一种微加速度计设计与制造

1、A kind of design and manufacturing has MEMS piezoresistive accelerometer目录目录微加速度计微加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大大缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。微加速度计是惯性传统器件的代表，其理论基础是牛顿第二定律。微加速度计国内外现状及应用微加速度传感器的研究开始于70年初，是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。目前国外在微加速度传感器方面做的比较好的主要有：美国加州大学Berkley分校、德国Dresden大学、日本Toyohashi大学

2、，美国AD公司（ADXL50）等 1。我国在这 方面的研究起步比较晚，距离产业化还有很多路要走。 目前微机电加速度传感器的工作原理主要有压阻式、电容式、压电式、力平衡式、微机械热对流式和微机械谐振式等。微加速度计典型汽车用产品微加速度计典型汽车用产品1991年AD（Analog Devices）公司生产出的第一个商用多晶硅表面微机械电容式加速度计AXDL-50 1995年美国的AD公司生产制造了5g的低加速度值汽车用加速度计 九十年代初ADI的气囊微加速度计微加速度计发展趋势国内的相关研究还存在很多问题，有很多共性难题没有解决，如：(1) 微结构的振动质量比较小，产生的输出信号非常微弱，基本上

3、与机械噪声以及电噪声同数量级，因此弱电量检测以及噪声抑制成为提高加速度计性能的难题;(2) 微结构的迟滞和温漂是影响微加速度计精度的重要因素，如何改善结构减小迟滞效应，采取措施降低温漂的影响，是微加速度计实用化的重要课题;(3) 微加速度计存在明显的横向干扰，如何采用合理的结构实现结构在各方向解耦，并且通过合理布置检测单元，实现对横向干扰的抑制，也是研究的重要内容;(4) 除了基于半导体平面工艺的特殊结构电容式加速度计成本较低，利于批量生产外（例如AD 公司的微加速度计系列），其他原理的加速度计的制作成本相对较高，不利于批量生产;针对上述问题，国内外研究人员已经进行了充分的研究。采用相关双采样

4、接口电路能提高微弱信号的检测能力，降低电路噪声干扰。利用静电力平衡实现微加速度计的闭环控制，提高器件的动态性能，避免支撑梁发生大形变，降低传感器的迟滞和非线性影响，提高器件的可靠性。也有学者采用在线温度补偿技术，实现微加速度计温漂补偿。同时微机电系统技术的进步和工艺水平的提高，也给微加速度计的发展带来了新的机遇。通过了解国内外微加速度计的研究动态，分析其研究特点，总结出微加速度计以下几点发展趋势:(1) 高分辨率和大量程的微硅加速度计成为研究的重点。由于惯性质量块比较小，所以用来测量加速度和角速度的惯性力也相应比较小，系统的灵敏度相对较低，这样开发出高灵敏度的加速度计显得尤为重要。无论是民用还

5、是军事用途，精度高、量程大的微加速度计将会大大拓宽其运用范围。(2) 温漂小、迟滞效应小成为新的性能目标，选择合适的材料，采用合理的结构，以及应用新的低成本温度补偿环节，能够大幅度提高微加速度计的精度。(3) 多轴加速度计的开发成为新的方向。已经有文献报道开发出三轴微硅加速度计，但是其性能离实用还有一段距离，多轴加速度计的解耦是结构设计中的难点。(4) 将微加速度计表头和信号处理电路集成在单片基体上，也能够减小信号传输损耗，降低电路噪声，抑制电路寄生电容的干扰。(5) 选择合理的工艺手段，降低制作成本，为微加速度计批量化生产提供工艺路线;同时，标准化微机电系统工艺，为微加速度计投片生产提供一套

6、利于操作、重复性好的工艺方法，也是微硅加速度计发展的重要方向。微加速度计具有尺寸小、重量轻、成本低、易集成、功耗小等特点.量程.灵敏度：降低刚度，增加质量.动态范围：提高加速度计的固有频率，但这与提高灵敏度有矛盾.反应时间：提高固有频率微加速度计基本原理m加速度测量方向读出传感器壳体检测质量阻尼器弹簧质量块运动方程无阻尼固有频率阻尼比rrrmxcxkxma0km2cmk品质因子12Q拉氏变换得传递函数的幅值和相位分别为222200( )1( )( )()(/)rXHAQ01220tanQ 传递函数幅值由图可见，为提高灵敏度，需要降低固有频率。降低固有频率有两个方案：降低刚度或增大质量。在单位阶

