硅微加速度计调研报告

I.近十年硅微电容式加速度计发展综述I.1.概述 MEMS加速度计具有非常广泛的应用，由于其批量制造低成本的特性，在过去的若干年广泛应用于消费电子市场，取得了巨大的成功。然而MEMS加速度计的发展并不止步于此，新的研究成果不断出现，使人们相信MEMS加速度计不仅能在其擅长的小型化低成本低功耗方向更进一步，而且还具有冲击中高性能应用的潜力。 MEMS电容式加速度计主要有两种实现形式，一种是面内检测(In-plane)，另外一种是面外检测(Out-of-plane)，也就是z轴敏感的加速度计。而两者对比见下表所示： 同时在04年以前的工作中，硅微加速度计的精度在不断提高，同时面内和面外敏感的加速度计由于其各有特点，应用目标也不尽相同，因此都取得了很大的进步。下图为04年前电容式加速度计的发展趋势，可以看出面外传感的加速度计在性能上相对面内传感的结构有优势。同时加速度计的性能也在按照类似摩尔定律的规律提升。 从05年到15年，硅微电容式加速度计又经历了一段发展时期，展现出了两条相对独立的发展路线，逐渐诞生了一些产品可以适用于高端应用领域。同时也在低成本方面有了进一步的突破。I.2.主要团队成果介绍A.Colibrys 结构简介：其目标定位实现一系列高性能MEMS加速度计，可能用于飞行器航姿稳定系统以及更严格的空间应用。因此采用了面外敏感（z轴敏感）的原理来实现高精度加速度计。该公司代表性产品RS9000系列采用了一种三层硅的结构，如下图所示： 每层硅片采用DRIE（深反应离子刻蚀）技术实现了非常厚的检测质量，从而降低了结构的布朗噪声。提高了分辨率。 该三层结构中，顶层和底层为固定电极。中间层为检测质量和支撑系统，同时三层硅通过一种SiliconFusionBonding（SFB）的键合技术连接在一起，保证了不同硅片之间的平衡性，同时也可以实现一个密封的腔体，从而能够控制结构所处环境的气体阻尼。 最新动态：在这个基础上，colibrys2012年发表的文章介绍了一款导航级Sigma-DeltaMEMS加速度计。该加速度计接口部分使用前放和ADC，其余电路全部在数字中完成。同时，采用闭环结构，降低了结构等效噪声和量化噪声，同时提高了结构的线性度，保证了振动环境下的性能。 在这些技术的支持下，该样机在温度（300ug残留），噪声（2ug/rt(Hz)），振动性能(10ug/g2)上均表现出优异的性能，其性能参数如下表所示： 在这个基础上，Colibrys在2014年展示了一个针对严峻环境下工作的加速度计。该加速度计使用开环原理工作，并且配合新的芯片粘贴技术，使其具有超高的鲁棒性，同时采用电荷平衡技术的读出电路，使其仍然能够保持足够好的性能。 该系列加速度计能够工作在超高辐射（150MeVXeionsatfluenceof106Ions/cm2）和高温度下（175℃），并且能够抵抗10000g的冲击，满足了工业应用和空间应用。该系列加速度计实现了0.6ppmFs/rt(Hz)的分辨率，略低于其高性能闭环样机（≈0.1ppmFs/rt(Hz)）。 总之，Colibrys公司在保持加速度计性能的同时，关注其综合稳定性和环境适应性，已经走出实验室，推出了若干高性能的加速度计产品，其加速度计在若干领域成功替代了传统的方案。 参考文献：[1]2010HighPerformanceInertialNavigationGradeSigma-DeltaMEMSAccelerometer[2]2010RS9000,aNovelMEMSAccelerometerFamilyforMil/AerospaceandSafetyCriticalApplications[3]2012BreakthroughinHighPerformanceInertialNavigationGradeSigma-DeltaMEMSAccelerometer[4]2014NewgenerationofHighPerformance/HighreliabilityMEMSaccelerometersforharshEnvironmentB.FarrokhAyazi@GeorgiaInstituteofTechnology Ayazi团队在04年后，也发表了若干加速度计样机，并且具有其特点。