CN102175890A - 一种三明治式平动式闭环硅微加速度计 - Google Patents

Abstract

一种三明治式平动式闭环硅微加速度计，包括上固定电极(6)、可动硅电极、下固定电极(7)。可动硅电极的可动部分包括：8个A杆(2)、8个B杆(4)、4个C梁(3)和敏感质量块(5)。2个A杆(2)、2个B杆(4)与1个C梁(3)为一组。同一组中，2个A杆(2)相同轴；2个B杆(4)相同轴；A杆(2)与B杆(4)相平行，且A杆(2)与C梁(3)的对称轴相垂直；C梁(3)的一端通过2个A杆(2)与锚区(1)相连，C梁(3)的另一端通过2个B杆(4)与敏感质量块(5)相连。采用本发明的加速度计结构可以在国内现有微机械工艺下，仅用三层圆片实现大敏感质量、大敏感电容正对面积的闭环硅微加速度计，达到了二阶扭转模态超过一阶平动模态自振频率四倍以上的效果。

Description

一种三明治式平动式闭环硅微加速度计

技术领域

本发明涉及一种三明治式平动式闭环硅微加速度计，属于微机械技术领域。

背景技术

三明治式微机械加速度计结合了微机械加工技术加工平面图形的特点，可以充分利用工艺优势分离各传感器参数与尺寸参数之间的耦合关系，是微机械惯性仪表进一步突破精度性能的可能技术发展方向之一。在实现一阶模态与高阶模态分离后，三明治微加速度计的敏感电容正对面积将大大超过梳齿式等电容式微加速度计，这在电容间隙尺寸相当的情况下将大大提高加速度计的灵敏度和精度。并且，利用整硅片厚度加工的三明治式微机械加速度计具有较大的敏感质量，这就实现了在不损失动态范围的情况下将量程和分辨率同时减小，同时大大降低了空气阻尼带来的机械Brown噪声。与已有的湿法加工的三明治扭摆式微加速度计不同，所设计的四叶苜蓿式结构为三明治微机械加速度计保证了传感器集中参数模型，提供了一条进一步提高测量精度的技术途径。

为实现较高精度的集中参数模型简易控制，静电力反馈“三明治”式闭环硅微机械加速度计需要使敏感外界输入加速度的一阶模态为平动运动。

对于一阶模态为扭摆模态的三明治硅微加速度计而言：Draper Lab于1990年研制的微机械加速度计采用扭转支承摆片的结构。摆片的尺寸为300×600×3μm³。试验质量位于摆片的一端，其上蒸镀金属形成电极。检测质量和挠性扭梁由一硅片用薄片溶解法制成，摆的效应由偏心结构产生。检测质量和挠性轴通过固定支架，阳极焊接在派热克斯玻璃基片上。LITTON公司的芯片尺寸8.3mm×5.5mm×1.3mm，挠性梁的厚度5μm，双边电容间隙7.5μm。检测电路采用交流电容电桥和闭环静电力再平衡回路。摆片采用四次双面掩膜，在KOH溶液中控制硅片刻蚀时间的工艺。其面积为6×6mm²。电子线路采用脉冲调宽、数字输出、闭环控制的方案。量程为±10g，标度因子稳定性300ppm，偏置稳定性0.25mg。这种微机械加速度计已经于1995年与IFOG组合成IMU，用于车辆导航。在国内，何胜、王巍等所报道的微加速度计在2004年的零偏稳定性已达到0.74mg。

然而，这种结构的扭摆式加速度计在静电力闭环时在控制系统中将是分布参数模型。这个分布参数模型将使得表头的差动电容表现为不同灵敏度的差动电容并联来变化，这一点将在闭环时与静电力与间隙相关的非线性特性耦合，使得设计控制系统时面对系统复杂性与模型理想性间的矛盾，而这制约了微加速度计精度的提高。

