摘 要: 以一个电容式微加速度计为设计实例来介绍了基于IP 库MEMS 设计的流程, 其中主要包括四个部分: 原理分析, 结构设计, 工艺流程和版图设计, 封装及电路测试。首先根据需求设计出加速度计的基本结构; 然后对该结构进行工艺流程和版图的设计; 并利用虚拟工艺来进行仿真和可加工性验证; 得到的三维结构通过接口导出到FEM 中进行数值分析; 接着将数值分析的结果进行基于FEM 的运动学建模; 求解得到的运动规律, 以宏模型的形式存入IP 库中; 与此同时, 利用虚拟运行进行可视化行为级的仿真。
关键词: M EMS; 电容式微加速度计; 虚拟工艺; 虚拟运行
硅微机械加工的微加速度传感器以其高灵敏度、良好的稳定性以及低温度系数等优点, 近年来得到了迅速的发展。但在微加速度传感器制作中, 由于工艺上的困难, 硅梁一般位于质量块的一侧。而硅梁与质量块质心不在同一水平面上会引起横向灵敏度效应。为消除横向灵敏度效应, 一种方法是采用浓硼扩散腐蚀自终止技术, 在质量块的上下两表面作两根对称梁, 这种方法的缺点是工艺较复杂, 且浓硼扩散会在梁中引起残余应力的作用[ 1 ] 。文献[ 2] 的三明治结构采用硅的体微机械加工技术和无掩膜腐蚀技术, 把梁制作在包含质量块中心的平面内, 从而可以在结构上消除横向灵敏度效应。三明治结构需要3 层材料, 2次键合, 存在加工成本高、寄生电容大、键合误差大等问题。
由北京大学微电子所设计的利用ICP 刻蚀实现横向三明治结构, 如图1 所示, 从工艺上说, 仅需要1 次键合, 3 层版图, 利用ICP 深刻蚀等技术加工便可以完成的优点; 从结构上, 存在结构不稳定、电容感应面积小等缺点。
本文在文献[ 3] 的基础上, 改用双、四梁结构, 加入了疏齿检测电容, 在北京大学微电子所的标准工艺和北大青鸟公司的封装条件下设计完成了新的微加速度计加工、封装和测试工作。
1 结构原理
图2 是三明治电容式微加速度传感器的剖面结构示意图[ 4] 。在硅梁) ) ) 质量块结构的上下两面静电键合上有金属电极的玻璃板, 形成三明治结构的电容式加速度传感器。
基于弹性力学挠曲线近似微分方程, 加速度传感器受力微分方程可表示为:
式( 3) 中表示了悬臂梁变形与待测加速度a 之间存在比例关系。
2 结构和版图设计
电容式微加速度计的结构设计主要包括三部分: 敏感质量以及与敏感质量一体的活动电容极板,固定电容极板以及两者之间的弹性连接部分。
由于微机械尺寸很小, 所以形成的电容量是非常微弱的, 因此目前电容式微加速度计几乎都是采差动结构。在基于玻璃硅键合技术和ICP 刻蚀技术之上, 设计一种横向的“三明治” 电容式微加速度计。该结构将两种改变平行板电容的方法有效地结合在一起。它采用双端固支的悬臂梁, 在质量块的左右两边设计了附加的尾部, 来增加惯性质量的同时降低了热机械噪声。为了提高结构性能, 在尾部设计了上下对称的叉齿结构。以双端悬臂梁为中心轴, 上下两边的电容极板设计为相同的极性, 以形成差分电容。电容极板面积的选择也关系到器件的性能, 增大电容极板面积会带来增大阻尼、减小带宽、降低线性度等负面的影响。惯性质量在敏感方向上的振动, 使得形成横向“三明治”结构的差分电容的极板间距发生了改变, 同时叉指部分的正对面积也发生了改变, 产生了电容变化量。设计的结构如图3 所示。
结构的梳齿间隙: 上下是4: 29 um, 厚6 um, 长70 um。梳齿下面加上META L 层( 阴影部分) 图形防止fo ot ing 效应, 如图4( a) 所示, 位于疏齿位置的比较细小的部分, 并不对运动结构产生影响, 可以让ICP 刻蚀的时候不会产生电荷积累, 从而有效地防止Foo ting 效应的产生。同时, 为了防止LAG 效应, 把电容测量区域部分改成凸岛的形状, 如图4( b) 所示。每个凸岛长是150 um, 间隔48 um, 凸出20 um, 同时增大梁的宽度( 12 Lm 宽) , 从而缓解部分悬臂梁的过刻。
3 器件仿真
3. 1 虚拟工艺[ 5]
基于Vo xel 的图形表示方法广泛应用于科学计算可视化和其他体积图形学领域, 如快速原形系统、数字雕刻、CAD 建模等。与几何图形操作相比,Vox el 为几何体提供了一种统一的描述方法, 操作简单、稳定, 并且与模型复杂度无关。采用V oxel 进行工艺仿真需要将工艺模型转换成Vox el 操作, 这类似于用几何图形操作来模拟工艺。
本文利用基于体积图形学( Vo xe-l Based) 的虚拟工艺系统ZPro cess 进行工艺仿真。该系统采用体积图形方法结合专家系统和物理模型进行MEMS 工艺模拟, 算法的鲁棒性和通用性大大增强。体绘制技术的应用还克服了传统计算机图形学只能体现三维形体表面效果的缺点, 使人们能够观察数据场内部, 从而更好地理解和掌握器件的内部结构。
通过工艺仿真达到两个目的: 生成三维模型和将三维模型导为标准格式导入有限元仿真软件ANSYS o r Co ventor 中进行有限元分析。根据工艺流程和版图, 执行虚拟工艺Process, 得到加速度的三维结构, 如图5 所示虚拟工艺的仿真结果。
