一種低噪聲MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)與制作*

宋 萌， 常洪龍， 杜松杰， 謝建兵， 李鵬程

(西北工業(yè)大學(xué) 空天微納教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

0 引 言

微加速度計(jì)是一類重要的MEMS傳感器。相比于傳統(tǒng)加速度計(jì)，其具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車安全、消費(fèi)電子、航空航天慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域[1]。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種原理的微加速度計(jì)，包括諧振式微加速度計(jì)[2]、壓阻式微加速度計(jì)[3]、熱對(duì)流式微加速度計(jì)[4]、電容式微加速度計(jì)[5～7]等。其中，諧振式微加速度計(jì)的靈敏度水平較低，對(duì)制作工藝要求高，溫度性能差，諧振檢測(cè)電路等也較為復(fù)雜；壓阻式微加速度計(jì)精度較差，對(duì)于溫度敏感，力敏電阻的制作工藝也較為復(fù)雜，制作難度較大；熱對(duì)流式微加速度計(jì)動(dòng)態(tài)性能較差，響應(yīng)速度慢，線性工作范圍較小；電容檢測(cè)結(jié)構(gòu)是MEMS加速度計(jì)領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)之一，其具有靈敏度高、溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在MEMS領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。

Litton公司生產(chǎn)的SiACTM MEMS電容式加速度計(jì)采用三明治式電容檢測(cè)方案，具有良好的噪聲性能，已經(jīng)成功應(yīng)用于火星探測(cè)、空空戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等領(lǐng)域，其本底噪聲性能為35 μgn/√Hz[5]。但是，三明治微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)工藝具有較高的精度要求，并且集成電路(IC)難度較大。Tan S S等人提出了一種低噪聲的CMOS MEMS電容式微加速度計(jì)設(shè)計(jì)方案，其內(nèi)部集成檢測(cè)電路，靈敏度為595 mV/gn，本底噪聲為50 μV/√Hz[6]。但是，基于CMOS工藝的微加速度計(jì)設(shè)計(jì)和加工過程更為復(fù)雜，在微加速度計(jì)表頭制作過程中精度可控性較差，總體成本較高。

為進(jìn)一步提高電容式微加速度計(jì)的噪聲性能，Abdolvand R等人[7]提出了一種基于絕緣體上硅(SOI)的大質(zhì)量設(shè)計(jì)，通過保留SOI硅片的基底層來增加檢測(cè)質(zhì)量，可以達(dá)到減小噪聲的目的。但是該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并使得檢測(cè)電容壓膜阻尼較大，不利于閉環(huán)檢測(cè)電路的形成，另外，其工藝過程需要通過低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)進(jìn)行多晶硅沉積，并進(jìn)行多次刻蝕，工藝難度較大，可控性較差。

本文設(shè)計(jì)出一種基于SOI工藝的電容式微加速度計(jì)，在保證噪聲性能的同時(shí)，降低微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)和工藝難度。該方案采用大面積平板叉指式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，優(yōu)化了梳齒參數(shù)，有效提高了檢測(cè)質(zhì)量，降低了系統(tǒng)的機(jī)械熱噪聲和阻尼系數(shù)。同時(shí)，采用基于Al層保護(hù)的SOI工藝制作，工藝過程得到極大簡(jiǎn)化，具有良好的可控性。性能測(cè)試表明：該電容式微加速度計(jì)樣機(jī)已實(shí)現(xiàn)良好的噪聲性能，其本底噪聲能夠達(dá)到20 μgn/√Hz。

1 低噪聲設(shè)計(jì)

微加速度計(jì)的機(jī)械布朗噪聲計(jì)算公式為[8]

(1)

其中，kB為玻耳茲曼常數(shù)，T為環(huán)境溫度，D為系統(tǒng)阻尼系數(shù)，m為檢測(cè)質(zhì)量。由公式(1)可知，微加速度計(jì)的機(jī)械噪聲與環(huán)境溫度T、阻尼D及檢測(cè)質(zhì)量m有關(guān)。