相应地，平动式的结构由于是集中参数模型且易于加上静电力，被普遍用于高精度闭环Z轴微加速度计并广泛报道，但在微机械工艺加工实现时难度也最大。

对于一阶模态为平动模态的三明治硅微加速度计而言：密歇根州立大学于2003年报道了一种利用LPCVD淀积掺杂多晶硅作固定电极的平动式Z轴高精度加速度计方案，并于2005年成功将其集成入单晶片三轴微加速度计。这种结构的优势在于，符合差动电容的集中参数模型，易于通过静电力反馈的方式构成闭环回路，且易于实现较大的敏感电容和较大的灵敏度，使得该结构型式的Z轴微加速度计走向高精度的潜力最大。但是，这种结构对微加工的工艺要求是最高的，其中的LPCVD淀积掺杂多晶硅工艺在国内现阶段无法实现。瑞士COLIBRYS公司于2005年利用硅硅键合加工了四层硅片的三明治结构并成功开发出了高精度Z轴微加速度产品，形成了MS8000，MS9000等中精度(扭摆式)和SF1500S，SF1500L等高精度(平动式)的产品序列。针对上述两种领先的研究成果，国内陶家渠、车录锋等专家曾分别尝试相关技术，但发现国内LPCVD淀积掺杂多晶硅、四层硅键合工艺均尚未成熟。

此外有一种直观的结构，如图7所示，四周边框为固定锚区，中间黑色块为可动敏感质量片，可动敏感质量片与固定锚区通过四根直梁相连。这种结构型式虽然也属于平动式结构，但由于是超静定结构刚度较大，灵敏度很低，此外其结构型式也决定了其传感器敏感运动模型的不理想。这两点均制约了这种结构型式的微加速度计的精度。其中，理想的传感器敏感运动模型是指传感器一阶自振频率与二阶自振频率分离超过四倍以上，否则传感器结构在敏感外界信息后运动时将较大地受到二阶自振运动模态影响，从而损失精度。

综上，对于现有的“三明治”微加速度计技术而言，类似的解决方案有：国外通过四层硅工艺或复合硅工艺解决模态分离问题，但同样存在结构敏感面积不能做大的问题；国内目前有以下几种技术路线：三层圆片工艺，实现模态分离四倍以上，但一阶敏感运动模态为扭转运动，不完全符合差动电容的集中参数模态，传感器精度受限；三层圆片工艺，未实现模态分离四倍以上，采用悬臂梁实现一阶敏感平动运动模态，既受较大高阶模态耦合影响微加速度计正交灵敏度，又受模态问题影响不能做大敏感面积，传感器精度受限；应用四层硅工艺或复合硅工艺，能实现模态分离四倍以上，采用悬臂梁实现一阶敏感平动运动模态，但工艺不成熟。本发明克服了已有的国内现阶段仅能完成三层硅工艺的不足，实现了平动敏感运动集中参数模型、大敏感面积、二阶模态与一阶敏感模态分离、低机械布朗噪声水平的微机械敏感结构。

故国内现有的“三明治”硅微加速度计结构，或是平动敏感运动但高阶模态与一阶模态分离倍数小于四倍、或是非平动敏感运动，在传统结构型式上制约了“三明治”式微加速度计的性能提高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种三明治式平动式闭环硅微加速度计。本发明所述的三明治式平动式闭环硅微加速度计结构可以在国内现有微机械工艺下，仅用三层圆片实现大敏感质量、大敏感电容正对面积的闭环硅微加速度计，达到了二阶扭转模态超过一阶平动模态自振频率四倍以上的效果。

本发明的技术解决方案为：

一种三明治式平动式闭环硅微加速度计，包括上固定电极、可动硅电极、下固定电极，可动硅电极与上、下电极间有相等的微米量级间距，可动硅电极包括锚区与可动部分，锚区用于实现可动硅电极与上电极和下电极的相对固定，其特征在于：

可动硅电极的可动部分包括：8个A杆、8个B杆、4个C梁和敏感质量块；2个A杆、2个B杆与1个C梁为一组；

同一组中，2个A杆相同轴；2个B杆相同轴；A杆与B杆相平行，且A杆与C梁的对称轴相垂直；

C梁的一端通过2个A杆与锚区相连，C梁的另一端通过2个B杆与敏感质量块相连。

所述敏感质量块的厚度不超过硅片去除电容间隙的厚度。

每个A杆的长度不超过相邻两组中相互平行的2个A杆间垂直距离的1/4。

所述A杆的长度等于相邻两组中相互平行的2个A杆间垂直距离的1/4。

每个B杆的长度为工艺允许的最小长度。

敏感质量块由5个矩形组成，其中4个矩形面积相等分布在四角，1个矩形位于中间，5个矩形相拼构成一个整体。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明的平动敏感运动相比于扭转敏感运动而言，更符合差动电容的理想集中参数模型，在同样加工误差影响下更好保证微加速度计的精度。

