梳狀電容式微加速度計溫度性能優(yōu)化

王帥民，孫國良，牛昊斌，李博洋，余才佳

（中國航空工業(yè)集團公司西安飛行自動控制研究所，西安710076）

0 引言

隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展,微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems,MEMS）加速度計越來越廣泛地應用于飛機儀表、智能彈藥、民用產(chǎn)品之中。加速度計的環(huán)境適應性也越來越引起人們的關注,加速度計的零偏溫度系數(shù)已成為衡量加速度計性能的重要指標。建立加速度計輸出值的溫度模型進行補償是目前廣泛用來優(yōu)化提升加速度計溫度性能的方法[1],但補償殘差仍與加速度計直接輸出的溫度性能息息相關。只有減小加速度計直接輸出電壓的溫度漂移量才能進一步減小補償殘差,提高加速度計的精度和穩(wěn)定性。

梳狀電容式加速度計是MEMS加速度計的主流形態(tài)之一,目前該類加速度計的表頭大都采用玻璃-硅-玻璃的3層結構,并由伺服控制電路生成反饋實現(xiàn)加速度計閉環(huán)。環(huán)境溫度變化時,玻璃-硅-玻璃結構的材料應力和電路元件不匹配帶來的靜電力會影響表頭動齒的位置,使得加速度計零偏隨溫度漂移。因此,許多研究人員提出了玻璃-硅-玻璃結構的應力仿真優(yōu)化[2]、電容檢測電路輸出電壓補償[3]等方法提升加速度計溫度性能。但是,玻璃-硅-玻璃結構自身的材料應力難以徹底消除,只能部分消除表頭應力,其它應力仍會作用在敏感結構上。環(huán)內(nèi)預補償雖然能夠有效提高產(chǎn)品溫度性能,但補償方法較為復雜。每只加速度計都需要針對性反復測試,以確定環(huán)內(nèi)補償模型。對元器件進行調(diào)整,實現(xiàn)表頭動齒平衡位置的控制,會使加速度計的裝配調(diào)試過程復雜化,在工程化生產(chǎn)中難以應用。

本文分析了加速度計的表頭、電路、封裝等因素對加速度計零偏的影響,通過電路溫度性能測試篩選、全硅表頭、封裝粘膠位置形狀控制等手段完成了加速度計組件的溫度性能優(yōu)化。在兼顧生產(chǎn)流程可行性的同時,有效減小了加速度計原始輸出的溫度系數(shù),加速度計零偏輸出的穩(wěn)定性、重復性也有不小的提升。

1 加速度計零偏的影響因素

加速度計零偏是衡量加速度計性能的重要指標,對于梳齒電容式加速度計來說,其零偏主要包括機械零位和電路零位[2]。機械零位是指無加速度輸入、無反饋電壓施力時,動齒受材料應力等因素影響偏離結構中心而帶來的表頭電容不對稱及加速度計閉環(huán)工作時對應的反饋電壓信號。電路零位是指當表頭電容的容值相等時,由于電路元件不匹配帶來的電容檢測電路輸出偏置及加速度計閉環(huán)工作時對應的反饋電壓信號。

梳狀電容式加速度的系統(tǒng)原理如圖1所示[3]。當外界輸入加速度為0時,閉環(huán)系統(tǒng)的零偏電壓V0可由表頭不對稱電容Cm、電路不對稱電壓Ve表示

式（1）中,Kf為反饋靜電力系數(shù)（力矩器系數(shù)）,k為表頭總剛度（含機械剛度和靜電負剛度）,Kdc為位移-電容系數(shù),Kcv為電容檢測電路的檢測靈敏度。

圖1 閉環(huán)電容式微機械加速度計系統(tǒng)原理Fig.1 System principle of closed-loop capacitive micromechanical accelerometer

加速度計的機械零位可表示為

加速度計的電路零位可表示為

由式（3）可知,加速度計電路零位與電路不對稱電壓存在線性關系,電路不對稱電壓可由固定電容法測得。因此,可由加速度計伺服電路的電路不對稱電壓-溫度系數(shù)計算得到加速度計電路零位的溫度系數(shù)。工程生產(chǎn)時,一方面可以控制電容檢測電路中關鍵元器件的精度,以減小電路零位、加速度計零偏的基礎值,進而減小零偏的漂移量；另一方面,可以通過測試篩選得到電路零位溫度系數(shù)較小的伺服電路。通過這兩方面的措施,可以減小加速度計產(chǎn)品的電路零位溫度系數(shù)。

