微惯性技术Word文档格式.docx

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四、抗辐射干扰能力强，使辐射下产生的少数载流子数目相应的减少了三个数量级；

五、消除了闭锁效应，提高了电路的稳定性，便于器件与电路的兼容设计与制造。

基于SOI技术的MEMS惯性加速度计是未来惯性制导技术的一个重要发展方向。

与普通加速度计结构系统不同的是，MEMS惯性加速度计系统除了高的精度、好的动态性能等一般指标外，还要求高稳定性和大量程（＞70g）。

一般来说，硅微加速度计的稳定性和量程往往是相互矛盾的：

量程设计高了，系统稳定性就相对变差了；

而量程较低时，系统可能较稳定。

这是因为，决定加速度计量程的参数也是影响系统稳定性的参数因素，并且互相制约。

同时，这些参数还受到加速度计结构系统所在大环境的影响，所以针对提高器件速度、降低器件功耗、减小误差、减化制造加工工艺，减小器件尺寸等这些SOI技术的优点，对基于SOI技术的MEMS惯性加速度计系统结构的研究具有十分重要和关键的研究意义。

二、MEMS惯性加速度计总体设计

1、微加速度计类型的选择

图2压电式微加速度计

压电式微加速度计的基本工作原理是在弹性梁上有一层压电材料膜，上电极和下电极分别分布在压电材料膜的上表面和下表面上，当有外界加速度口作用于敏感质量块时，弹性梁上会产生应力大小变化，由于压电效应作用，器件结构的上电极和下电极间会产生电压，由此可通过测量电压的变化来得知外界加速度的变化，具体结构如图2所示，通用的压电材料主要有石英晶体、压电陶瓷、氧化锌（ZnO）等。

这种加速度计的结构比较简单，但很难测量常加速度，温度系数较大，器件的线性度也不是很好，并且压电材料在价格方面也比较昂贵。

图3压阻式微加速度计

压阻式微加速度计是依据压力传感器而设计和研究分析的，如图3所示，压阻式微加速度计是由支撑梁和质量块以及在支撑梁上的压阻元件所组成的，支撑梁和质量块的材料都为普通的单晶硅Si材料。

当支撑梁受到外界载荷作用而发生形变时，其固定一侧相对非固定一侧发生形变较大，所以压阻薄膜就分布在支撑梁所固定的一侧。

当有外界加速度输入作用时，支撑梁在敏感质量块受到惯性力作用下发生变形产生应力，从而导致压阻薄膜也随之发生形变，由于压阻效应加速度计结构的电阻值发生变化，导致压阻元件两端的检测电压发生改变，从而可通过测量此电压的变化就可以得知外界加速度载荷的变化情况，得出输入加速度载荷与输出电压之间的具体变化关系。

压阻式微加速度计结构相对简单，所需芯片制作相对容易，容易和信号控制电路集成，线性度较好。

但是压阻元件的加工制作难度较大，温度效应严重，且灵敏度较低。

图4电容式微加速度计

电容式微加速度计是最常用的加速度计类型之一，按基本工作原理可划分为变间隙式、变面积式和变介电常数式三种加速度计结构。

目前应用最多的是变间隙式差动微加速度计结构，如图4所示，它对测量和感受微小信号非常有利，当外界加速度载荷a作用于敏感质量元件m时，平板电容器极板间的距离产生变化，最终导致加速度计结构电容的变化，通过检测结构输出电压的大小变化来检测获知输入加速度a的大小。

为了改善和提高器件灵敏度和线性度性能指标，实际设计中大多数都采用差分电容结构形式，其结构和敏感器件加工制作相对简单，很少受温度效应作用的影响，一定范围内的器件线性度指标很好，单位器件结构芯片面积的灵敏度较高，器件功耗较小。