该团队主要研发in-plane（面内运动）形式的MEMS加速度计。并且将其性能提高至与体微加工工艺相近的水平。 工作1：其第一代加速度计结构如下图所示，采用40um厚的SOI工艺，为了降低加速度计的布朗噪声，其检测质量上去掉了排孔，而该方式带来的缺陷通过干法释放的方式来解决。 电路方面，该工作改进了传统的开环Sigma-Delta检测方式，通过引入一个隔离前端放大器，将积分器与检测电容隔开，避免其相互影响，增强了系统的稳定性。同时，该工作将结构和电路集成在一块硅片上，展示出了表面工艺与IC易集成的优势，具有低成本的潜力。 工作二：其第二代样机大幅改进了工艺，同时也采用了闭环Sigma-Delta的检测方式，性能有了进一步的提高。新结构如下图所示： 为了进一步提高性能，降低布朗噪声，提高机械灵敏度。该团队从两个方面进行了改进，首先是采取low-pressurechemicalvapor-deposited(LPCVD低压化学气相沉积)技术，在原有基础上减小电容间隙，从而提高灵敏度。其次，在结构释放过程中，刻意保留较厚的基底硅层，来增强检测质量的厚度，从而降低布朗噪声，而这也会最终反应在加速度计性能的提升上。其工艺简略流程如下： 其电路也采用了闭环的Sigma-Delta力平衡系统，增强了线性性和分辨率。第一第二代结构的对比也能很清楚的反映出新技术对性能的改善：（a）第一代样机结构性能（b）第二代样机结构性能 通过采用新的技术，检测质量的有效厚度从40um提高到120um，检测质量也从1.2mg提升到5mg。在此结构的基础上，其制作的样机性能如下： 在±1g的量程中实现了2-8ug闭环零偏稳定性（12小时测量）。 工作三：MicrogravityCapacitiveHARPSSAccelerometer 06年，Ayazi又提出了一种新的方式，来降低结构机械噪声。该方式不同于之前的增加质量块的方式，而是从减小气体阻尼入手。该团队设计了一种面内的加速度计，带有起皱的检测电极（corrugatedelectrode），如下图所示。 这种结构缓解了传统平板电容运动时压缩气体产生的阻尼，从而降低了机械布朗噪声，缓解了对刻蚀和真空封装的需求，降低了器件成本。该结构在保证其余主要性能参数的前提下，最终实现了0.67ug/rt(Hz)的机械等效加速度噪声（BNEA）。 总之，Ayazi的团队致力于提高面内检测加速度计的性能，通过增加间隙电容（ReducedCapacitiveGaps），增加检测质量（ExtraSeismicMass），降低阻尼（corrugatedelectrode）等方面入手，对面内加速度计性能提升做出了贡献。 参考文献：[1]2004A2.5-V14-bitSigma-DeltaCMOSSOICapacitiveAccelerometer[2]2005Micro-gravitycapacitivesilicon-on-insulatoraccelerometers[3]2006A4.5-mWClosed-LoopSigma-DeltaMicro-GravityCMOSSOIAccelerometer[4]2006DesignOptimizationandImplementationofaMicrogravityCapacitiveHARPSSAccelerometer[5]2007Sub-Micro-GravityIn-PlaneAccelerometersWithReducedCapacitiveGapsandExtraSeismicMass[6]2010USPatent,No.US7,757,393B2C.KhalilNajafi@UniversityofMichigan KhalilNajafi团队主要提出了一种检测质量分离的三轴加速度计解决方案，使用一种表面和体工艺组合的工艺方式（非常复杂的工艺，增加了成本），实现了475um检测质量厚度，在三个敏感轴均实现了很高的性能。其结构原理图如下所示： 该结构采用七层掩膜版和双面工艺，成本极高，同时由于该结构是双面结构（doublesided），其封装成本也较高。但是该设计三个轴向的性能均达到了在±0.3g的量程范围内，实现了<2ug/rt(Hz)的性能。 