摘 要: 微硅电容式加速度计是目前微硅加速度传感器发展的主流, 本文在硅- 玻璃阳极键合工艺同深槽刻蚀工艺相结合的加工技术基础之上设计了一种电容式微加速度计, 该结构将两种改变平行板电容量的方式有效的结合在一起, 提高了结构的灵敏度并具有较好的线性度. 最后, 对所设计的结构进行了工艺仿真, 通过虚拟工艺仿真结果与设计进行比较, 论证了结构的基本可行性.
关键词: M EMS; 电容式微加速度计; 虚拟工艺
MEMS 技术的发展有两个方面: 摸索改进和创建新的工艺方法和技术, 以制造出符合要求的MEMS 器件. 由于MEMS 器件是针对各种不同的应用, 所以其形状、变形、材料、输入输出介质等都不尽相同, 要求的制造工艺也将是各有特点, 远不是现有的工艺技术可能满足的. 因此, MEMS 工艺技术将是一个重大的长远的发展方向. 另一方面, 在已有的工艺技术条件下, 如果设计出既能实现特定的应用目的又能利用已有的工艺流水线将它制造出来就成为MEMS 技术的另一个重大的发展方向. 本文的研究主要是针对后者. 微加速度计的设计需要集成相关的制造和加工工艺, 这些工艺对微系统的性能产生非常大的影响, 所以必须在设计的同时予以考虑. 在设计中, 机电结构设计和工艺流程设计是相互交联的. 电容式微加速度计是利用质量块把加速度的变化转换成电容电极间极距的变化, 一般采用差分结构. 从制作工艺上, 电容式微型加速度计可分为两类: 表面工艺微型加速度计和体硅工艺微型加速度计. 表面微机械加工工艺通过对硅表面层的加工及牺牲层的腐蚀来获得微机械部件, 因此当被用于制作惯性传感器时, 所制得的器件的惯性质量和检测电容都很小. 而体硅微机械加工工艺, 可以制得具有较大惯性质量器件. 在传统的体硅微机械中, 玻璃-硅-玻璃的三明治结构通常被用来构成适合于检测电容变化的差分电容式结构. 但是. 玻璃难以加工, 在玻璃上加工出引线孔也必须采用特殊的工艺,而这些工艺不适合于批量加工. 用硅融键合工艺制得的硅-硅-硅三明治结构也可以用来制作差分电容结构, 但是这种结构通常具有较大的寄生电容. 通过把硅-玻璃阳极键合工艺同深槽刻蚀工艺相结合,可以获得一种特别适合于制作电容检测惯性传感器的加工技术[ 1-2] .
基于这种加工技术, 本文设计了一种横向电容式微加速度计, 将两种改变平行板电容的方法有效的结合在一起. 该结构的特点是: ①叉指结构设计在质量块附加的尾部, 当结构受到敏感方向的加速度载荷时, 叉指结构极板的正对面积发生变化, 这为结构的灵敏度的提高做出了较大的贡献; ②由于可动叉指受到的左右两边的静电力大小相等, 方向相反而相互抵消, 所以不受下拉电压的限制, 结构的静电力分析只需要考虑横向的惯性质量与固定极板所形成的差分电容; ③将两种改变电容变化的方法相结合, 同样保证了结构的线性度.
最后, 基于体积图形学( Vox e-l Based) 的虚拟工艺系统ZPro cess[ 3] , 对设计的机械结构进行了工艺仿真, 通过虚拟工艺仿真结果与设计进行比较, 论证了结构的基本可行性.
1 结构设计与性能分析
1. 1 结构的选择与设计
电容式微加速度计的结构设计主要包括三部分: 敏感质量, 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, 在使用中经常被干扰噪声淹没, 作为测量仪表, 提高精度很重要的一项措施就是采用差动测量方式, 差动测量的两部分, 由于在相同环境条件下受到的干扰噪声基本一样, 所以可以通过相减排除其绝大部分, 极大地提高了信噪比. 因此, 通常电容式微加速度计几乎都是采用差动结构[ 4] . 同时, 平行板电容器可以通过两种方式调节电容值: 一是通过改变极板间的间距. 二是通过改变极板间的有效正对面积.
本文基于硅---- 玻璃键合技术和ICP 深反应离子刻蚀技术, 设计了一种横向的电容式微加速度计, 将两种改变平行板电容的方法结合在一起. 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机械热噪声. 为了提高结构性能, 在尾部设计了上下对称的20 对叉指结构. 以双端悬臂梁为中心轴, 上下两边的电容极板分别为相同的极性, 以形成差分电容. 当惯性质量在敏感方向上振动时, 形成横向结构的差分电容的极板间距发生了改变, 同时叉指结构的正对面也发生了改变, 将这两种改变电容的方式相结合, 有效的利用了结构的几何空间, 这两种改变电容的方式共同产生了电容变化量. 图1 是结构的示意简图.