但是电容式微加速度计是一种高抗阻器件，容易受到外界电磁作用干扰，从而导致直接测量范围较小、线性度指标性能差，读出电路复杂，而且易受到寄生电容的影响。

图5谐振式微加速度计

谐振式微加速度计的基本工作原理是利用将振动测量或检测器件在谐振频率处幅值灵敏度的特点来设计和研究微加速度计的，它是近年来发展起来的新型传感器。

在硅材料悬臂支撑梁上做一个微型激振器，当作用在激振器上的应力随外界加速度口的输入不同而发生变化时，该激振器的频率也会发生相应的变化，利用器件结构谐振频率与应力大小之间的关系，通过拾振器就可以测量出加速度传感器所受到的外界加速度a的大小，加速度口垂直作用于敏感质量块元件上，图5为谐振式微加速度计的具体结构。

微加速度计激振器的激励源通常可由静电、光热或电热等方式产生，谐振器式微加速度计的分辨率和灵敏度性能比较高，不容易受到外界环境噪声的干扰而出现误差大和稳定性差的缺点，故这种方式的加速度计在航空航天器件导航制导控制、微重力和地震监测等许多方面备受人们的重视。

但由于热激励源有时会引起不必要的热应力从而影响其测量精度，此外结构过于复杂也是这类传感器的缺点劣势之一。

图6隧道效应式微加速度计

隧道效应式微加速度计的基本工作原理是利用在窄真空势垒中的电子隧道效应，在距离很近的原子针尖与电极之间施加电压，电子就会穿过两个电极之间的势垒，从一个电极流向另一个电极，从而形成隧道电流。

隧道电流的大小是由它们之间的间距决定的，并呈一定指数比例关系而变化。

如图6所示，位于下面的一个导电指针针尖和位于上面的一个平面电极两个电极组成，它们之间的间距非常小，当该间距处于微纳米量级时，电子的隧道效应形成两极之间的导通电流。

研究证明，当所加电压为0.2v，间距为1nm时，两电极问的距离仅有0.01nm变化就可引起隧道电流4.5%的改变，甚至更小的位移变化也能检测出来。

隧道效应式微加速度计有非常高的灵敏度和线性度，强烈的抗干扰能力，温度效应小，但是这种谐振式结构的低频噪音很大，加工起来也非常困难，成品率不高。

图7热对流式微加速度计

热对流式微加速度计的工作原理图具体如图7所示，在一个密封空削内，有两个热敏元件对称放置在热源两侧。

当没有外界加速度载荷输入时，密封空间内气体发生热对流传导，在热源两旁做互为对称的逆时针和顺时针对流运动。

此时，两个热敏元件在温度场中处于相同的温度下；

当有外界加速度载荷作用时，温度场发生偏移，对流运动发生变化，使两旁热敏元件的温度产生差异，此温度差值通过相应的电路测量来反映所输入的加速度载值，热对流微加速度计具有较高的灵敏度和线性度特性指标，同时还具有较宽的工作频带：

