩層電鍍鎳制成，第一層鎳的厚度為3μm，構成質量塊的第一層和彈性梁；第二層厚度為5μm的金屬鎳電鍍在質量塊的第一層上，并將其厚度加厚到8μm，如圖5(a)所示。利用彈性梁與質量塊的不同厚度，可以使梁的彈性剛度與檢測質量解耦，從而實現(xiàn)更高的機械靈敏度。根據(jù)敏感質量塊的不同規(guī)格，制造了3只加速度計，如圖5(b)所示。其中，最大的質量塊面積為960μm×960μm，量程為±4g，諧振頻率為800Hz，檢測電容靈敏度為187fF/g，信噪比(Signal-NoiseRatio, SNR)為100以上，可分辨的最小加速度變化為10mg。

(a) 柔性Z軸加速度計的彈性梁與質量塊

2018年，哈利法科技大學的MOHAMMED Z等[5]提出了一種高動態(tài)范圍的混合梁Z軸MEMS電容式加速度計。這種加速度計采用扭擺式結構，扭轉梁兩側的質量不平衡，如圖6(a)所示。在感應Z軸加速度變化時，檢測質量塊發(fā)生了旋轉，與頂部固定電極之間形成了差動電容變化。除了常規(guī)矩形截面扭轉梁外，加速度計通過一對互補對稱的蛇形扭轉梁限制了高量級加速度輸入時質量塊的位移，如圖6(b)所示。這一結構有效提高了器件的動態(tài)范圍、抗吸合電壓以及抗沖擊特性，使得檢測電容的初始間隙能夠減小至2μm，實現(xiàn)了更高的檢測靈敏度。測試結果表明，該加速度計的靜態(tài)初始電容為8.02pF，吸合電壓為9V。加速度計檢測電容靈敏度為12fF/g。

(a) Z軸混合梁式MEMS電容式加速度計示意圖

2.2 噪聲性能的優(yōu)化

(a) 兩步通孔加速度計結構截面圖

除了追求性能指標的提升，實現(xiàn)MEMS加速度計的單片三軸集成，也是Z軸MEMS加速度計的另一個研究熱點，國內外多個科研機構和研究人員提出了多種Z軸MEMS加速度計單片三軸集成方案。

2.3 單片三軸集成方案驗證

(a) 三軸電容式加速度計示意圖

(a) 三軸CMOS-MEMS加速度計的裸片照片

(a)三軸加速度計的示意圖

2.4 單片三軸集成高可定制化工藝研究

2018年，ZEGA V和CREDI C等[15]提出了將3D打印技術和濕法金屬化工藝進行了結合的Z軸差分電容加速度計。在3D打印的加速度計結構上沉積了金屬層，實現(xiàn)了器件的電學連接，檢測質量塊與上下方的檢測極板構成了一對差分檢測電容。本文提出的三款Z軸加速度計分別采用常規(guī)彈性梁(圖11(b))、水平折疊梁(圖11(c))以及對角線折疊梁(圖11(d))結構。基于3D打印技術的高度靈活性，兩種折疊梁均沿Z軸方向折疊。

(a)3D打印Z軸加速度計;(b)常規(guī)彈性梁;(c)水平折疊梁;(d)對角線折疊梁

(a) 采用金質量塊的3-D平行板MEMS加速度計示意圖

3 Z軸MEMS加速度計的發(fā)展趨勢

在Z軸MEMS加速度計的發(fā)展過程中，性能指標的不斷提升，是Z軸MEMS加速度計研究始終追求的目標。此外，隨著系統(tǒng)微型化和集成化的發(fā)展需求，Z軸加速度計加工工藝的定制化和單片三軸集成化也逐漸成為了研究的熱點。其主要發(fā)展趨勢如下所述。

3.1 機械靈敏度的提升

由于Z軸MEMS加速度計的敏感結構在面外方向上的運動空間有限，其機械靈敏度的提升，與其抗沖擊、抗吸合能力幾乎是對立的矛盾。因此，Z軸MEMS電容式加速度計的發(fā)展也是其機械靈敏度和抗沖擊、抗吸合能力權衡取優(yōu)的過程。未來，為提升Z軸MEMS電容式加速度計的機械靈敏度可能采取的手段包括：制造亞微米級檢測間隙，實現(xiàn)關鍵參數(shù)解耦，以及采用多路差分電容檢測機制。

(1)制造亞微米級檢測間隙：采用亞微米級檢測間隙能夠增加初始檢測電容，提升電容式加速度計的靈敏度。亞微米級檢測間隙的制造對工藝技術有著更高的要求，也會相應提高儀表的制造成本。

(2)關鍵參數(shù)解耦：通過敏感結構優(yōu)化，設計、制造高度三維化的敏感結構，使得彈性梁在面外方向的工作模態(tài)更加獨立，檢測質量厚度與彈性梁剛度解耦。此外，通過三維化的加工工藝，還能夠制造面外方向上的止擋結構，降低檢測間隙對彈性梁剛度的限制，以在其他方面性能犧牲較小的同時提升靈敏度。

