摘要：文中介绍了一种以表面微机械技术制造的带有片上静电自检测功能的压阻式加速度传感器。该芯片制造利用了表面微机械加工技术，以低应力氮化硅薄膜为结构材料，多晶硅作为压阻材料，引入了准LIGA的电镀铜工艺，实现了一款低成本、与IC制造工艺相兼容的压阻式加速度传感器。电镀的铜质量块使压阻输出获得了足够高的灵敏度。利用金属质量块和衬底形成的一对电极，实现了可片上检测器件是否正常工作的片上静电自检测功能。传感器测试结果表明，加速度输出灵敏度为25.1 /g，一3 dB频率带宽为1.3 kHz.
0 引言
MEMS压阻式加速度传感器具有结构简单，体积小，制造成本低，抗电磁干扰能力强等优点，应用十分广泛。目前，市场上主流的MEMS压阻式加速度传感器，是基于体硅微机械加工技术制造的。体硅微机械加工技术，一直以来被广泛用于MEMS器件尤其是加速度和压力传感器的生产制作中。然而，随着大规模集成电路技术的发展，传统的体硅微机械加速度传感器也暴露出体积大，不易与Ic工艺兼容和制造成本难以进一步降低以适应消费类电子市场廉价的需求等缺点，而与之相对应的表面硅微机械加工技术与集成电路工艺有很好的兼容性 ，在器件尺寸和成本上有进一步降低的潜力。但表面微机械加工技术中，用薄膜工艺制造大的惯性质量块比较困难，从而因惯性灵敏度过低限制了表面微机械技术在压阻式加速度传感器上的应用。
文中设计了一种基于表面微机械加工技术的压阻式加速度传感器。以低应力氮化硅薄膜为弹性结构材料，多晶硅为压阻材料，引人了准LIGA的电镀铜工艺，利用高质量密度的铜作为加速度传感器的惯性质量块单元。更为重要的是，利用电镀铜和硅片衬底形成了一对电极，实现了传感器的片上静电自检测功能。在传感器使用过程中，可以用该自检测功能来判断器件是否可以正常工作。在传感器芯片制造过程中，可用该自检测功能实现大圆片级的在线自检测，用静电力模拟惯性力来自动化测试每个芯片的好坏，为后续的选片和器件封装提供成品芯片，为大规模低成本的生产提供了便利。文中分别描述了该传感器的设计、制造和性能测试。
1 传感器设计
1.1 结构设计
设计的压阻式加速度传感器，利用表面微机械加工工艺，并用电镀铜技术在传感器的惯性质量块区域形成铜质量块。传感器结构原理如图1所示。
主体结构层为低应力氮化硅薄膜，在4个固支梁中间的质量块区域电镀了铜，形成质量块。4个氮化硅梁上分别集成有一个多晶硅压阻条，4个电阻构成惠斯通电桥。传感器的力学模型如图2所示。
考虑粱本身的质量远小于质量块的质量，可将设计结构简化为简单的弹簧一质量块模型。根据材料力学相关理论，以左侧梁为例，梁上表面应力的分布为
式中。 为氮化硅杨氏模量。计算的应力分布曲线如图3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。
1.2 传感器灵敏度
压阻式传感器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式(1)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。多晶硅压阻条淀积于氮化硅薄膜上表面之上，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。考虑到杨氏模量的差异，多晶硅压阻条上的应力可表示为
1.3 自检测功能的设计
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4所示，当在电极两端加直流电压时，由于电容静电力的作用，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。
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。自检测功能可以用于快速检测器件的好坏;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。
2 制造工艺
该芯片采用普通4寸双抛硅片为基底材料，利用LPCVD沉积SiO2/PSG(phosphorous silicon glass)作为牺牲层，再淀积低应力氮化硅作为器件微机械结构材料，然后通过离子注入，RIE(reactive ion etching)刻蚀，金属溅射以及电镀等工艺在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(benzocycl0butene)键合工艺将盖板片与正片对准键合，保护可动部件不被损坏。具体实现的工艺流程如图5所示。
(1)首先在450 m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0.1 Ixm厚的二氧化硅，然后利用LPCVD工艺在二氧化硅层上沉积一层0.3 m厚的低应力氮化硅作为隔离层。接下来淀积2 tzm的LTO(1ow temperature OX—ide)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，为了防止后面形成的氮化硅薄膜出现塌陷，还要在适当的位置刻出略小于腐蚀孔的孔洞，以便形成氮化硅立柱支撑薄膜结构。接着淀积0.25 m的PSG覆盖LTO牺牲层，由于刻蚀孔位置的LTO已被上一步的RIE刻蚀掉，所以刻蚀孔处只淀积了0.25 Ixm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1.2 m厚的低应力氮化硅薄膜形成传感器的主体结构。再沉积一层0.4 m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为90 Q.