由公式(1)可知，為降低加速度計(jì)表頭的機(jī)械布朗噪聲，可以通過降低阻尼系數(shù)和增加檢測(cè)質(zhì)量的方法實(shí)現(xiàn)。降低阻尼系數(shù)意味著需要采用真空封裝等更為復(fù)雜的工藝方式，需要投入更高的設(shè)計(jì)和制造成本。檢測(cè)質(zhì)量m對(duì)于噪聲性能影響更大，其與機(jī)械布朗呈明顯的反比例關(guān)系。所以，相比于降低阻尼的方法，本文采用增大檢測(cè)質(zhì)量的設(shè)計(jì)方案以降低微加速度計(jì)的機(jī)械布朗噪聲。

根據(jù)公式(1)，在取環(huán)境溫度T=298 K，阻尼系數(shù)為0.008時(shí)，微加速度計(jì)的檢測(cè)質(zhì)量與噪聲的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 檢測(cè)質(zhì)量與噪聲的關(guān)系曲線

經(jīng)分析可發(fā)現(xiàn)，在檢測(cè)質(zhì)量小于3 mg時(shí)，通過增加微加速度計(jì)表頭的檢測(cè)中心質(zhì)量能夠顯著降低其機(jī)械噪聲；在檢測(cè)質(zhì)量大于3 mg時(shí)，機(jī)械噪聲減小的趨勢(shì)逐漸減弱。所以，結(jié)合工藝和成本等因素，為取得較好的噪聲性能，本文微加速度計(jì)的檢測(cè)質(zhì)量采取最優(yōu)的3 mg。

另外，在增大檢測(cè)質(zhì)量的同時(shí)，為了降低工藝難度，減少工藝步驟，本文不保留基底層，而采用大面積平板式的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)主要由檢測(cè)電容Cs、反饋電容Cf、質(zhì)量塊、彈性梁等組成。同時(shí)，為保證微加速度計(jì)具有良好的靈敏度，需要對(duì)彈性梁、質(zhì)量塊及電容量進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖2 低噪聲微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

最終的微加速度計(jì)表頭參數(shù)：中心質(zhì)量為3 mg；質(zhì)量塊面積為5 600 μm×3 800 μm；諧振頻率為700 Hz；彈性梁剛度為30 N/m；梳齒間距為4 μm；阻尼為0.003 5；電容靈敏度高于3 pF/gn；機(jī)械噪聲為258 ngn/√Hz，其機(jī)械噪聲理論值達(dá)258 ngn/√Hz。

2 工藝流程

2.1 工藝與硅片選擇

本文所述大面積質(zhì)量塊的微加速度計(jì)表頭采用SOI工藝方法制作。SOI工藝具有良好的穩(wěn)定性特點(diǎn)，能夠滿足本文大面積平板式結(jié)構(gòu)的制作要求，利于進(jìn)行工藝簡(jiǎn)化，在提高加速度計(jì)的噪聲性能的同時(shí)，能夠減小叉軸耦合并增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

為保證微加速度計(jì)檢測(cè)質(zhì)量能夠達(dá)到設(shè)計(jì)值3 mgn的要求，本文所用SOI硅片的結(jié)構(gòu)層厚度為60 μm，基底層厚度為400 μm。

工藝過程主要特點(diǎn)是，背腔DRIE深刻蝕并釋放后，采用濺射Al層進(jìn)行結(jié)構(gòu)保護(hù)，并進(jìn)行第二次DRIE刻蝕。由于金屬Al具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，該方法能夠降低在制作大面積結(jié)構(gòu)過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而降低微加速度計(jì)表頭噪聲，同時(shí)，該方法能夠抑制Footing效應(yīng)[9]，提高加工精度。