7、跃加速度作用下的响应为00()10tatt其中由图可见，对于开环速度传感器，为提高速度，传感器应该有较大的阻尼比（即品质因子）。若采用反馈控制，相对位移基本被控在零位，可以采用小阻尼或大品质因子微加速度计的分类：.微型开环加速度计.微型闭环加速度计：.梳齿式微机电加速度计.“跷跷板”摆式微加速度计.“三明治”摆式微加速度计.静电悬浮式微加速度计按敏感信号方式：.微型电容式加速度计.微型压阻式加速度计.微型压电式加速度计.隧道电流式加速度计.热对流式微加速度计按敏感轴数量：.单轴微加速度计.双轴微加速度计.三轴微加速度计按加工方式：.微机械表面加工加速度计.微机械体加工加速度计压阻式微加速度计是

8、由悬臂梁和质量块以及布置在梁上的压阻组成，横梁和质量块常为硅材料。当悬臂梁发生变形时，其固定端一侧变形量最大，故压阻薄膜材料就被布置在悬臂梁固定端一侧（如图所示）。当有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的压阻膜也随之发生变形，其电阻值就会由于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压值发生变化，从而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。压阻式微加速度计原理图电阻半导体压阻效应为电阻率取得金属应变片（电阻率不随应变变化而变化）1 2RvR 应变灵敏度系数12（即（12）v）对晶体材料，电阻率与应变有关，定义压阻系数：1 表示单位应力电阻率的相位变

9、化，则应变灵敏度系数为112tEEv常用压阻材料：p+或n+多晶硅金属加速度传感器结构原理图一种压阻式微加速度计的原理如图所示，这种压阻式加速度计采用表面微机械加工工艺，利用电镀铜技术在传感器的惯性质量块区域形成铜质量块。其主体结构层为低应力氮化硅薄膜，在四个固支梁中间的质量块区域电镀了铜，形成质量块。四个氮化硅梁上分别集成有一个多晶硅压阻条，四个电阻构成惠斯通电桥。力学模型如图：固支梁结构物理模型考虑梁本身的质量远小于质量块的质量，结构可简化为弹簧质量块模型。根据力学相关理论，以左侧梁为例，梁上表面应力为12312xM aTxaxbh质量块处的位移为3132MS iNM awaEb h式中为

10、氮化硅杨氏模量计算的应力分布曲线如图所示。从图中可以看出梁上表面应力呈对称分布。梁根部和梁靠近质量块的部分应力最大，且符号相反。将压阻设计在应力最大的部位，可以获得最大的压阻输出。SiNE固支梁上表面的应力分布示意图加速度计灵敏度压阻式加速度计利用压阻效应输出电压信号。根据压阻效应的原理，施加在压阻条上的应力大小决定了压阻输出信号的大小直接计算多晶硅压阻条上的应力比较困难，而氮化硅梁上表面的应力分布已由上式给出，则可利用氮化硅梁上表面的应力来间接计算多晶硅的应力。多晶硅压阻条淀积与氮化硅薄膜上表面，二者具有相同的应变量，但由于多晶硅和氮化硅材料的杨氏模量不同，同样的应变产生的应力不同。考虑到杨

11、氏模量的差异，多晶硅压阻条上的应力可表示为式中因子为：SiSiNTT22Si11SiSiNSiNEvEv式中：为多晶硅杨氏模量；为多晶硅泊松比；为氮化硅杨氏模量；为氮化硅泊松比。另外，作为加速度计主体结构材料的氮化硅薄膜采用LPCVD的方法淀积而成。对于固支梁结构，薄膜的残余应力相当于给梁试驾了一个轴向力。轴向力增加了梁的等效刚度，增大的倍数可用因子表示：SiESivSiNESiNv20121 0.2949SiNT aEh 式中为轴向应力，这里取值为90MP。等效刚度的增大，使得在同样外加加速度情况下，质量块产生的位移减小为无轴向力时的，对应的梁根部弯曲应变也相应减小，最终导致压阻灵敏度减小为