3. 2 动态模型
因为双端双梁微加速度计的结构左右对称, 所以仅分析一端悬臂梁的形变情况即可。在一系列外载荷条件下分析悬臂梁的形变情况( 得到悬臂梁上个个节点的唯一坐标) 。具体的分析结果如下, 图6为在外载荷为1g 的情况下, 悬臂梁的形变曲线图:
通过三次多项式拟合, 得到在1 gn 加速度的条件下悬臂梁的形变曲线方程; 同理可得在不同加速度的情况下, 微悬臂梁的形变曲线, 曲线拟合的结果也是三次多项式结构, 同时具有较高的拟合精度。最终得到微加速度计的动态模型( 双端双梁) , 可以发现微悬臂梁形变曲线的参数与加速度成线性关系。
3. 3 虚拟组装
虚拟组装模块是从IP 库中选择器件所需要的部件, 对于双梁加速度计来说, 所需要的部件包括——弹性微悬臂梁、质量块、梳齿结构三类部件。然后根据器件的实际拓扑结构编辑部件的具体参数, 例如将悬臂梁的左端位置坐标为( - 1300, 0, 0)等。最后, 为器件中各个部件的选定动态模型。其中, 动态模型类型选择的是BEAM_2SIDE_2BEAM( 两根悬臂梁在两侧共同承担载荷) , 动态模型的参数选择的是器件中的质量块( 也就是悬臂梁所连接的负载) 。
通过虚拟组装形成了设计者所需要的器件逻辑拓扑结构和相应的动态模型, 输出就是器件的逻辑拓扑模型( 包含器件的三维拓扑结构信息和相应的动态模型信息) 和器件的三维形状( . dx f 文件, 保存在工作目录中) , 可放入虚拟运行中进行仿真。
3. 4 虚拟运行[ 6]
虚拟组装后生成的器件逻辑模型可以导入到虚拟运行模块中进行虚拟运行, 从而实时地观察器件的机械运动状态。也就是说虚拟运行模块的输入就是虚拟组装模块的输出。如图7 就是双梁加速度计的实例, 它既可以作为行为级可视化仿真, 又可以通过虚拟运行与设计中期望的行为进行对比, 达到行为级仿真的目的。
如果虚拟运行的结果不能够满足设计者的要求, 则可以重新调整设计参数, 再调用虚拟组装模块使得设计者在线修改器件中各个部件的设计参数或者拓扑结构信息( 例如, 可以调整悬臂梁的长宽高,质量块的结构尺寸或者梳齿的参数等等) , 直至达到满意的结果为止。
4 工艺加工和封装结果
最后的加工结果, 在显微镜下的疏齿结构如图8( a) 所示, 与其对应的SEM 图如8( b) 所示; 图8( c)和8( d) 分别是双梁和四梁结构的SEM 图。
封装采用了北大青鸟公司提供的LCC20 陶瓷管壳。该管壳的内腔体积为4. 6 mm x 4. 6 mm x 1.0 mm, 采用四周引线, 每边可以引出5 条电极, 共计20 个管脚引线;
电路可以同样采用了北大的调理电路板, 单电源6~ 15 伏特供电, 输出电压0~ 4. 5 V。图9 所示是电路和封装图, 最左边是由提供的封装电路, 最右边是封装的管壳。图8 是电路与封装管壳的连接图。
最后, 在北大青鸟元芯公司完成了加速度测量,包括灵敏度、频率响应、线性度、噪声、分辨率等测量工作。测量条件为输入VDD= 6. 0 V 等, 测量结果为: 在15 g 满量程输入下, 传感器输出正常, 波形正常不饱和; 灵敏度为252. 4 mV/ g, 输出噪声为240. 1ug/ root ( Hz) ; 频响范围40 Hz~ 800 Hz; 线性度不超过3%。
5 结论
本文介绍了基于IP 库的MEMS 设计环境, 其系统功能和设计流程, 然后介绍了在此设计环境中,对电容式微加速度计进行设计的过程, 包括对双、四梁、疏齿检测电容的结构优化, 以及为防止LA G 效应和FOOTING 效应的结构设计, 利用虚拟工艺和虚拟运行对6 种结构的微加速度计进行了系统的设计和优化, 最后在北京大学微电子所的标准工艺和北大青鸟公司的封装条件下设计完成了新的微加速度计加工、封装和测试整个流程和工作。
参考文献:
[ 1] 刘鸿文. 材料力学[ M] . 北京: 高等教育出版社, 1992: 175- 227.
[ 2] 邹强, 陆德仁, 王渭源. 对称体微机械电容加速度传感器的结构设计[ M] . 功能材料与器件学报, 1998, Vol. 4( 2) : 105.
[ 3] Xiao Z M, Ch en M, Wu G Y. Silicon Micro- Accelerom et erWith M g Resolu tion-H igh L inearit y and Large Frequ encyBan dw idth Fab ricat ed with T w o M as k Bulk Process [ J ] . Sensorsand Actu at ors 1999( 77) : 113-119.
[ 4] 谢少荣. 微系统拟实环境研究[ D] . [ 博士学位论文] . 天津大学, 2000.
[ 5] 赵新, 任亮, 李亚威等. 虚拟MEMS 加工工艺的建模、实现与系统验证[ J] . 高技术通讯, 2005- 1, Vol . 15: 27-31.
[ 6] 谭宜勇, 赵新, 卢桂章. 微机械虚拟运行的实现框架[ J] . 微纳米
