一種增大質(zhì)量塊的三軸MEMS加速度計的設(shè)計

1、    一種增大質(zhì)量塊的三軸mems加速度計的設(shè)計    馮堃張國俊王姝婭戴麗萍鐘志親摘要：介紹了一種增大質(zhì)量塊設(shè)計的三軸mems加速度計。該加速度計基于絕緣體上硅（soi）硅片，采用雙面光刻、干法刻蝕的工藝，利用了部分soi硅片的底層硅部分來增大加速度計的質(zhì)量塊，設(shè)計了基于單一米字形質(zhì)量塊的三軸mems電容式微加速度計。根據(jù)不同的外界加速度對器件產(chǎn)生的不同位移，研究了在三個軸向的加速度計的靈敏度，同時分析了加速度計的交叉軸耦合的影響。最后結(jié)合ansys仿真結(jié)果得出：所設(shè)計的微加速度計具有較高的靈敏度、抗干擾能力強、噪聲較小的優(yōu)點，在慣性傳感領(lǐng)域有一定的

2、應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：微機械系統(tǒng);三微加速度計;高靈敏度;絕緣體上硅0引言sol（silicon-on insulator，絕緣體上硅）晶片以其優(yōu)越的單晶材料特性、易于實現(xiàn)大厚度器件、易于實現(xiàn)高深寬比的制造、良好的機械穩(wěn)定性、殘余應(yīng)力小以及后續(xù)制造工藝簡單的優(yōu)點逐漸在慣性傳感器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用1-5。采用soi晶片的mems加速度計很容易實現(xiàn)大的慣性質(zhì)量塊和低布朗噪聲。因此，基于soi的微加速度計是將來慣性傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向。h.hamaguchi等人采用了不等高梳齒電極電容設(shè)計制作了z軸加速度計，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)了三軸線加速度計的設(shè)計與制造2，3。chia-pao hsu等人采用間隙閉合差分

3、電容電極設(shè)計在soi上實現(xiàn)了z軸加速度計，并采用此技術(shù)制成了基于單質(zhì)量塊的三軸加速度計6，7。本文研究的三軸微加速度計采用中心對稱米字形結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了只使用一個敏感質(zhì)量塊來檢測三個方向的加速度，同時避免了交叉軸干擾。同時，由于基于soi硅片制作，利用了soi硅片的底層硅，得到了更大的質(zhì)量塊，提高了靈敏度。1 加速度計結(jié)構(gòu)與原理1.1 加速度計結(jié)構(gòu)圖1為所設(shè)計的三軸微加速度計的俯視圖。本文中設(shè)計的微加速度計為中心對稱結(jié)構(gòu)，采用米字形質(zhì)量塊設(shè)計，錨點電極采用折疊梁與質(zhì)量塊連接。由于采用了soi硅片，可以實現(xiàn)在加工工藝上保留了部分soi硅片的底層硅部分，增大了加速度計敏感質(zhì)量塊的質(zhì)量，從而可以提高

4、微加速度計的靈敏度。在米字形質(zhì)量塊上包含了八組梳齒結(jié)構(gòu)，與其對應(yīng)的電容為cx1，cx2，cy1，cy2，cz1，cz2，cz3和cz4。四組電容（cx1，cx2，cy1和cy2）結(jié)構(gòu)相同，采用等高梳齒設(shè)計，如圖2，可以用來測量平面方向上，即x、y軸的加速度。其中，cx1與cx2是用來測量x軸加速度的差分電容，cy1與cy2是用來測量y軸加速度的差分電容。通過使可移動梳齒與固定梳齒之間的間距不同，即d1d2，實現(xiàn)了變間距的差分電容的設(shè)計，從而提高了可測量電容的靈敏度。另外四組電容（cz1，cz2，cz3和cz4）采用不等高梳齒設(shè)計，如圖3，可以用來測量z軸方向上的加速度。其中，cz1和cz2方向

5、的可動梳齒高度為固定梳齒高度的一半，兩種梳齒的下邊緣為同一高度;cz3和cz4方向的固定梳齒高度為可動梳齒高度的一半，兩種梳齒的上邊緣為同一高度，實現(xiàn)了變面積的差分電容設(shè)計，從而提高了可測量電容的靈敏度。同時，z軸方向上的可動梳齒與固定梳齒之間的間距相等，均為do，從而可以起到在電容器上施加調(diào)制電壓時減小零極點漂移的作用。 在加速度計的實現(xiàn)工藝上，分別通過采用聚酰亞胺和二氧化硅作為深硅刻蝕的掩膜，來分兩次進行干法深硅刻蝕來加工實現(xiàn)不等高梳齒。如圖2所示，電容cx1，cx2，cy1和cy2所在的梳齒為全高梳齒，需要兩種掩膜;如圖3所示，電容，cz1，cz2，cz3和cz4所在的梳齒為半高梳齒，需