梳狀電容式加速度計表頭的電容檢測原理如圖2所示。加速度計的機械零位主要表現(xiàn)為加速度計表頭電容的不對稱,這是由加工時的工藝誤差造成的。生產(chǎn)過程中,可以通過表頭電容測試篩選等流程篩選出電容對稱性較好的表頭,減小加速度計產(chǎn)品的機械零位。但在實際應用中,隨著環(huán)境溫度的變化,由于表頭自身多層結構材料熱膨脹系數(shù)不一致,因此會產(chǎn)生應力使表頭的結構發(fā)生形變,影響電容極板間隙,改變電容差值,引起表頭電容匹配度的變化[4]。加速度計封裝時,表頭與封裝管殼之間的粘接處也會產(chǎn)生熱應力,傳遞到表頭敏感結構處,影響表頭電容匹配度[5-7]。

圖2 梳狀電容式微機械結構檢測原理Fig.2 Detection principle of comb-finger capacitive micromechanical structure

因此,需要從表頭自身結構和封裝粘接工藝兩方面進行改進和優(yōu)化,以減小加速度計機械零位的溫度系數(shù)。

2 電路零位溫度漂移測試及篩選

由式（3）可知,加速度計的電路零位與電容檢測電路的不對稱電壓線性相關。因此,需要準確測出電容檢測電路的不對稱電壓來進行電路篩選。對于電容檢測電路而言,其輸出電壓Voe可以表示為

當C1=C2時,電容檢測電路輸出電壓即為不對稱電壓,但實際測試時難以做到電容完全匹配。因此,可以通過交換C1、C2位置的方法進行測量,即

采用該方法對25只某型梳狀電容式加速度計的電容檢測電路進行溫度測試,可得電路的不對稱電壓Ve的溫度漂移。結合不對稱電壓-電路零位系數(shù),可以得到電路零位在-40℃～70℃溫度區(qū)間的漂移量分布,如圖3所示。

圖3 某批電容檢測電路與對應加速度計溫度性能Fig.3 A batch of capacitance detection circuits and corresponding accelerometers temperature performance

結合電路零位的分布情況,可以選擇20mg為伺服電路篩選標準。此時,電路零位溫度漂移占加速度計零位溫度漂移的比例為2%～20%,能夠滿足工程生產(chǎn)需求。

3 玻璃-硅-玻璃表頭與全硅表頭

梳狀電容式加速度計的表頭包括結構層和上下蓋板。早期產(chǎn)品受鍵合工藝限制,采用玻璃-硅-玻璃鍵合方案[8],中間結構層為硅,上下密封-電極引線層為7740#玻璃,其結構示意圖如圖4（a）所示,硅和玻璃的熱膨脹系數(shù)如圖4（b）所示。

圖4 玻璃-硅-玻璃表頭及各結構層熱膨脹系數(shù)對比Fig.4 Glass-Si-Glass micromechanical structure and their thermal expansion coefficient

當表頭在-40℃～70℃的溫度區(qū)間內(nèi)工作時（尤其在低溫段時）,由于表頭材料熱膨脹系數(shù)的差異,會造成動齒結構錨點和定齒結構錨點之間的相對位移,進而引起表頭電容差值的變化,影響加速度計閉環(huán)零偏。

通過硅-硅鍵合工藝,可以得到硅-硅-硅結構表頭。該表頭各層熱膨脹系數(shù)一致,動齒結構錨點與定齒結構錨點之間位置相對固定,可以大幅度減小定齒-動齒間隙隨溫度變化的改變量,減小機械零位的溫度漂移量,提升產(chǎn)品溫度性能。但是,全硅表頭鍵合處存在不超過3μm的SiO2層,會帶來很大的寄生電容。該寄生電容會隨溫度而變化,嚴重影響加速度計的溫度性能,需要通過電容檢測電路的相關設計實現(xiàn)對該寄生電容的屏蔽。采用具有屏蔽寄生電容功能的CV檢測電路后,寄生電容隨溫度變化帶來的加速度計零位漂移幾乎為0,表頭整體的零位溫度系數(shù)大幅度減小,可以有效提高加速度計的溫度性能。