2.本发明由于采用八对扭杆(即A杆与B杆)差动实现平动敏感运动，与传统“三明治”微机械结构相比，避免了用悬臂梁实现平动敏感运动时遇到的一阶平动模态与二阶扭转模态难分离的问题。因此，相比于悬臂梁结构不能增大敏感面积使二阶扭转模态对应的转动惯量增加而言，本发明可以在实现模态参数分离的基础上实现大敏感面积和大敏感质量，即四叶苜蓿形敏感面积。

3.本发明也可通过将敏感面积一分为五地划为四叶苜蓿形状，获得仅相当于同样总面积的正方形敏感面积的阻尼的1/5的低阻尼，即低机械布朗噪声水平。

4.本发明可在国内三层圆片工艺水平下解决平动集中参数模型与模态分离四倍以上兼得的问题，从而在国内现有工艺约束下得到理想的传感器平动敏感运动模型。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为垂直平动敏感运动示意图；

图3为中间可动硅片敏感结构的微机械加工工艺版图示意；

图4为“玻-硅-玻”微机械工艺加工流程示意；

图5为“硅-硅-硅”微机械工艺加工流程示意；

图6为本发明一个具体实施例的可动硅电极1/4部分照片；

图7为用于对比的一种直观的三明治结构中间可动硅片结构示意。

具体实施方式

一、设计方案

所谓“三明治”式硅微机械结构，是指由玻-硅-硅三层圆片或硅-硅-硅三层圆片以微机械加工工艺制成的微机械结构，其中上、下层玻璃圆片或硅圆片一般作为固定电极，而中层的硅圆片一般作为差动电容中间电极加工成可动结构，因此中间硅结构是微机械结构关键技术。如图1、2所示，为本发明的中间硅片可动结构的可动硅电极结构示意图、垂直平动敏感运动示意图以及本发明立体示意图。它由中间电极的锚区1、A杆2、C梁3、B杆4、敏感质量5、上固定电极6、下固定电极7组成。对于中间电极而言，外围是包围可动结构的挖空后的大面积锚区1，八根A杆2与锚区1相连，四根传递梁C梁3分别与四对分别处于方形挖空区域同一边的A杆2相连，起传递运动的作用，八根与A杆2平行的B杆4联接传递梁C梁3与敏感质量5。这样，敏感质量5受到八根A杆2、四根C梁3、八根B杆4共同组成的弹性结构约束，主要敏感来自垂直于敏感面积方向的加速度并沿可敏感方向在上固定电极6和下固定电极7之间作垂直于芯片平面的平动运动。

此发明的关键在于：不用常规结构的悬臂梁支撑原理，而改用八对扭杆(即A杆和B杆)转动差动产生敏感方向的平动运动，在国内现有微机械加工工艺约束下仅利用一块硅片实现后，与两块玻璃电极或硅电极形成“三明治”结构。通过扭杆转动替代悬臂梁支撑的方式，使得决定一阶平动模态和二阶转动模态的主要梁尺寸的参数分离来保证模态分离。利用常规MEMS加工工艺的二维成形能力使得中间硅片具有平动敏感运动、大敏感电容正对面积、低机械布朗噪声水平、四倍以上高阶模态分离的特征。

上述方案的原理是：在适应国内现有微机械加工工艺水平要求之余，根据尺度效应，此“玻硅玻”三明治结构型式方案在本发明所要求的芯片尺度下的参数可满足传感器需要。通过八对扭杆差动产生平动的敏感运动形式，利用框架结构抑制二阶扭转运动形式。由于可以通过尺寸分离来同时满足平动运动、模态分离、大敏感面积和低阻尼，显然这种结构形式在本说明所要求的尺度下优于“三明治”微加速度计结构中传统的悬臂梁支撑的结构型式。本发明所述硅微加速度计的微机械加工工艺流程包括：标准的玻璃或硅上、下电极制备；干法或湿法刻蚀两面电容间隙；两次ICP定义及释放结构；两次玻硅或硅硅键合完成三明治结构；两次裂片以满足引线要求。