12、无残余应力情况时的带入相应数据得到为8.405。0T11考虑到多晶硅横向压阻系数远小于纵向压阻系数。同时梁的宽度远小于长度，忽略梁形变中的横向效应，设压阻条长度为，综合以上两个因子的影响，加速度传感器的灵敏度表达式为ra1232LrMSaabh 经计算得到。在V供电情况下，加速度计的理论设计灵敏度为5.25/SV V g26.3/Vg自检测功能原理为实现静电自检测结构，在衬底硅上进行离子注入来掺入杂质磷，降低衬底的电阻率，使得衬底与电镀的铜质量块形成一对电极。如图所示，当在电极两端加直流电压时，由于电容电力的作用，使得质量块向衬底方向移动，导致压阻电桥输出电压产生变化。2022cAFVd自检测

13、功能原理图电容静电力的公式为式中：A为铜质量块面积；为真空介电常数；d为质量块到衬底的距离。0自检测功能可用于快速检测器件好坏；在器件芯片大规模生产中，能够实现在线测试来显著降低制造中的测试成本，提高测试效率。在实际器件应用中，也为快速故障检测提供了一个快捷简便的测试手段。该芯片采用普通四寸双抛硅片为基底材料，利用LPCVD沉积作为牺牲层，在沉积低应力氮化硅作为器件为机械结构材料，然后通过离子注入，RIE刻蚀，金属溅射以及电镀等工艺在器件上形成压阻电桥和质量块。整个流程均采用表面微机械加工技术，与集成电路制造工艺可以很好的兼容。利用深腐蚀工艺制作盖板片，最后利用BCB(benzocyclobu

14、tcne)键合工艺将盖板片与正片对准键合，保护可动部件不被破坏。具体实现的工艺流程如图所示。2/()SiOPSG phosphoroussiliconglass工艺流程图(1)首先在450um的双抛硅片上进行磷离子注入，形成衬底电极。接着氧化一层0.1um厚德二氧化硅，然后利用LPCVD工艺在二氧化硅层上沉积一层0.3um厚的低应力氮化硅作为隔离层。接下来淀积um的LTO(low temperatere oxide)作为牺牲层。在LTO层上利用RIE进行刻蚀，形成腐蚀孔。同时由于质量块区域面积较大，为防止后面形成的氮化硅薄膜出现坍塌，还要在适当的位置刻出略小于腐蚀孔的空洞，以便形成氮化硅立柱支

15、撑薄膜结构。接着淀积0.25um的PSG覆盖LTO牺牲层，由于可是孔位置的LTO已被上一步的RIE刻蚀掉，所以刻蚀孔处只淀积了0.25um的PSG，这就为后面释放LTO牺牲层留出了腐蚀通道。同时还要利用RIE工艺将预留的支撑立柱位置处的PSG刻蚀掉。接下来LPCVD沉积1.2um厚德低应力氮化硅薄膜形成传感器立体结构。再沉积一层0.4um的多晶硅层，对其进行离子注入掺入杂质硼。然后刻出电阻条，形成的方块电阻大约90欧姆。(2)利用RIE工艺，在结构上刻开刻蚀孔，然后用百分子四十的氢氟酸溶液腐蚀掉结构下面的牺牲层。接着淀积1.4um厚德TEOS(tetrethylorthosilicate)堵住

16、腐蚀孔，防止释放后的薄膜结构在后续工艺中被破坏。在沉积一层0.1um的低应力氮化硅作为钝化层。接着刻蚀引线孔，溅射1.2um的金属铝，刻出铝引线，连接电阻形成惠斯通桥。同时铝线分别连接到衬底和铜质量块，形成自检测电极的输入端(3)在整片上溅射0.15um钛钨/铜作为种子层，利用光刻胶做掩膜进行电镀，在结构的惯性质量区域电镀um厚德铜做质量块。由于光刻胶的保护，腐蚀孔和支撑立柱处没有电镀铜，以便于结构释放。然后利用稀硫酸双氧水溶液和纯双氧水溶液分别去除种子层的铜和钛钨。最后喷胶m作为掩膜，利用RIE工艺释放结构。(4)由于在后续划片工艺中，传感器的可动部件很容易受到损伤，因此划片前要对传感器的可动部件进行保护。利用BCB键合工艺，将同样大小的盖板片与正片进行键合，形成加速度传感器的预封装。右图显示的是加速度计完整的扫描电镜照片(剥除盖板后)。如图中所示，多晶硅压阻做成折叠形状，有效增加了电阻长度，降低了电桥的直流功耗。加速度计电镜照片本材料介