参考文献：[1]1998MicromachinedInertialSensors[2]2004AnIn-PlaneHigh-Sensitivity,Low-NoiseMicro-gSiliconAccelerometerwithCMOSReadoutCircuitry[3]2005AMonolithicThree-AxisMicro-gMicromachinedSiliconCapacitiveAccelerometerD.KariHalonen@HelsinkiUniversityofTechnology 工作一：单片MEMS三轴加速度计 Halonen的团队出身于ADC，转而开始设计电容式加速度计，其07年发表的三轴加速度计瞄准消费电子领域，在小体积，低功耗方向有所突破。其加速度计结构如下图所示： 该加速度计使用四块对称的检测单元，每一个单独的质量块可以绕其锚点扭转，而通过质心位置和锚点位置的合理选择，使得检测质量会敏感两个方向的输入加速度，通过线性解算，从而得到每一个单独轴向的加速度。 此外，在该工作中，IC芯片和MEMS芯片相对独立，通过bondingwire连接在一起，在IC芯片中，集成了频率发生器，基准源。同时提供了两种工作模式，超低功耗模式和中等性能模式，使系统能够重构，从而应用在更广泛的领域。 其09年的测试结果显示，其样机在±4g的测量范围内实现了每一轴向低于360ug/rt(Hz)的分辨率，在三轴解决方案中，性能优异。 同时，相比于Najafi团队的设计，它工艺更为简单，同时实现了更好的性能。 工作二：高性能单轴加速度计 在单轴加速度计方面，Halonen的团队提出了一种开环-闭环混合（Hybrid）检测方式，使其具有开环闭环共同的有点，其结构如下所示： 在该工作中，使用了SBB（自平衡桥）补偿查分电容的失配，并且通过AC力反馈技术，使系统在使用一个高Q（>700）结构的情况下仍然保持稳定，从而实现低噪声。在这些技术的支持下，通过引线键合将MEMS和IC集成组成样机，实现了较高的性能，其测试结果如下： 其测试结果显示，样机实现了13ug零偏稳定性和2ug/rt(Hz)的分辨率，同时样机的量程也达到了±1.15g。其综合性能如下表所示： 总之Helonen团队重心放在电路上进行改进，在各种开关电容检测电路上做出了贡献。参考文献：[1]2004AdvancedMicrosystemsAutomotiveApplications[2]2011AChargeBalancingAccelerometerInterfacewithElectrostaticDamping[3]2008A1.5μW1V2nd-OrderDSSensorFront-EndwithSignalBoostingandOffsetCompensationforaCapacitive3-AxisMicro-Accelerometer[4]2008A21.2μASDBasedInterfaceASICforaCapacitive3-AxisMicro-Accelerometer[5]2007A62μAInterfaceASICforaCapacitive3-AxisMicro-Accelerometer[6]2007AMicropowerInterfaceASICforaCapacitive3-AxisMicro-Accelerometer[7]2009AMicropowerSDBasedInterfaceASICforaCapacitive3-AxisMicro-Accelerometer[8]2012AHigh-ResolutionAccelerometerWithElectrostaticDampingandImprovedSupplySensitivityE.AndreiShkel@UCI(UniversityofCaliforniaIrvine) Shkel的团队在05年至08年间，发表了一系列法布里-珀罗（Fabry–Pe´rot）光干涉原理的微加速度计。这种光学加速度计具有带宽大，分辨率高，抗振动的特性，具有一定的应用前景，同时可能应用在全光路的系统中。 使用MEMS工艺制成双层结构，下方为基底，上方为检测质量，当有加速度输入时（沿着z轴方向）。检测质量和基底的间隙会发生改变，通过光学原理检测间隙从而得到加速度输入。 