但是其响应速度较慢，而且器件灵敏度会受到外界气压的影响，稳定性较差。

表1各种微加速度计的比较

类型

优点

缺点

压电式

结构简单，频率响应范围很宽，有很好的线性度

分辨率低，温漂较大，压敏电阻制作困难

压阻式

加工工艺简单，测量方法易行，测量加速度的范围宽，线性度好，重复生产性好

温度效应严重，温度系数大，灵敏度低

电容式

结构简单，漂移低，温度效应很小，灵敏度相对较高，功耗小，差动式结构有较好的线性度

读出电路复杂，易受寄生电容影响和电磁干扰

谐振式

直接数字输出，测量精度、分辨率和灵敏度高，不易受环境噪声干扰和误差产生，稳定性好

制作工艺复杂，温度漂移大

隧道式

极高灵敏度和线性度，非常宽的频响范围，稳定性好，可靠性高，抗干扰能力强，温漂小

信号噪声大，工作电压高，加工困难，成品率低

热对流式

有较高的灵敏度和较好的线性特性，同时还具有较宽的工作频带

响应速度较慢，而且灵敏度易受气压和温度的影响

上述各种结构的微加速度计的特点如表1所示，经比较得知，电容式结构是更适合作为SOI技术材料微加速度计的结构类型。

2、电容式微加速度计结构的选择

图8三明治式电容微加速度计

三明治式电容微加速度计的基本结构如图8所示，固定电极分布在括动电极两边，敏感质量块的上下两面均作为动极板。

当有加速度作用时，敏感质量块发生摆动，一对电容极板间的间距变大，而另一对电容极板闭的间距变小，从而形成差动检测电容。

这种结构需要双面光刻，加工工艺设备较多．器件加工制造难度较大：

井因为悬臂支撑梁所能承受的应力有限，这种传感器所能测量的最大加速度值较小。

图9扭摆式电容微加速度计

扭摆式电容微加速度计的基本结构如图9所示，它可以看作将三明沿式微加速度计的两个固定电容极板设计在活动极板的同一侧形成的。

由扭摆式微加速度计的结构可以看出，位于支承弹性粱两边的敏感质量和惯性矩不相等，当有垂直于基片的外界加速度作用时，敏感质量片将围绕支承弹性粱扭转，结构电容大小发生变化，一对结构电容增大，一对结构电容减小，从而形成结构差动电窖，测量此差动电容值即可得到外界输入的加速度载荷大小。