6、要一種掩膜。為了實現(xiàn)增大質(zhì)量塊的設(shè)計，采用了了雙面光刻工藝對soi硅片的背面進行了光刻，這樣可以保證部分soi的底層硅得到保留作為加速度計的質(zhì)量塊的一部分，從而極大增大了慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量。1.2 加速度計原理所設(shè)計的微加速度計傳感原理如下：對于單個平行板電容器的電容與位移的關(guān)系為：故當質(zhì)量塊在x軸上下方向上同時發(fā)生位移時，電容變化只取決于x軸方向上的位移變化;當質(zhì)量塊在y軸上下方向上同時發(fā)生位移時，電容變化只取決于y軸方向上的位移變化對于z軸，分別考慮z1，z2，z3，z4四個方向，同時為了方便討論，以偏離xy軸45度方向的a-為參考平面。當位移發(fā)生在z軸向上方向時，有2 仿真分析微加速度計的

7、材料為晶相100的硅材料，其彈性模量為190 gpa，密度為2330 kg/m3。微加速度計中心八邊形部分質(zhì)量塊邊長為500 m，厚度為soi頂層硅部分60 m和部分底層硅250 m;中間有圓形阻尼孔，為了方便仿真將其等效為一個大的圓孔，其直徑為400 m。米字形伸長部分尺寸為750 m x 100 m×60 m;電容cxl，cx2，cyl和cy2所在的梳齒厚度h=60 m，電容（czl，cz2，cz3和cz4）所在的梳齒厚度h= 30m;靜止狀態(tài)時xy軸方向固定梳齒與可動梳齒的正對部分為120m×60 m，梳齒間距分別為di=5 m，d2=10 m;z軸方向固定梳齒與可動

8、梳齒的正對部分為120 mx30 m，梳齒間距分別為d0=30 m。器件總質(zhì)量為6.31×10-7kg。利用ansys有限元分析軟件對器件進行靜力學分析。分別對器件施加1g的加速度，得到微加速度計三個軸向的位移靈敏度，如表1。利用ansys有限元分析軟件對器件進行模態(tài)分析，如圖4由表2可知，所設(shè)計的微加速度計結(jié)構(gòu)對稱，前四階模態(tài)為沿z軸平動、沿x軸平動、沿y軸平動和沿z軸轉(zhuǎn)動。其中，前三階是所設(shè)計的微加速度計的主模態(tài)，其他模態(tài)是頻率為主模態(tài)2倍的雜項模態(tài)，這樣基本可以實現(xiàn)避免雜項模態(tài)對主模態(tài)的干擾。同時，三個軸向的共振頻率相差較大，說明所設(shè)計的微加速度計的交叉干擾較小，符合設(shè)計目標。

9、3 加工工藝本文中的微加速度計的加工工藝流程圖如圖2所示。（a）采用熱氧化工藝在soi硅片兩面熱生長厚度為1 m的氧化硅為后續(xù)深硅刻蝕的硬掩膜。（b）第一次雙面光刻出x軸和y軸所在的等高梳齒的平面方向區(qū)域，rie刻蝕氧化硅形成圖形。（c）在soi正面頂層硅上進行電子束蒸發(fā)鋁，然后第二次雙面光刻形成電極區(qū)域。（d）采用聚酰亞胺（ pi）為光刻膠第三次雙面光刻整個米字形結(jié)構(gòu)，亞胺化形成第二種后續(xù)深硅刻蝕的硬掩膜。（e）第一次深硅刻蝕，刻蝕厚度為頂層硅厚度的一半，然后氧等離子體rie去除亞胺化后的聚酰亞胺。（f）第二次干法刻蝕，刻蝕到soi硅片的絕緣層，至此正面結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成。（g）背面第一次雙面光刻

10、背面電極區(qū)域，rie刻蝕氧化硅，形成背面第一次干法刻蝕時的硬掩膜， （h）背面第二次雙面光刻背面米字形結(jié)構(gòu)，然后亞胺化形成硬掩膜。（i）背面第一次深硅刻蝕，刻蝕厚度為底層硅厚度的一半，然后氧等離子體rie去除亞胺化后的pi。（j）背面第二次深硅刻蝕，刻蝕到soi硅片絕緣層。（k）用氫氟酸蒸氣去除氧化硅絕緣層和掩膜層，釋放結(jié)構(gòu)得到微加速度計。4 結(jié)論本文所設(shè)計的三軸微加速度計采用雙面光刻和干法刻蝕工藝，充分利用soi硅片底層硅部分來增大質(zhì)量塊的質(zhì)量，差分電容結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得，靈敏度得到了提高。同時采用全對稱的米字形結(jié)構(gòu)，有效地減小了三軸間加速度的交叉耦合干擾。所設(shè)計的微加速度計基于soi硅片制作，

11、避免了化學機械平坦化和鍵合等工藝，簡化了工藝。總體而言，該全對稱三軸微加速度計設(shè)計合理，具有較小的交叉軸干擾和較大的靈敏度，有良好的應(yīng)用前景。參考文獻1 matsumoto y， nishimura m， matsuura m ， et al . three-axis sol capacitive accelerometer with pll c-v converterj. sensors & actuators a physical ，1999：75 77 - 85.2 tsuchiya t funabashi h . a z-axis differentialcapacitive

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