结构需要靠一个宽带的光源作为输入，而该光源通过检测质量和基底形成的间隙时，发生干涉，具有特定波长的光谱分量会发生干涉，从而在输出可以检测到该波长的分量。当外加加速度输入时，机械间隙发生改变，从而输出能探测到的光波长也会改变，通过检测该波长，可以得到输入加速度。 经过测试，该样机可以实现±0.1g的量程下，3ug/rt(Hz)的分辨率，或者在±0.8g的量程下实现，330ug/rt(Hz)的分别率。同时达到了2kHz的带宽。但是由于其非线性的特点，结构仍然需要向差分方向改进。但是可以看出这种结构在性能上的潜力。 总之，光学微加速度计在性能方面表现出极强的潜力，但是由于其检测手段无法与集成电路兼容，极大地限制了其应用。参考文献：[1]2005Conceptualdesignandpreliminarycharacterizationofserialarraysystemofhigh-resolutionMEMSaccelerometerswithembeddedopticaldetection[2]2005DesigningMicromachinedAccelerometerswithInterferometricDetection[3]2006PerformanceTrade-offsofanInterferometricMicro-gResolutionAccelerometer[4]2008Theeffectofsqueezefilmconstrictiononbandwidthimprovementininterferometricaccelerometers[5]2007DesignandDemonstrationofaBulkMicromachinedFabry–Pérotug-ResolutionAccelerometerF.OthersforConsumerElectronics WeileunFeng@NationalTsinghuaUniversity 台湾国立大学的WeileunFeng团队致力于在标准CMOS工艺下制作三轴加速度计，这将极大地降低单片成本，应用于消费电子领域。 由于前面所述三轴加速度计设计了多质量块，虽然可以有效减小轴之间的耦合，但是消耗了更大的芯片面积，也就是增加了成本。因此他们提出了一种单质量块的结构，可以最大化缩减芯片面积。如下图所示： 由于采用CMOS工艺，因此质量块需要排孔，同时厚度也非常有限，可以预见这种方式制成的加速度计不会具有较高的分辨率。但是为了在有限的条件下最大化收益，他们利用了多层金属堆叠形成较大的面内间隙电容，从而提升灵敏度。 在流片完成样机后进行测试，他们的机械结构在±1g的测量范围内实现了360ug/rt(Hz)的性能，但是与IC联合测试结果显示，其最新的加速度计样机可以达到每轴不高于2.5mg/rt(Hz)的分辨率，仍然有提升空间。参考文献：[1]2007OnthesensitivityimprovementofCMOScapacitiveaccelerometer[2]2010ImplementationofaMonolithicSingleProof-MassTri-AxisAccelerometerUsingCMOS-MEMSTechnique[3]2012AThree-AxisCMOS-MEMSAccelerometerStructureWithVerticallyIntegratedFullyDifferentialSensingElectrodes R.T.Howe@StanfordUniversity 为了进一步降低成本，适应消费电子市场的需求，Howe的团队提出了用打印的方式制作加速度计，它在塑料基底上进行打印，相比于MEMS和IC工艺，省去了昂贵的掩膜版，其成本会进一步降低。参考文献：[4]2011AREEL-TO-REELCOMPATIBLEPRINTEDACCELEROMETER TokyoInstituteofTechnology 日本TIT团队研制了一种电容加速度计阵列，通过一系列带有不同质量块的加速度计组合测量来实现较宽范围的测量，并且保证一定的分辨率。参考文献：[5]2013ANARRAYEDMEMSACCELEROMETERWITHAWIDERANGEOFDETECTIONI.3.总结 近十年来，硅微电容式加速度计的发展主要强调高性能和低成本两个方面。