雙軸集成加速度計結構設計

曹延磊+丁蘭

摘 要：該文基于一種集成CMOS MEMS加工方式上，設計了一個雙軸平面內加速度計。加速度計結構呈對稱結構，有一個主體質量塊、四個小質量塊、8個彈簧和感應電極組成。理論上此加速度計可以提供X和Y方向相同的檢測靈敏度。

關鍵詞：加速度計 MEMSPost CMOS

中圖分類號：V241.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0059-03

IT業的未來主要集中在可穿戴設備、車聯網、智能家居、云計算這幾方面。最幾年，隨著智能手機與可穿戴設備的興起，集成慣性傳感器的應用領域從最初的汽車工業和航空已。經拓展到消費電子領域。可以預見集成慣性傳感器未來會深入到人類生活各個方面。

加速度計是目前產量最大的慣性傳感器，它們已經被廣泛應用于汽車而工業和消費電子。而低生產成本、單片集成、低功耗和高信噪比的加速度計仍是最近的研究熱點。

1 集成加速度計制備方式

CMOS工藝中主要堆疊的材料有，單晶硅襯底，多晶硅層（Poly）、金屬層（Al）、氧化層（Fox，氧化柵極和USG介電層），鎢通孔等。由圖1可知，頂層金屬（M5）的頂部到FOX的距離8.07μm。這樣的SiO2厚度足可以做薄膜加速度計的質量塊。CMOS MEMS加速度計工藝步驟如下：

（1）將CMOS工藝線上回來的器件投入硫酸（H2SO4）雙氧水（H2O2）的溶液中。直到金屬刻蝕完成。

（2）刻蝕后需要防止粘附。用純水中將硫酸溶液稀釋置換出來。再用異丙醇溶液將純水置換。然后放到加熱器中將異丙醇蒸發干凈。到此金屬犧牲層刻蝕完成。

（3）金屬犧牲步驟完成后，需要對懸浮結構中的鈍化保護層去除。去除鈍化層的方法采用反應離子刻蝕（RIE）去除，從去除覆蓋微結構處的PASS，頂層金屬裸露出來。此步驟工藝完成后如圖1示意圖所示。進行完RIE后，MEMS微結構仍未懸浮，必須進行（4）步驟的硅襯底刻蝕才能完成釋放。

（4）采用反應離子刻蝕（RIE）對襯底進行刻蝕釋放結構。襯底刻蝕完成后微結構釋放懸浮起來，如圖1所示。

2 結構設計

圖2為加速度計整體結構示意圖。外部電路向加速度計提供的信號有：用于x方向的和-；用于感測y方向和-。加速度計向外部電路輸出的信號有：感測x方向運動的和差分輸出信號；感測y方向運動的和差分輸出信號。其中有四個彈簧沒有用于信號輸出，在這4個彈簧中需要加入金屬線保證整體的彈性常數對稱。

2.1 質量塊設計

質量塊是加速度計重要組成部分。當加速度計受到外加速度作用時，質量塊會產生位移。在電容式加速度計中，較大的位移會產生較大的變化電容，較大的變化電容會產生較大的Vsense。但是質量塊位移大小一般由兩個因素決定，（1）質量塊的質量；（2）彈簧的彈性系數。質量塊中布滿了小孔陣列，其目的有兩個：（1）便于在后制程中更容易釋放整個質量塊微結構，（2）對質量塊起阻尼作用。與實現電學連接的Via通孔不同，質量塊中的Via通孔起犧牲層的作用。標準的DRC約束Via的大小為0.36×0.36μm2大小，間隔不小于0.35μm，這樣才能實現較好通孔填充，但是這樣的約束無法滿足做犧牲層的條件，因此Via做犧牲層時需要違反DRC規則。

為了獲取較大的質量塊，在本論文中，質量塊結構由Metal5統一位置的的Passivation層一直向下到ILD層構成。3 ug的質量塊需要的版圖面積為13 000μm2。考慮到刻蝕空以及可移動電極的周邊的去除，版圖面積還要增大。質量塊有1個大質量塊和四個位于四角的小質量量塊構成。