梁的选取是结构的关键, 在梁长为1 000 Lm,选取梁的宽度分别为3 um, 6 um, 8 um, 10 um,14 um 对结构的最大位移与频率进行分析比较( 如图2) , 通过分析看出结构的最大位移( 刚度) 与梁的宽度成反比, 结构的谐振频率与梁的宽度成正比. 刚度越小, 系统的谐振频率越低, 则加速度计灵敏度越高; 但是谐振频率的减少, 会引起输入测量信号的带宽的减小. 这样, 就必须在测量信号的带宽和灵敏度之间综合考虑.
在设计过程中, 为了增大结构的灵敏度, 减小梁的刚度, 我们对相同尺寸的直梁和折叠梁做了分析比较, 如图3 所示, 在相同尺寸下折叠梁的刚度小于直梁, 最终我们选用了宽为10 um 的折叠梁.
结构的参数: 梁长为1 000 um, 宽10 um, 厚度为70 um, 整个质量块的尺寸为1 800 um* 600 um, 敏感电容为600 um* 70 um.
1. 2 结构的特性分析
对于电容式微加速度计, 由于结构尺寸的缩小,静电力、分子之间的相互作用力、空气产生的阻尼等, 这些在宏观中被忽略的因素都将是影响微结构性能的主要因素. 同时结构的弹性刚度, 频率, 灵敏度, 分辨率也是重要的表征加速度计特性的参数.
( 1) 静力分析
静力分析用于计算那些在固定不变载荷作用下结构上引起的位移, 应力, 应变等, 它不考虑惯性和阻尼影响---- 如结构受随时间变化载荷作用的情况. 静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响( 如重力) . 通过分析得到在1 gn 敏感方向加速度载荷作用下, 结构的最大位移是0. 042 819 Lm, 承受的最大应力为0. 245 MPa; 在1 000 gn 加速度载荷作用下结构承受的最大应力为245 MPa. 由于硅材料的悬臂梁所能承受的最大应力为70-150 MPa, 所以可以估算出结构所能承受的最大激励载荷, 应该小于300 gn .
( 2) 模态分析
在进行加速度计设计过程中, 首先要进行模态分析. 根据模态分析的结果, 采用合理的尺寸搭配, 拉开敏感方向谐振频率与非敏感方向谐振频率的差距, 以提高器件的灵敏度和分辨率. 电容式加速度计有三种振动模态. 第一模态为质量块沿敏感方向的振动模态, 是需要加强的振动. 第二、三模态分别是沿其它两个方向的非敏感振动模态, 是需要抑制的模态. 在敏感方向上, 检测质量块运动的谐振频率为[ 4] :
表1 所示, 为梁宽3 um, 6 um, 8 um, 10 um,14 um 的情况下的前六阶频率. 在多数情况下, 惯性质量的运动具有6 个自由度, 而实际的加速度计微结构通常只要求测量单一方向的加速度, 其它自由度的运动所引起的测量误差, 称之为偏轴灵敏度. 为了保证加速度计的精度, 一般要通过结构的优化设计保证测量方向的振动模态与其它模态尽量大的分离, 然后通过滤波方式使加速度计工作在工作模态下.
通过模态分析, 可以看到该结构能够保证第一模态的频率与其他模态的频率相差较大, 从而保证微加速度计工作在第一模态下工作, 满足了设计需要.
( 3) 灵敏度分析
在加速度计的设计中, 要求选择最优化的结构参数来获取大的带宽和高的灵敏度, 这也就要求对结构参数的灵敏度进行分析, 这是一个重要的表征加速度计性能的参数. 对不同类型的器件, 灵敏度的定义不同. 器件结构类型不同, 器件结构参数的灵敏度函数也就不同. 对于电容式微加速度计, 灵敏度为输入1 gn 加速度引起检测电容的相对变化量.
( 4) 阻尼分析
结构的阻尼是系统能够正常工作的关键问题.在微加速度计中, 存在多种引起惯性质量振动能量耗散的阻尼机制. 随着结构尺寸的减小, 周围环境气体对结构惯性质量的震荡产生深刻影响. 对于两个作相对运动的微小表面, 当面间距为几个微米时, 将气体从表面间压出和吸入而引起粘滞损耗的压膜阻尼相对于其它阻尼机制占有优势. 通常情况下, 系统的阻尼比在0. 7 左右系统的动态特性最好.
( 5) 分辨率分析
系统的分辨率就是系统能够测出的最小加速度值. 最小加速度的限制主要是由于设备的机械噪声、热噪声和来自测量电路的噪声而引起的[ 7] . 考虑到这些因素后, 由机械噪声和热噪声所引起的总的等效加速度T ENA 谱密度的表达式可表示为[ 8] :
这样, 为了取得较小的噪声容限, 可以通过增加检测质量, 提高品质因数, 降低系统的自然频率等途径来解决.