在提升性能方面，采用各种技术增大检测质量，减小电容间隙，降低气体阻尼是可行的途径。而在这些过程中也会出现一系列问题，需要采用特定的技术去解决。 而在降低成本方面，三轴单片集成，CMOS工艺是发展趋势，而在这两个大原则下，如何进一步提升传感器性能也是研究热点。 主要团队成果对比如下表所示：A3A4B1B2B3C3D6D8F3fullscale(g)151-10010.31141.151Resolution(ug/rt(Hz))21540.951.666022100Instablity(ug)1813Bandwidth(Hz)300500-2000100500500100100200powercomsumption(mW)1001064.5120.13.6note3axis3axis3axisYear121404050605071212 注释：橙色标记为out-of-plane加速度计，白色为in-plane加速度计。 A:Colibrys B:GeorgiaInstituteofTechnology C:UniversityofMichigan D:HelsinkiUniversityofTechnology F:NationalTsinghuaUniversityII.近十年硅微谐振式加速度计发展综述I.1.概述 硅微谐振式加速度计相比于电容式加速度计具有两大优点，由于它是频率调制，因此其量程不会取决于机械振幅或是电路摆幅度，可能实现较大量程。其次，频率调制也意味着输出信号是一种准数字化信号，不需要复杂的A-D转换模块就可以实现数字输出。I.2.主要团队成果介绍A.Draper 05年Draper发表文章介绍了其高性能硅微谐振式加速度计，设计了两种结构相同参数不同的加速度计结构，目标分别瞄准船用导航（SIN）和战术导弹（MissileGuidance）的领域。同时采用器件级真空封装，实现高达100000的Q值。 同时，经过测试，MissileGuidanceSOA达到了±100g的量程和0.5ug的ALLAN方差零偏不稳定度。而SINSSOA实现了±2g量程和低达0.08ug的零偏不稳定度。 同时draper还针对SINSSOA测试了其长时间稳定性，结果显示它的标度因数漂移约为0.1ppm/day，零偏漂移约0.064ug/day。表现出很强的长期稳定性。 Draper的SOA面向军用，其性能在05年已经达到很高的水平。参考文献：[1]2005TheSiliconOscillatingAccelerometer:AHigh-PerformanceMEMSAccelerometerforPrecisionNavigationandStrategicGuidanceApplicationsB.PolitecnicodiMilano,Italy 意大利米兰理工学院的团队研究方向为硅微谐振式加速度计在消费电子方面的应用。因此他们着重改进系统功耗，成本等方面的问题。下图为该团队设计的MEMS加速度计结构。它采用平板电容作为执行器和检测单元，实现了很大的接口电容。但是由于这种结构会受制于静电负刚度效应（Amplitude-StiffeningEffect），偏置电压的噪声对谐振噪声有较大影响。 同时，该团队将MEMS谐振器嵌入皮尔斯振荡器中，并且应用了一种工作在亚阈值区的对MOS管来实现幅度检测和限制，使机械结构振幅控制在线性的范围内。在这种设计下，该加速度计实现了21.6uW的功耗，并且还保持了360ug/rt(Hz)的分辨率。为MEMS加速度计在生物，健康监测领域的应用提供了一定的可能性。 然而，这种实现方式较难在单一硅片上实现三轴加速度计，这也限制了它在消费电子领域的应用。参考文献：[1]2010AResonantMicroaccelerometerWithHighSensitivityOperatinginanOscillatingCircuit[2]2012MechanicalandElectronicAmplitude-LimitingTechniquesinaMEMSResonantAccelerometer[3]2012APierceOscillatorforMEMSResonantAccelerometerwithanovelLow-PowerAmplitudeLimitingTechniqueC.AndreiShkel@UCI(UniversityofCaliforniaIrvine) 不同于传统的质量块和谐振器独立的解决方案，UCI的团队提出了一种质量块振荡的加速度计，而加速度输入轴和谐振器振动轴分别为该刚度阻尼系统相向和反向运动的两个自由度。