(3)多路差分電容檢測機制：Z軸MEMS電容式加速度計常采用的扭擺式結構、“三明治”結構都具有差分電容檢測機制，能夠增加檢測電容變化量，提升儀表的靈敏度，并且降低共模干擾對儀表性能的影響。但是，這兩種結構通常具有大型敏感質量塊，這使得檢測極板面積與敏感結構的扭轉力矩耦合較大。采用多質量塊多路差分的機制能夠加強儀表對共模干擾的抑制作用，并且使得敏感結構的扭轉力矩與檢測極板面積相對獨立。

3.2 電容式加速度計的噪聲優(yōu)化

Z軸MEMS電容式加速度計輸出噪聲的主要來源是布朗噪聲[8](又稱熱機械噪聲)，熱機械噪聲主要由極板間空氣微粒的無規(guī)則運動引起。由于Z軸MEMS電容式加速度計的結構，通常采用變間隙式電容對其進行檢測，空氣阻尼的主要形式是壓膜阻尼，因此其布朗噪聲較大[17]，這會對加速度計的分辨率、閾值等性能產生影響。降低布朗噪聲的方式通常包括增加檢測質量，敏感結構流體力學布局優(yōu)化，以及真空封裝。

(1)增加敏感質量：布朗噪聲與檢測質量塊的質量呈負相關，增加檢測質量塊的面積或厚度能夠降低器件的布朗噪聲[6]，是MEMS加速度計噪聲優(yōu)化最簡便的方法。但過度增加檢測質量塊的面積或厚度會導致芯片面積增加，并可能給制造、設計帶來困難。采用高密度材料制造敏感結構能夠避免敏感結構過大的問題，同時使得全新材料的研究與應用成為未來的一個發(fā)展方向。

(2)敏感結構流體力學布局優(yōu)化：基于流體力學對Z軸MEMS加速度計敏感結構的布局進行優(yōu)化，進行低壓膜阻尼設計，通過合理布置通孔，降低空氣微粒施加在敏感結構上的作用力。當然，采用這一方法也會增加儀表設計的復雜度。

(3)采用真空封裝方式：真空封裝的方式能夠減少空氣微粒，降低空氣阻尼，從而降低器件的布朗噪聲。但是，真空封裝所需的封裝設備和吸氣劑會大大增加器件的制造成本，且真空封裝難以長時間維持，在封裝過程中可能還會引入額外的機械應力[4]，進而給器件的可靠性和精度帶來影響。

增加敏感質量的方式與另外兩種方式相比更為簡單、經濟、可靠，但隨著Z軸MEMS加速度計對性能指標要求的提高，敏感結構的面積卻不可能一味地增加。因此，使用高密度的材料，通過優(yōu)化結構的流體力學布局，降低同等芯片面積下的布朗噪聲，已成為未來Z軸MEMS加速度計噪聲性能優(yōu)化的一個方向。

3.3 加工工藝的定制化

伴隨著系統(tǒng)微型化和集成化的發(fā)展需求，MEMS的加工工藝需要滿足更為多樣、更為特殊的設計和制造需求。對于Z軸MEMS加速度計而言，通過3D打印等一些新工藝技術制造更加立體化的結構，例如面外方向的折疊梁等，可以使儀表的性能突破傳統(tǒng)加工工藝在2D(2.5D)技術上的局限，提升敏感結構的可定制性，為Z軸MEMS加速度計提高性能水平、滿足多樣化需求提供新的研究思路。然而，由于3D打印技術在微小檢測間隙、電極引線加工方面也存在著局限性[18-19]，單一的特定工藝不足以支撐多樣化、立體化的目標。MEMS加工工藝需要不斷延伸、創(chuàng)新、融合，逐步走向高靈活性、可定制化的道路。

3.4 三軸集成化

市場對MEMS加速度計單片三軸集成提出了明確的需求，常用的單片三軸集成化方式包括同時檢測三軸加速度的單質量塊結構方式以及三軸分立式的多質量塊結構方式。單質量塊結構方式雖然在儀表體積上更具優(yōu)勢，但其交叉軸靈敏度較大，產品精度的潛力不足。而三軸分立結構的各軸敏感結構相對獨立，能夠更好地解決軸間耦合的問題。為了開發(fā)三軸MEMS加速度計的潛能，針對Z軸MEMS加速度計的研究，不僅要繼續(xù)挖掘其性能指標，還需要考慮其三軸集成的可拓展性，為三軸分立式加速度計提供性能更優(yōu)、可選性更多的Z軸敏感結構設計方案。

4 結 論

當前，慣性儀表在軍事、工業(yè)、農業(yè)等多個領域中面臨的需求愈發(fā)迫切，Z軸MEMS加速度計作為一種體積小、功耗低、可靠性高的面外軸向檢測慣性儀表，受到了廣泛的關注和應用。本文介紹了近年來國內外研究機構和科研人員對Z軸MEMS加速度計設計參數(shù)解耦、結構布局優(yōu)化、工藝改進與創(chuàng)新等方面的研究進展。在此基礎上，總結了其性能提升、實現(xiàn)三軸集成化的一些方法，并提出了Z軸MEMS加速度計在今后研究過程中追求更高的機械靈敏度、更低的噪聲特性、更靈活的加工工藝、更優(yōu)的三軸集成方案的發(fā)展趨勢。