这种传感器结构比较简单，不需要双面光刻，且能进行较大加速度值的测量。

图10梳齿式电容微加速度计

梳齿式微机械结构是微机械传感器的一种典型机构，己经成功用于微机械加速度计。

该结构可分为定齿均匀配置结构和定齿偏置结构，两者主要区别是固定齿与活动齿距离不等的配置方式，前者是等距离结构，后者是不等距离结构。

目前大多数梳齿式加速度计均采用不等距离的偏置结构形式。

因为为了提高传感器的分辨率和精度，梳齿式加速度计采用体硅加工，但是对于定齿均匀配置结构，其结构键合面小，键合强度较弱，而定齿偏置的梳齿式结构，如图10所示。

其键合强度高、面积大、难度低，键合接触电阻小、均匀且成品率高，提高了加速度计的分辨率和精度。

梳齿式电容微加速度计结构相对比较复杂，加工起来难度较大。

表2不同结构的电容式微加速度计比较

三明治式

结构简单，测量方法简单易行

结构需双面光刻，工艺设备多、难度大，所测量的最大加速度值较小

扭摆式

结构简单，不需双面光刻，能进行较大加速度值测量

在S0I片子上加工难度大，设器多

梳齿式定齿均置

等距离配置，一般采用表面加工工艺

定齿均匀配置结构的键合面小，键合块较多，键合强度弱，键合难度大，分辨率和精度相对较低

梳齿式定齿偏置

不等距配置，键合强度高、键合面积大，难度低，键合接触电阻小，成品率高，分辨率及精度相对高，SOI加工相对较易

一般采用体硅加工方式

三种不同结构的电容式微加速度计的特点如表2所示，通过比较可以得知，梳齿式定齿偏置结构更适合用于本SOI材料的电容式微加速度计的结构设计。

3、弹性梁结构设计

弹性梁结构形状设计与选择的原则和依据：

（1）依据检测和工作原理选择恰当的弹性梁形状和支撑结构；

（2）依据结构尺寸要求选择合适的弹性梁支撑结构形式；

（3）依据检测模态选择合适的支撑结构形式；

（4）依据加工工艺能力和加工水平条件来选择合适的弹性梁支撑结构。

表3常见弹性梁结构

表4常见弹性梁性能比较

支撑类型

检测模态刚度

交叉耦合

应力释放

特点

悬臂梁

小

有

结构简单、刚度小

双端梁

大

无

结构较简单，振动幅度小

L型梁

较大

中间尺寸较小、结构介于悬臂梁和U型梁结构

U型梁

较小

综合性能好

蛇型梁

刚度小，振动幅度大

根据上述常见弹性梁结构性能比较表格3、表4可以得知，U型梁的综合性能最佳，故选择其为本SOI材料梳齿结构电容式微加速度计的弹性梁结构。

三、梳齿结构电容式微加速度计的基本原理

1、基本工作原理

图11梳齿结构电容式微加速度计示意图

电容式加速度计的电容结构从电学角度是以等效为一对串联在一起的电容，从而可得到差动电容信号，其中敏感质量块为串联电容的公共端。

当没有外界加速度输入时，敏感质量块处于静止状态，即敏感质量块在平衡位置。

此时，中央动极板与两个固定极板间的间距分别为df1和df2，故静态电容分别为：

lfr为梳齿长度，h为梳齿高度，n为梳齿数目。

当有外界加速度a作用时，质量块受到外界加速度a引起的惯性力而产生的位移为

，电容间隙相应产生变化，从而电容值的大小改变为：

此时，有ma=K

，m为敏感质量元件质量，K为梁的刚度，a为外界加速度载荷，

为敏感质量块在外载荷作用下所产生的位移。

以下计算加速度计的分辨率：

设df1=df2，

为电路的最小电容分辨率，则加速度计的分辨率为：

通过

可以看出，可以通过提高电路最小电容分辨率

、提高材料刚度K、增大质量块质量m、减小上下极板距离比例系数

的方法提高梳齿结构电容式微加速度计的分辨率。

2、测量电路原理

图12测量电路示意图

微加速度计悬浮齿的移动，改变了板间电容，板间电容的值还需要转化为可以被有效测量到的电信号，这就需要一个与微加速度计相匹配的测量电路，如图12所示。

电路通过振荡器发出信号，同相、反相两端分别输入到上下两个电容上，经过电容的延迟作用使合并在一起的共模信号产生变化，信号变化量经过放大、解调、滤波等作用就可以输出一个与加速度值相关的信号量。

图13测量电路工作原理

图13所示为加速度信号、基板间距、电容值、电信号值的转化原理，即测量电路的基本工作原理。

Vdr（t）为振荡电路发生的振荡信号。

上下极板间电容为：

振荡发生信号：

叠加输出信号：

上述公式反映出了板间距离的变化与输出电信号

的线性关系，也具体的给出了各个信号量之间的转化关系。

四、MEMS惯性加速度计结构分析与优化

1、U型梁的分析

图14U型梁结构

如图14所示，其为U型折叠梁结构模型，梁长A1B1=AB=CD=C1D1=Lb，梁宽为Wb，结构梁厚度为h，折叠梁折叠部分的粱A1A和D1D很短，折叠部分梁（即短梁）的影响可以忽略。