其原理图如下所示: 该结构有着350000的品质因数，在30°C和75°C之间的时，加速度计显示小于0.5%的标度因数变化，加速度计零偏不稳定度6ug@20sec，对于20g线性的输入，动态范围范围可达到130db。 该谐振器的反相模式的设计具有较小的能量耗散，实现较高的Q值。相比之下，同相振动具有低Q值，为了使加速度检测方向具有合理的带宽。同时，该设计还设置了可以调节静电负刚度的电极，令该样机可以在后续测试中调节其标度因数等特性。 热补偿所提出的方法利用的差分设计，这两个振荡器具有相同的灵敏度，但是反向敏感外部加速度。单晶硅频率对温度的依赖性有一个众所周知的线性关系，所以可以直接自感应的温度。在这种方法中，调频加速度计提供了一个准数字测量的输入加速度，以及直接测量的加速度计温度。该传感器成为自己的温度计，消除热滞后。不同偏置电压下的±1g线性度 从上图的测试结果中可以看出，在6个小时的连续测量中，加速度计1和加速度计2的漂移曲线非常重合，两者相减后温度残余极小，可能得益于其谐振结构尺寸较大，因此对称性比较容易满足。但是该文章推出的自补偿技术，实际与左右谐振器乘系数相减并无区别，这种特性在所有差分谐振式加速度计中都具备。 另外这种结构的优缺点仍然需要进一步发掘，同时需要密切关注该组的动向，关注其未来相对成熟的样机所能实现的性能。参考文献：[1]2013SILICONACCELEROMETERWITHDIFFERENTIALFREQUENCYMODULATIONANDCONTINUOUSSELF-CALIBRATION[2]2015HighQualityFactorResonantMEMSAccelerometerWithContinuousThermalCompensationD.NationalSeoulUniversity 韩国首尔国立大学在21世纪初期做了大量有关于硅微谐振式加速度计的工作。最具代表性的就是它不仅实现了传统的面内敏感的谐振式加速度计，同时也提出了一种z轴敏感的谐振式加速度计。虽然这种z轴敏感的加速度计并不是一个传统意义上的应力计式加速度计，反而更像一种电容式加速度计。其面内和面外的加速度计原理如下图所示：（a）面内加速度计方案（b）面外加速度计方案 该结构有两种模态构成，包含垂直运动的模态以及扭转模态。 垂直运动的模态：当z方向输入加速度时，由于质量块M1与M2重量不等，会发生如下图的运动，M2向着加速度方向移动，M1向相反方向运动。 扭转模态： 当加速度输入时，由于物块垂直方向的运动，会对MR产生一个平均的位移，且两个MR运动方向相反，且成恒定的比例，由于空隙大小的变化会改变扭转的刚度，就会改变谐振频率。由于加速度输入时差模的可以放大输入，温度等噪声是共模的可以抵消。 但是可以看出，对输入加速度的检测原理仍然是检测z轴的电容间隙，即使这个间隙调制在频率上，但是这仍然属于一个电容式加速度计。并未改变谐振式加速度计难以单片集成三轴的现状。 随后，该团队在此基础上制作面内面外两轴加速度计样机。使用晶圆级真空封装，如下图所示 测试结果显示，其Allan方差稳定性在两个轴向均优于10ug，验证了±1g的测量范围。但是该团队在近五年较少发表论文，也许说明这种伪z轴谐振式原理下的性能并没有再进一步提升。参考文献：[1]2005Inertial-GradeOut-of-PlaneandIn-PlaneDifferentialResonantSiliconAccelerometers(DRXLs)[2]2000Avacuumpackageddifferentialresonantaccelerometerusinggapsensitiveelectrostaticstiffnesschangingeffect[3]1999AHighPerformanceMixedMicromachinedDifferentialResonantAccelerometer[4]2004AnInertial-gradelat