(2)利用RIE工艺，在结构上刻开刻蚀孔，然后用40% 的氢氟酸溶液腐蚀掉结构下面的牺牲层。接着淀积1.4 m厚的TEOS(tetrethylorthosilicate)堵住腐蚀孔，防止释放后的薄膜结构在后续工艺中被破坏。再沉积一层0.1 m的低应力氮化硅作为钝化层。接着刻蚀引线孔，溅射1.2 m的金属铝，刻出铝引线，连接电阻形成惠斯通电桥。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0.15 Ixm钛钨/铜作为种子层，利用光刻胶做掩模进行电镀，在结构的惯性质量块区域电镀9 m厚的铜作为质量块。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4 m作为掩模，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害，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。此图为图6中沿白色虚线切开的截面图，图中质量块区域的腐蚀孔和支撑柱数量做简化处理，只示意性指出，详见图6。图6显示的是加速度传感器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。
划片后，芯片单元尺寸仅为1.6 mm×6 rnlD.x0.9 mm.如果在大规模生产中利用6寸或者8寸的硅片进行生产，单片芯片的成本将进一步降低。
3 测试结果
加速度传感器在TIRA振动台上进行测试。压阻输出信号经过了放大电路放大，放大电路原理如图7所示。由于加速度传感器的压阻电桥输出的是双端差分信号，所以第一级采用差分放大器，放大有效的差分信号，抑制共模噪声信号，同时将电桥输出的双端信号转化为单端信号。为了抑制电路本身的噪声，这一级增益的设置不宜过大，因此差分放大器增益设置为10倍。第二级滤波电路，主要是滤除前级输出信号中含有的高频干扰噪声。最后一级的运算放大器，目的是将信号进一步放大以便于检测。
实际应用中，运算放大器的增益可根据需要进行调节，在测试实验中将增益设置为10倍，可以通过示波器直接观察输出信号。因此放大电路总增益为100倍。在输入加速度为0～10 g，电桥供电电压为5 V的情况下，加速度传感器的压阻输出电压曲线如图8所示。
经过计算可得5 V供电情况下加速度传感器的实际灵敏度约为25.1 V/g.由于电镀铜的质地比较疏松，使得质量块有效质量偏小，所以实际得到的灵敏度略低于设计灵敏度。图9所示为传感器的幅频特性曲线，输入加速度为10 g，扫描频率从1O Hz～3 kHz，得到一3 dB频率带宽约为1.3 kHz.在一40—100 oC的温度范围内，测得传感器的TCO(零点电压温度偏移系数)为0.46%/~C·FSO.
在进行静电白检测时给惠斯通电桥提供5 V电压，同时在衬底电极和质量块电极上施加直流电压，将输出端采集到的数据与无外加直流电压时压阻输出的电压进行比较计算可得到有效的电压输出值。因为自检测输出的电压信号可以直接检测无需经过接口电路的放大，所以无论在圆片级测试还是封装后的芯片级测试中应用都很方便。静电自检测输出电压曲线如图l0所示，其中输入的静电自检测电压为0～60 V.从曲线上可以看到，静电自检测输入电压和输出电压呈二次曲线关系，与式(7)相符合。
4 结束语
研究利用表面微机械加工工艺，成功的设计出一款实用的、带有静电自检测功能的压阻式加速度传感器，并且其小型化、易集成和低成本的特性非常适用于大规模生产应用。采用表面微机械加工工艺使得该加速度传感器可以与集成电路相结合，将接口电路，信息处理电路等集成于一片芯片上，实现更加强大的功能，因此有着很好的应用前景。
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作者简介：魏长征(1985一)，硕士研究生，主要研究方向为MEMS传感器。