整个微加速度计结构的弹性梁在敏感方向的总刚度相当于两个U型折叠梁刚度的并联。

因此，U型折叠梁的刚度为：

微加速度计整体的固有频率为：

由此，可得知MEMS微加速度计固有频率随弹性梁梁长和梁宽结构参数尺寸变化的曲线关系，如图15、图16所示。

图15梁长与固有频率的关系

图16梁宽与固有频率的关系

U型梁参数对微加速度计系统结构的性能起着十分重要的作用，随着弹性梁宽度的逐步增加，器件结构的谐振频率不断增大；

而随着梁长度的不断增加，器件结构的谐振频率不断减少，U型梁的宽度和长度对微加速度计结构谐振频率的影响作用十分显著。

增大梁的长度，减小梁的宽度，结构的谐振频率减小，但提高了器件的分辨率；

减小梁的长度，增大梁的宽度，结构的谐振频率加大，稳定性提高了，但器件的分辨率和开环灵敏度降低了。

所以，综合考虑梁宽、梁长对固有频率的作用才能使器件达到高稳定性与高分辨率性能的统一。

2、梳齿结构分析

图17梳齿数目变化与电容值关系

如图17所示，梳齿结构电容式微加速度计的电容值与梳齿数目呈正比关系，梳齿数量的增大使电容值增大。

电容值的增大可以提高微加速度计的分辨率。

图18梳齿间距变化与电容值关系

如图18所示，梳齿结构电容式微加速度计的电容值与梳齿间距呈反比关系，梳齿间距的减小使电容值增大。

所以，根据现有工艺水平使梳齿的数目尽量增多、梳齿间距尽量减小，可以有效的提高微加速度计的分辨率。

3、整体结构分析

图19梳齿电容加速度计整体结构

跟如以上的结构选择定型，可以得到如图19所示的整体结构，其中包括固定端（锚点）、含有阻尼孔的质量块、U型折叠梁、活动梳齿。

图20Ansys结构仿真

使用Ansys对其整体结构进行仿真，如图20所示。

微加速度计在1g加速度载荷作用下，器件在垂直于敏感方向的结构变形位移为1.66e-4μm，敏感方向的结构变形位移为5.782e-3μm。

这一分析数值体现了整体结构设计的合理性，并确定之成为本微加速度计的使用结构。

五、梳齿结构电容式微加速度计的制作工艺

1、SOI的制备工艺

键合和减薄工艺是进行SOI材料的制备和加工的常用工艺，其方法简单、效果良好，故选用此法制备SOI材料。

硅片键合与硅片减薄技术的具体步骤如下：

首先，将A和B两个硅晶片表面单独氧化，然后将A和B两个硅晶片的氧化层表面采用直接键合技术键合在一起；

再将其中一个硅片B采用硅片抛光减薄技术减薄到所需SOI材料的器件层厚度，另外一个硅片A则作为器件结构的基底，最终获得以SiO2为埋氧层的SOI---层释放结构，具体的加工工艺流程如下图21所示。

图21SOI材料制备工艺流程

2、器件加工工艺

在微加速度计结构中，U型折叠梁的结构参数对整个结构的性能起着非常关键的作用。

因此，在微加速度计器件加工过程中，需要保证U型折叠粱在一定长宽比、精度和准确度条件要求下顺利的进行刻蚀工作。

湿法腐蚀过程相对干法腐蚀过程速度较快，但是过程不易很好控制，同时，湿法腐蚀较难达到U型折叠粱所需的精确、长宽比要求，所以采用ICP和RIE等干法刻蚀技术进行器件的加工制作。

图22Notching效应示意图

在进行ICP和RIE刻蚀的过程中，可能会产生Notching效应。

Notching效应是指在刻蚀不同的槽宽时，相对较宽的槽的刻蚀完整准确，而在窄槽两侧的梳齿结构根部形成过刻蚀的情况。

由于梳齿间距需要尽可能的减小，所以产生Notching效应而导致梳齿底部断裂的可能性极大。

图23克服Notching效应底部覆金属膜

为了克服在刻蚀过程中产生的Notching效应，在整个器件的结构层下面溅射一层辅助的金属薄膜，利用此金属薄膜对等离子体的吸附作用来减弱刻蚀气体对微加速度计梳齿根部的侧向刻蚀，从而可以较好的达到克服Notchiag效应的结果。

采用SOI材料结构，用光刻胶做为掩膜层，利用ICP刻蚀技术，将加速度计SOI材料结构敏感质量块下面的硅基底部分刻蚀掉，再利用RIE反应离子刻蚀技术将氧化层SiO2刻蚀掉。

刻蚀完后，再溅射一层金属薄膜，然后在SOI硅器件层膜上进行光刻，用ICP技术将SOI敏感质量块的具体结构形状刻蚀出来，最后将金属薄膜腐蚀去除，再去除掩膜，这样就完成了整个微加速度计器件的结构释放工作，得到微加速度计的结构形状，具体的微加速度计器件加工工艺流程如图24所示。

图24加工工艺流程图

六、总结

通过对微观性技术这门课的学习以及完成这项作业使我对微惯性器件的种类、工作原理、制备方法等有了一定程度的了解，使我在微惯性技术方面的知识有了相当程度的积累，拓展了我的眼界见识。

在这里，我衷心地对石老师表示感谢。

参考文献：

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