( 6) 下拉电压分析
为了测量差动电容的变化, 在敏感元件的极板之间加上交流载波信号, 这样敏感质量就受到静电力的作用, 敏感质量中间极板上受到的力为两边静电力之和. 在开环电路中, 因为静电力与间隙的平方成反比,摆片离哪个极板越近, 与该极板之间的吸引力就越大, 就越使摆片向这个极板运动, 因此静电力作用相当于产生一个负刚度, 是一个使系统不稳定的力[ 5] .欲使系统稳定, 必须有足够的弹簧刚度来抵消静电力的作用. 系统的总刚度就由此发生了变化, 总刚度等于敏感元件的机械刚度和静电产生的刚度之和, 为保证系统稳定, 应有如下关系式: k= km+ ke > 0, 因为平衡间距会随着电压的增加而减小, 所以一定存在一个特殊的电压点, 使平衡的稳定性消失, 这个电压点叫做下拉电压, 通常下拉会发生在极板间距的2/ 3处. 系统工作在开环电路中, 设在固定极板上施加高频激励电压Vpl, 分别对两部分差分电容进行讨论. 对于叉指部分形成的差分电容, 因为在每个可动叉指的左右两边的固定指上施加的激励电压极性与大小都相等, 所以对可动叉指产生的静电力大小相等、方向相反, 是相互抵消的, 即高频激励电压对叉指部分不会产生下拉效应, 这也是本文所设计的结构的一个特点. 所以在讨论下拉电压时只讨论横向的结构, 解得:Vpl= 18 V. 欲使开环微机械加速度计稳定工作, 加在电容上的高频激励电压的幅值不能太大, 以使机械弹性刚度必须大于静电力产生的负刚度. 另外, 加在电容上的高频激励电压也会使阻尼比发生变化. 从另一个角度, 可以通过改变加速度计的敏感电极上的电压, 调整系统的刚度和阻尼比.
2 工艺仿真
本文设计的电容式微加速度计拟采用北京大学标准体硅工艺( 深槽刻蚀结合键合工艺) 进行加工,并利用本课题组基于体积图形学( V oxe-l Based) 的虚拟工艺系统ZPro cess 进行工艺仿真.
图4 给出了标准体硅工艺流程图. 硅片工艺利用光刻与刻蚀在硅表面形成浅槽( 图4-a) , 扩散参杂形成接触区( 图4-b) . 玻璃工艺通过光刻、溅射和剥离形成金属电极( 图4-c) . 组合工艺有硅/ 玻璃健合( 图4-d) , 化学减薄划片( 图4-e) 以及ICP 刻蚀释放结构( 图4-f ) .
根据微加速计结构并结合标准体硅工艺的特点及要求, 设计了加工所需的工艺流程和掩膜版图形.用于形成加速度计结构的版图层主要有三层, 具体内容见表2. 掩膜版的阴阳依据正胶所定. 掩膜版图形见图5.
层描述:
( 1) BOND
该掩膜版用来定义键合区的图形. 主要用来提供机械结构的支撑.
( 2) METAL
在玻璃衬底上形成T i/ Pt / Au 金属线, 用于实现机械结构之间的电学互连, 以及电极板.
( 3) ST RU CT URE
机械结构层, 由DRIE 工艺形成.
表3 给出微加速度计体硅MEMS 工艺流程图及版图与虚拟工艺模拟过程, 图6 给出了最终的工艺仿真结果.
注: 虚拟工艺模拟了实际工序中发生图形转移的关键工艺, 其它相关工艺仅给出简要描述.
通过工艺仿真达到两个目的: 1. 通过设计结果与虚拟加工结果对比修改结构设计; 2. 通过下面的实际电容式微加速度计制造结果与虚拟加工结果对比修改已有的虚拟MEMS加工工艺系统, 通过不断积累, 使工艺模型跟加精确, 加工结果更加真实.
3 结 论
本文基于硅-玻璃阳极键合工艺和深槽刻蚀工艺, 设计了一种横向电容式微加速度计, 将两种改变平行板电容的方法有效的结合在一起. 分析得到, 表头的灵敏度为3. 3 fF/ gn , 等效热噪声加速度为1.06 mgn/ Hz , 测量范围在± 20 gn . 利用基于体积图形学的虚拟工艺系统ZProcess 进行工艺仿真, 虚拟仿真结果表明了结构从性能和工艺角度讲是可行的.将两种改变平行板电容的方式相耦合, 还需要深入的分析工作; 同时依据已有的结构特性分析, 我们可以进一步对结构进行优化设计.
4 致 谢
本文的电容式微加速度计在设计过程中得到了北京大学微电子所的帮助和支持, 在此特表示衷心感谢!
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