摘要：介紹了一種田字形單質(zhì)量塊三軸電容式微加速度計的設(shè)計與仿真。該加速度計以SOI晶圓作為基片，經(jīng)過氧化、光刻、干法刻蝕和濕法刻蝕等工藝步驟得到。通過支撐梁和3個軸的敏感結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計，有效避免了平面內(nèi)和垂直方向的交叉軸干擾的影響，并提高了Z軸的靈敏度。通過差分電容的設(shè)計，理論上消除了交叉軸干擾。通過仿真得到了該加速度計在3個軸向上的靈敏度及抗沖擊能力。結(jié)合理論分析和ANSYS仿真結(jié)果，可以得出結(jié)論：所設(shè)計的加速度計擁有較低的交叉軸干擾、較高的靈敏度以及較強(qiáng)的抗沖擊能力，在慣性傳感器領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。

0   引言

微加速度計占據(jù)了微傳感器市場中很大的一部分，由于低制造成本、小體積、易與CMOS電路集成等特點，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括了從消費電子到個人導(dǎo)航等方面。然而，受制于表面微加工工藝造成的器件厚度較薄的原因，微加速度計在高精度、高靈敏度加速度計市場所占份額十分有限。而隨著SOI（Silicon On Insulator，絕緣襯底上的硅）技術(shù)的出現(xiàn)，體微加工工藝很好地解決了精度低、靈敏度小這個問題。SOI晶圓相較于普通的單晶硅晶圓有很多優(yōu)點，例如優(yōu)異的材料特性，容易實現(xiàn)大厚度器件，低殘余應(yīng)力，以及簡單的制造工藝[1~5]。Toshiyuki Tsuchiya等人采用不等高梳齒設(shè)計了一種基于SOI的三軸電容式微加速度計[6]。XIE Jianbing等人利用SOI的襯底層來增大質(zhì)量塊，設(shè)計了一種平面內(nèi)的單軸電容式加速度計[7]。

本文中設(shè)計的三軸電容式微加速度計采用了中心對稱的田字形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了僅用1個質(zhì)量塊來敏感3個軸向的加速度。通過差分設(shè)計，理論上消除了三軸之間的交叉軸干擾。同時，通過將X軸和Y軸的梳齒電極設(shè)置在田字形質(zhì)量塊的內(nèi)側(cè)，而將Z軸梳齒電極和彈性支撐梁設(shè)置在質(zhì)量塊的外側(cè)，大幅度增加Z軸梳齒電容對數(shù)，從而提高了Z軸的靈敏度。而且，設(shè)置在質(zhì)量塊內(nèi)部的固定結(jié)構(gòu)不僅可以用來形成固定電極，而且能作為止擋結(jié)構(gòu)，提高整個加速度計在平面內(nèi)的抗沖擊能力。

1   加速度計結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 加速度計結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為所設(shè)計的微加速度計的俯視圖。該加速度計整體結(jié)構(gòu)中心對稱，質(zhì)量塊部分為田字形，質(zhì)量塊通過四角的支撐梁連接在錨點上。支撐梁成45°斜置在質(zhì)量塊外部4個直角處，相對于放置在質(zhì)量塊內(nèi)部或外部的4條邊上，可以節(jié)省出更多的空間來增加Z軸的梳齒對數(shù)。田字形質(zhì)量塊內(nèi)部有4個相同的大方孔，左上和右下2個方孔設(shè)置有X軸梳齒電容，共4組；右上和左下2個方孔設(shè)置有Y軸梳齒電容，共4組。田字形質(zhì)量塊的外部4條邊上設(shè)置有Z軸梳齒電容，共8組。

圖1 微加速度計整體結(jié)構(gòu)俯視圖

X軸的4組梳齒電容和Y軸的4組梳齒電容，結(jié)構(gòu)相同，均采用等高梳齒設(shè)計，高度均為頂層硅厚度t，如圖2，僅僅擺放的方向成90°。Cx1，Cx2，Cx3，Cx4用來測量X軸的加速度；Cy1，Cy2，Cy3，Cy4用來測量Y軸的加速度。X軸或Y軸的固定梳齒與兩側(cè)可動梳齒之間的間距不等，且d1<<d2，因而間距為的d2的電容可忽略不計，實現(xiàn)了變間距的電容設(shè)計。