2.2 工藝步驟

微加速度計(jì)的整體工藝過程如圖3所示，該工藝主要包括兩部分：背腔的制作(a)～(b)和器件層的刻蝕(e)～(g)。

圖4為微加速度計(jì)電鏡照片。微加速度計(jì)工藝誤差主要來源于光刻誤差和Footing效應(yīng)。器件正面梳齒寬度設(shè)計(jì)值為5 μm，實(shí)際寬度為5.14 μm；背面梳齒寬度設(shè)計(jì)值為5 μm，實(shí)際寬度為4.86 μm。二者工藝誤差均小于3 %，側(cè)壁傾斜度為0.27°。結(jié)果表明：該工藝具有較高的尺寸精度水平，能夠較好地滿足大面積結(jié)構(gòu)的加工要求。

3 測(cè)試結(jié)果與討論

3.1 噪聲測(cè)試

本文所述的微加速度計(jì)采用閉環(huán)模擬電路進(jìn)行測(cè)試。如圖5所示，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，該加速度計(jì)的本底噪聲能夠達(dá)到20 μgn/√Hz。

測(cè)試結(jié)果表明:該微加速度計(jì)具有良好的噪聲性能，說明的本文所提出的低噪聲設(shè)計(jì)方案具有良好的可行性。但器件的理論機(jī)械噪聲為258 ngn/√Hz，在采用模擬電路實(shí)測(cè)后，其結(jié)果與理論值偏差較大。經(jīng)分析，本次測(cè)試采用了模擬控制電路，其電源引入的噪聲未經(jīng)處理，若采用集成電路的方式進(jìn)行封裝測(cè)試，可提高其整體本底噪聲性能[10]。

圖3 微加速度計(jì)工藝流程示意圖

圖4 微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)電鏡圖

圖5 微加速度計(jì)的噪聲—頻率曲線

3.2 靈敏度測(cè)試

微加速度計(jì)上電后，在±1gn范圍內(nèi)每隔20°采集一次數(shù)據(jù)，共采集19組數(shù)據(jù)。分析測(cè)試數(shù)據(jù)，得到微加速度計(jì)的線性度為2 %，靈敏度為2.5 V/gn，如圖6所示。該結(jié)果表明:該微加速度計(jì)具有良好的靈敏度性能，說明本文提出的大面積結(jié)構(gòu)在降低表頭噪聲的同時(shí)能夠很好地兼顧靈敏度性能。

圖6 微加速度計(jì)靜態(tài)靈敏度曲線

3.3 頻率響應(yīng)測(cè)試

微加速度計(jì)的頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖7所示，該加速度計(jì)的頻率響應(yīng)情況良好，實(shí)際諧振頻率約680 Hz，與設(shè)計(jì)值700 Hz接近，誤差在3 %以內(nèi)。該結(jié)果表明:本文提出的基于Al保護(hù)層的微加速度計(jì)SOI工藝流程具有良好的精度水平和可控性，在大面積結(jié)構(gòu)制作方面具有優(yōu)勢(shì)。

圖7 微加速度計(jì)頻率響應(yīng)曲線

4 結(jié) 論

本文分析了梳齒電容式微加速度計(jì)機(jī)械噪聲產(chǎn)生的主要來源，并設(shè)計(jì)、制作了一種低噪聲的微加速度計(jì)，該加速度計(jì)具有良好的信噪比性能。其靈敏度為2.5 V/gn，非線性度2 %，本底噪聲優(yōu)于20 μgn/√Hz。該加速度計(jì)采用的大面積平板式設(shè)計(jì)，通過增加檢測(cè)質(zhì)量和優(yōu)化SOI工藝流程，能夠有效地降低機(jī)械噪聲，并有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升。該加速度計(jì)的設(shè)計(jì)方案能夠適用于需求高分辨率、高穩(wěn)定性的應(yīng)用領(lǐng)域，例如：慣性導(dǎo)航、地震監(jiān)測(cè)等。

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