2.2 彈簧設計

加速度計檢測的加速度方向在XOY平面內，為了保證檢測的精度和敏感方向，彈簧在設計時需要保證在z方向的彈性常數大于在XOY平面內的彈性常數。并且x和y方向的彈性常數不能過小，過小會增加系統的熱噪聲。另外對于本文采用的電容檢測方式的結構，當受到外界加速度時z方向的位移應當遠遠小于感應電極的高度，以保證x和y方向的電容不會受到影響，從而提高交叉軸靈敏度。

MEMS中由懸臂梁構成的彈簧同螺旋彈簧類似，如果采用多個彈簧構成彈簧系統，彈簧并聯時系統的彈性常數為所有各個彈性常數之和；彈簧串聯時，系統彈性常數的倒數為各個彈性常數倒數和。因此，可以采用多個彈簧并聯來增加。另外，為了獲得較高的靈敏度，通常選擇增加l，折疊彈簧可以有效的增加l，并能減小彈簧所占的版圖面積。低復雜度的彈簧外形圖2所示。彈簧采用折疊形式，彈簧折疊周期N=12，半周期長度l=64μm，寬度w=1.5μm。

在該論文中，彈簧的工藝層和質量塊一樣，采用了最多的堆疊層（從ILD到與Metal5同位置的Passivation層），從而增加了厚度t，降低z方向的彈性系數。彈簧是連接可移動質量塊與錨定端的橋梁，可移動單元上的信號只能由彈簧傳遞給處理電路.

2.3 感應電極設計

該文設計的加速度計的感測方向為XOY，所以感應電極采用平行感測分布。對于平行板電容有：

極板的重合面積越大，極板間距越小就能獲得越大的電容；極板間距越小可以獲得更高的靈敏度。較多的感應電極和增加感應電極產度可以使總體電容增加。需要指出，感應電極不能過細，也不能過長，由于殘余應力的存在，過細過長會增加感應電極曲率，導致感應電極在水平方向上失配。

在Post CMOS中，極板間距受到設計規則和限制，頂層金屬的最小線寬為0.44μm，另外，由于電容極板含有金屬，金屬必定被氧化物包圍，因此感應電極的間距不是兩側金屬面之間的距離。下面引入等效間距，對感應電極間距進行討論。如圖3所示。由于介電層SiO2的介電常數近似等于4，所以等效的感測電容：

取=0.46μm=0.44μm 得到等效間距最小值=0.67μm。為保存設計余量，仿真時該文采用等效間距=1.2μm，因而版圖設計時=0.46μm，=0.97um。

為了得到更多感應電極重疊面積，從厚度上來考慮應當采用頂層金屬。該文感應電極的感應厚度從CONTACT底部到頂層金屬Metal5，共8.07μm。同質量塊中起犧牲作用的Via不同，制作感應電極時Via有些起電學連接作用，有些Via只其犧牲層作用。起電學連接的Via，一定要遵循CMOS的DRC規則，因為Via的間距限制，從而感應電極的有效面積比從CONTCAT（連接Metal1和有源區的通孔）的底部到Metal5的頂部構成面積小。

2.4 加速度計整體結構總結

3 結語

該文首先敘述應用需求，從而分析出集成加速度計的優越性。然后結合一種犧牲金屬和各向同性刻蝕硅襯底的加工方式，設計的加速度計有一個主體質量塊、四個小質量塊、8個彈簧和感應電極組成。理論上此加速度計可以提供X和Y方向相同的檢測靈敏度。應當指出加速度計的設計和仿真是相互結合反復修改的過程，物理尺寸不僅需要滿足產線的工藝能力，還需要滿足消費電子使用的應用場合。

參考文獻

[1] 張興，黃如，劉曉彥.微電子學概論[M].北京：北京大學出版社，2010.

[2] Brand O（著）， Fedder G K（著）， 黃慶安（譯）， 秦明（譯）. CMOS MEMS技術與應用[M].南京：東南大學出版社，2007.

[3] Tsai Ming-han， Liu Yu-chia， Fang Weileun. A Three-Axis CMOS-MEMS Accelerometer Structure With Vertically Integrated Fully Differential Sensing Electrodes [J].Journal of Microelectromechanical Systems，2012，21（6）：1329-1337.