4 表頭封裝粘接工藝優(yōu)化

除了表頭自身結構的熱應力帶來的機械零位以外,表頭的粘接封裝結構隨溫度變化產(chǎn)生的熱應力也會傳遞到表頭敏感結構,影響加速度計的機械零位。

目前,MEMS加速度計多采用陶瓷管殼封裝,常見材質(zhì)包括Al2O3、Si3N4等。這些材料與硅的熱膨脹系數(shù)也不一致,受熱時會產(chǎn)生相應的熱應力,影響加速度計零位。由于該熱應力主要通過粘膠區(qū)域傳遞到表頭,因此可以通過設計粘膠點的位置、分布形狀、面積來減小應力的傳遞。結合其他產(chǎn)品經(jīng)驗,本文設計了全面粘膠、對稱3點粘膠、單點粘膠等多種粘膠方案,并對這些方案進行了仿真及實際產(chǎn)品測試。仿真結果表明,通過采用3個對稱的粘膠點的方案可以有效減小封裝熱應力的傳遞,提升加速度計的溫度性能,3種不同粘膠方案的仿真結果和對應產(chǎn)品測試結果如表1所示。

表1 幾種粘膠方案溫度仿真與實測結果Table 1 Temperature simulation and measured results of several bonding schemes

5 優(yōu)化后加速度計的性能

采用綜合以上3種方法的新方案對加速度計產(chǎn)品進行優(yōu)化,得到的梳狀電容式加速度計產(chǎn)品如圖5所示。

新方案不僅對加速度計的溫度性能有明顯提升,同時對加速度計的穩(wěn)定性、重復性也有明顯改善。本文對5只新裝配方案的加速度計進行性能測試,測試結果如下。

圖5 全硅表頭與加速度計產(chǎn)品Fig.5 Full-Silicon micromechanical structure and accelerometer products

（1）溫度系數(shù)測試

采用新方案生產(chǎn)的一批加速度計（5只）與同一生產(chǎn)線采用舊方案生產(chǎn)的一批加速度計（方案變更前最后一批,5只）相比,零偏溫度系數(shù)明顯減小。測試結果如表2所示。

表2 優(yōu)化前后加速度計（各5只）零偏溫度系數(shù)對比Table 2 Comparison of accelerometer zero-bias temperature coefficient before and after optimization

可以看出,采用新方案后,加速度計的零偏溫度系數(shù)均值由1.3mg/℃減小至0.5mg/℃,溫度性能得到明顯改善。

（2）穩(wěn)定性、重復性測試

以A0231加速度計為例,在0g條件下的穩(wěn)定性（1h）及重復性（6次測試,各次測試之間斷電并轉動一周,每次上電測試30min）測試結果如圖6所示。測試結果表明,新方案的加速度計穩(wěn)定性、重復性也有一定程度的提升。

圖6 優(yōu)化后加速度計的穩(wěn)定性與重復性Fig.6 Stability and repeatability of accelerometer after optimization

該加速度計的常溫輸出穩(wěn)定性為0.053mg,常溫輸出重復性為0.073mg。該批次新方案的加速度計穩(wěn)定性、重復性也都接近該加速度計。經(jīng)過統(tǒng)計,方案變更前后加速度計的平均穩(wěn)定性和平均重復性如表3所示。可以看出,采用新方案后,生產(chǎn)線裝配的加速度計性能有明顯提升。

表3 優(yōu)化前后加速度計的平均穩(wěn)定性和平均重復性Table 3 Average stability and average repeatability of accelerometer before and after optimization

6 結論

加速度計的零偏主要是由伺服電路的電路零位和表頭的機械零位組成,電容檢測電路不對稱電壓隨溫度變化的漂移和表頭電容差值隨溫度變化的改變是加速度計零偏溫度漂移的主要影響因素。

通過對加速度計伺服電路進行溫度性能測試,可得到電路零位的溫度系數(shù),并根據(jù)電路的不對稱電壓-電路零位系數(shù)進行電路篩選,可以有效降低加速度計的電路零位。采用基于硅-硅鍵合工藝的全硅表頭,使用對稱3點粘膠方案,可以有效減小加速度計的機械零位溫度漂移。

采用這些優(yōu)化措施之后,梳狀電容式加速度計的電路零位溫度漂移、機械零位溫度漂移都得到了明顯改善,加速度計零偏溫度系數(shù)由1.3mg/℃減小至0.5 mg/℃,加速度計在0g條件下的輸出穩(wěn)定性和輸出重復性達到0.1mg左右。