如图2所示，当外界Z轴加速度出现时，受惯性力作用，A杆2和B杆4会转过一个大小相同，方向相反的角度θ，这样，差动扭杆悬挂结构就使质量块发生了一个Z轴方向上的平动位移Z_s＝l_csinθ，其中l_C是C梁3的长度(每组A杆2与B杆4的间距)。由于C梁3线宽与厚度都与硅片厚度差不多，故其刚度很大，变形很小。在系统正常工作时，微加速度计是一个静态无差闭环力反馈系统，故θ非常小，有sinθ≈θ，故Z_s＝l_cθ。位移A_pA_p’由与A_p点邻接的框架结构提供，且A_pA_p’＝l_C(1-cosθ)≈1/2l_Cθ²，故ApAp’比θ的阶次高一阶，而与A杆2邻接的框架结构的刚度并不会相应高一阶，如图3和图6所示，故关于位移A_pA_p’的刚度可忽略，本结构为非超静定结构。

实施例

一种三层圆片的“三明治”平动式微加速度计，可采用“玻-硅-玻”微机械工艺或“硅-硅-硅”微机械工艺实现。两种工艺主要区别在其上、下电极用玻璃圆片实现或硅圆片实现，以及可动硅电极与上、下电极的装配用玻-硅键合或硅硅键合实现。工艺过程为：基于玻璃或硅的标准上、下电极工艺；可动硅电极工艺：两次TMAH工艺同时刻蚀或干法刻蚀中间可动硅片两侧电容间隙和止档；第一次DRIE/ICP工艺刻蚀定义梁、阻尼孔和质量块、键合区域；第一次玻-硅或硅-硅键合键合工艺封闭已刻蚀面和一面的电容间隙；第二次DRIE/ICP工艺刻透释放梁、阻尼孔和质量块；第二次玻-硅或硅-硅键合工艺封闭第二次刻蚀面和相应电容间隙；两次裂片工艺露出敏感结构向外作电气引线的焊盘，其中“玻-硅-玻”微机械工艺的上电极的焊盘通过中间硅片的孤立硅块引向下方玻璃电极。

如图4所示，设用玻-硅-玻工艺进行加工，则工艺流程为(下文9个步骤对应如图4所示的9步流程)：1.对上电极对应玻璃作金属化制作上层电极；2.对下电极对应玻璃作金属化制作下层电极；3.对中层硅片湿法TMAH或干法RIE刻蚀加工止档；4.对中层硅片湿法TMAH或干法RIE刻蚀加工电容间隙，确定锚区和挖空面积；5.对中层硅片一次ICP或DRIE刻蚀确定各杆、梁和敏感质量块；6.进行第一次静电键合将中层硅片已刻蚀面与对应固定玻璃电极键合；7.进行第二次ICP或DRIE刻蚀释放结构；8.进行第二次静电键合将中层硅片与另一块固定玻璃电极键合；9.进行两次划片和裂片，完成微结构加工并露出引线用的金属电极。

如图5所示，设用硅-硅-硅全硅工艺进行加工，则工艺流程为(下文9个步骤对应如图5所示的9步流程)：1.对中层硅片两次湿法TMAH或干法RIE刻蚀加工止档和电容间隙，确定锚区和挖空面积；2.对中层硅片一次ICP或DRIE刻蚀确定各梁和敏感质量块；3.进行第二次ICP或DRIE刻蚀释放结构；4.去除中间硅片的掩膜介质；5.对上电极对应硅片进行氧化形成绝缘层；6.对下电极对应硅片进行氧化形成绝缘层；7.进行硅硅键合将中层电极与上电极键合；8.进行硅硅键合将中层电极与下电极键合；9.进行两次划片和裂片，双面蒸金属，完成微结构加工并露出引线用的金属电极。

除结构特征和尺度效应带来的二阶模态比一阶模态自振频率分离程度高，及相应的大电容、大敏感质量、小寄生电容等优势外，本发明充分地实现了把各参数与对应的传感器表头性能参数的关系分开的效果，所以在进行设计时可以分别根据不同性能的需要将各尺寸参数分别调至最优，减少了设计工作中某个尺寸参数同时耦合影响多个传感器表头性能参数的掣肘情况，使得尺寸优化设计事半功倍。

如表1所示，为传统结构型式与本发明的“三明治”表头参数与尺寸的关系比较。

表1

本发明的一个实施例为：采用玻硅玻工艺实现；可动硅电极厚度为300μm，A杆2的厚度为286μm，A杆2的宽度为15μm，A杆2的长度为1000μm，B杆4的厚度为120μm，B杆4的宽度为10μm，B杆4的长度为20μm，C梁3长度(每组A杆2与B杆4间距)为2170μm，C梁3宽度(每组两个B杆4中心距离)为1920μm，质量片5厚度为286μm，电容间隙7μm。阻尼孔尺寸为30×30μm²，阻尼孔中心间距为120μm。其可动硅电极1/4部分的照片如图6所示，图中白色为硅部分，黑色为去除材料后空缺部分。