圖2 微加速度計X、Y軸方向的等高梳齒電極

Z軸的8組梳齒電容均采用不等高梳齒設(shè)計。如圖3，其中的4組（Cz1，Cz4，Cz5 ，Cz8），可動梳齒高度為t，而固定梳齒高度為0.5t；另外4組（Cz2，Cz3，Cz6，Cz7），可動梳齒高度為0.5t，而固定梳齒高度為t。Cz1，Cz2，Cz3，Cz4，Cz5，Cz6，Cz7，Cz8均用來測量Z軸的加速度。Z軸的固定梳齒與兩側(cè)的可動梳齒之間的間距相等，均為d0，且d0=d1，實現(xiàn)了變面積的電容設(shè)計。

圖3 微加速度計Z軸方向上的不等高梳齒電極

不等高梳齒的實現(xiàn)方法為利用二氧化硅和聚酰亞胺作為硬掩膜，第1次深硅刻蝕時，所有高度為t的梳齒上方有二氧化硅和聚酰亞胺兩層硬掩膜，而高度為0.5t的梳齒上方僅有聚酰亞胺一層掩膜；但在第2次深硅刻蝕時前，聚酰亞胺會被干法刻蝕去掉，這樣高度為t的梳齒上方會剩下二氧化硅硬掩膜，而高度為0.5t的梳齒上方在第2次深硅刻蝕時是沒有掩蔽層的。由于兩次深硅刻蝕都只刻蝕頂層硅一半的厚度，最終得到的結(jié)果就是前面所設(shè)計的梳齒結(jié)構(gòu)。

1.2 加速度計工作原理

所設(shè)計的微加速度計的工作機(jī)理為：在外界不同方向和不同大小的加速度的作用下，質(zhì)量塊會帶動附于其上的可動梳齒電極產(chǎn)生不同方向和不同大小的位移，導(dǎo)致平行板電容器的極板間距或極板正對面積發(fā)生變化，從而導(dǎo)致梳齒電容大小發(fā)生變化，而電容值的改變可以通過外圍的電路檢測到并轉(zhuǎn)換成電壓或電流值改變，這樣就完成了加速度信號到電學(xué)信號的轉(zhuǎn)化。

設(shè)平行板電容器的電容為：

 （1）

則其變化量C為：

（2）

其中，Σ為介電常數(shù)，l ，h和d分別是梳齒電容的極板正對的長度、高度和間距。

下面分別給出了3個軸的電容變化關(guān)系式。

X軸的電容大小變化關(guān)系式為：

 （3）

同理，Y軸的電容大小變化關(guān)系式為：

 （4）

對于Z軸，其電容大小變化關(guān)系式為：

（5）

顯然，從式（3）可以看出，ΔCx與Y軸方向上的位移Δy和Z軸方向上的位移Δz沒有關(guān)系，而僅僅取決于x軸方向上的位移Δx。從式（4）可以看出，ΔCy只和Δy有關(guān)，而跟Δx和Δz無關(guān)。從式（5）可以看出，ΔCz僅取決于Δz，而與Δx、Δy無關(guān)。

因此，通過差分電容的設(shè)計，微加速度計3個軸向的電容變化僅僅和相應(yīng)軸向上的位移相關(guān)，即理論上消除了微加速度計的交叉軸干擾。

2   加速度計的仿真和分析

微加速度計所用晶圓材料為<100>的SOI硅片，其楊氏模量為130 Gpa，泊松比為0.28，密度為2.33 g/cm3。所設(shè)計的微加速度計的田字形質(zhì)量塊邊長為1 200 μm，厚度等于SOI頂層硅的厚度60 μm；質(zhì)量塊上均勻地分布有方形阻尼孔，尺寸為10 μm×10 μm，目的是為了加快犧牲層的釋放。所有的梳齒電極長度均為150 μm，寬度為10 μm，靜止?fàn)顟B(tài)下梳齒有效重合長度（即電容極板正對部分的長度）為130 μm；X、Y軸的梳齒間距d1=4 μm，d2=20 μm，Z軸的梳齒間距d0=4 μm；質(zhì)量塊內(nèi)部的4個大方孔尺寸均為505 μm×505 μm。質(zhì)量塊加上可動梳齒電極的總質(zhì)量為8.93×10-8  kg。

下面是使用ANSYS有限元仿真軟件對所設(shè)計的微加速度計進(jìn)行動力學(xué)和靜力學(xué)仿真的結(jié)果。為了縮短計算機(jī)仿真的時間，仿真的加速度計結(jié)構(gòu)省略了阻尼孔，但是在材料屬性設(shè)置中使用了等效密度來修正省略阻尼孔導(dǎo)致的質(zhì)量減小問題。

圖4是微加速度計的模態(tài)仿真的前六階模態(tài)位移云圖。

圖4 微加速度計前六階模態(tài)位移云圖

由表1可知，在平面內(nèi)（沿X軸或Y軸）平動的共振頻率與在垂直方向（沿Z軸）平動的共振頻率相差較大，說明所設(shè)計的微加速度計的平面內(nèi)和垂直方向上的交叉干擾較小，符合設(shè)計目標(biāo)。

表1 微加速度計前六階模態(tài)諧振頻率表

在3個軸的方向上分別施加1g大小（這里的g表示當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋┑募铀俣?，通過ANSYS的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真得到了微加速度計3個軸向的位移靈敏度，見表2。

表2 微加速度計3個軸向的位移靈敏度

在3個軸的方向上分別施加 30 000 g 的加速度，測試所設(shè)計的微加速度計的抗沖擊能力，仿真數(shù)據(jù)見表3。

表3 微加速度計3個軸向的抗沖擊能力仿真

由表3可以看出，在3個軸向的 30 000 g 加速度沖擊下，微加速度計整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力都沒有超過硅的最大屈服強(qiáng)度 7 000 MPa。因而所設(shè)計的微加速度計具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。

3   加速度計的加工工藝步驟

所設(shè)計的微加速度計的加工工藝流程圖如圖5所示：(a)采用干濕干熱氧化工藝在SOI晶圓正面生長1層厚度為1 μm左右的二氧化硅作為后續(xù)干法刻蝕硅的硬掩膜；(b)第1次光刻加干法刻蝕二氧化硅，露出質(zhì)量塊上的阻尼孔、結(jié)構(gòu)之間的間隙、電極這些區(qū)域；(c)電子束蒸發(fā)在表面生長1層鋁薄膜，然后第2次光刻形成電極區(qū)域；(d)采用聚酰亞胺（PI）作為光刻膠進(jìn)行第3次光刻，形成高度為0.5h的梳齒的第一次深硅刻蝕的硬掩膜；€將聚酰亞胺亞胺化；(f)第1次深硅刻蝕，刻蝕深度為0.5t；(g)氧等離子體干法刻蝕去除亞胺化后的聚酰亞胺；(h)第2次深硅刻蝕，刻蝕深度為0.5t，這時已經(jīng)刻蝕到SOI硅片的絕緣層；(i)用氫氟酸濕法刻蝕去除二氧化硅絕緣層和掩膜層，釋放結(jié)構(gòu)得到微加速度計。

圖5 微加速度計的加工工藝流程

4   結(jié)語

本文所設(shè)計的微加速度計基于SOI晶圓制作，采用了3次光刻和2次深硅刻蝕工藝，整體工藝流程較為簡單。其中第3次光刻利用聚酰亞胺作為光刻膠，同時將亞胺化后的聚酰亞胺作為第1次深硅刻蝕的硬掩膜。兩次深硅刻蝕后形成了Z軸的不等高梳齒結(jié)構(gòu)。該微加速度計采用了差分電容結(jié)構(gòu)設(shè)計，理論上消除了3個軸之間的交叉耦合干擾?？傮w而言，所設(shè)計的田字形單質(zhì)量塊三軸電容式微加速度計具有較大的Z軸靈敏度、較小的交叉軸干擾和較高的抗沖擊能力，同時制作工藝簡單，因而有較好的應(yīng)用前景。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2020年12月期）