设计时，A杆2的长度有如下优选方案：敏感质量块在二阶运动模态下发生转动时，主要是受接近结构外框悬臂梁A杆2的尺寸参数制约。显然为了得到较高的二阶扭摆自振频率，要使A的垂直于纸面方向的弯曲刚度很大。A杆2的长度以同样的三次方关系决定A杆2沿长度方向垂直与芯片的弯曲刚度，但一个方向决定二阶自振频率要求弯曲刚度大，另一方向决定温度和封装应力释放要求弯曲刚度小，加之A杆2的长度较小后原二阶转动模态会退化为更高阶的模态而其他自由度的高阶模态却显现出来使得继续减小A杆2的长度没有意义，此外质量片5相同的翻转角度对框架的刚度既取决于决定A杆2的弯曲刚度的长度又取决于翻转半径，故A杆2的长度值应优选后近似取中(即相邻两组中相互平行的2个A杆2间垂直距离的1/4)。而为保证较高的二阶扭摆自振频率和较低的温度和封装应力释放刚度，将以三次方关系主要决定两者的A杆2厚度和A杆2宽度度分别调大到整硅片厚度减去两侧电容间隙(286μm)和调小到只保证ICP过刻侧掏后顺利加工完成的程度(15μm)。

测试结果表明，在采用了本发明方案之后，实现了较好的高阶自振频率与一阶平动模态自振频率分离(一阶平动自振频率为1221Hz，二阶扭摆自振频率为7497Hz，6.15倍)，较大的敏感质量(1.66×10^-5kg)，敏感面积(24.4mm²)和敏感电容(7μm电容间隙下为42.40pF)，较低的空气阻尼系数和机械噪声水平(0.18μg/Hz^1/2)，较好的加工残余及裂片应力释放效果，较低的结构温度系数(33μg/℃)和较低的交叉耦合灵敏度(-70dB)。试制成功的敏感电容间隙为7μm的三明治平动式硅微加速度计原理样机，量程为±3g，阈值优于5×10^-5g，2小时零偏稳定性达到0.1mg，非线性400ppm，标度因数为2.602V/g。如果在工艺条件允许下进一步缩小电容间隙，可得到与间隙平方成反比的量程、分辨率的提高。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种三明治式平动式闭环硅微加速度计，包括上固定电极(6)、可动硅电极、下固定电极(7)，可动硅电极与上、下电极间有相等的微米量级间距，可动硅电极包括锚区(1)与可动部分，锚区(1)用于实现可动硅电极与上电极和下电极的相对固定，其特征在于：

可动硅电极的可动部分包括：8个A杆(2)、8个B杆(4)、4个C梁(3)和敏感质量块(5)；2个A杆(2)、2个B杆(4)与1个C梁(3)为一组；

同一组中，2个A杆(2)相同轴；2个B杆(4)相同轴；A杆(2)与B杆(4)相平行，且A杆(2)与C梁(3)的对称轴相垂直；

C梁(3)的一端通过2个A杆(2)与锚区(1)相连，C梁(3)的另一端通过2个B杆(4)与敏感质量块(5)相连。

2.根据权利要求1所述的一种三明治式平动式闭环硅微加速度计，其特征在于：所述敏感质量块(5)的厚度不超过硅片去除电容间隙的厚度。

3.根据权利要求1所述的一种三明治式平动式闭环硅微加速度计，其特征在于：每个A杆(2)的长度不超过相邻两组中相互平行的2个A杆(2)间垂直距离的1/4。

4.根据权利要求1或3所述的一种三明治式平动式闭环硅微加速度计，其特征在于：所述A杆(2)的长度等于相邻两组中相互平行的2个A杆(2)间垂直距离的1/4。

5.根据权利要求1所述的一种三明治式平动式闭环硅微加速度计，其特征在于：每个B杆(4)的长度为工艺允许的最小长度。

6.根据权利要求1或2所述的一种三明治式平动式闭环硅微加速度计，其特征在于：敏感质量块(5)由5个矩形组成，其中4个矩形面积相等分布在四角，1个矩形位于中间，5个矩形相拼构成一个整体。

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