一種振動(dòng)式MEMS角加速度傳感器的加工工藝設(shè)計(jì)

一種振動(dòng)式MEMS角加速度傳感器的加工工藝設(shè)計(jì)1應(yīng)用背景介紹角加速度是角位移對(duì)時(shí)間的二次微分，也可以是角速度對(duì)時(shí)間的一次微分。MEMS角加速度傳感器作為專門測(cè)量角加速度的傳感器件，在諸多工程技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。例如，在飛航導(dǎo)彈控制中，在彈體軸上安裝MEMS角加速度傳感器測(cè)得彈體過載速率，對(duì)導(dǎo)彈穩(wěn)定控制，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈大扇面角度發(fā)射；在汽車工程設(shè)計(jì)中，采用MEMS角加速度傳感器直接測(cè)量車身的角加速度，輔以線加速度和角速率傳感器，可組成翻車預(yù)警檢測(cè)裝置。此外，MEMS角加速度傳感器還可用于衛(wèi)星姿態(tài)及防抖控制、機(jī)器人設(shè)計(jì)、飛行器動(dòng)態(tài)性能測(cè)試、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。1.1MEMS角加速度傳感器分類測(cè)量角加速度的方法，從原理上講可以是多種多樣的，如純機(jī)械式的、電磁機(jī)械式的、物理的、化學(xué)的、光學(xué)的甚至放射線式的等等，而每種方法都可以制成不同結(jié)構(gòu)及性能的角加速度傳感器。按照感應(yīng)角加速度的技術(shù)手段和測(cè)量方法，角加速度傳感器可分成直接測(cè)量方式和間接測(cè)量方式。直接測(cè)量方式是通過某種特定的敏感元件直接獲取角加速度數(shù)值；間接測(cè)量方式是通過相關(guān)算法對(duì)角速度進(jìn)行微分處理得到角加速度數(shù)值。1.1.1直接測(cè)量的角加速度傳感器直接測(cè)量的角加速度傳感器主要包括壓阻式、壓電式、液環(huán)式角加速度傳感器。（1）壓阻式角加速度傳感器：通過壓阻效應(yīng)可將外界角加速度轉(zhuǎn)變?yōu)閴好綦娮枳柚底兓?，再測(cè)量出阻值的變化量，并用相應(yīng)的電信號(hào)來表征角加速度信息，

典型壓阻式角加速度傳感器原理如圖1所示。角加速度討加速度輸出典型壓阻式角加速度傳感器原理如圖1所示。角加速度討加速度輸出-T——?時(shí)II頃伺服力卻麟—圖1壓阻式角加速度傳感器原理壓電式角加速度傳感器：根據(jù)壓電效應(yīng)，只要計(jì)算出壓電元件的感應(yīng)電壓與角加速度之間的關(guān)系，就可將角加速度轉(zhuǎn)化為電壓輸出，典型壓電式角加速度傳感器原理如圖2所示。圖2壓電式角加速度傳感器原理液環(huán)式角加速度傳感器：液環(huán)式角加速度傳感器根據(jù)流動(dòng)電勢(shì)效應(yīng)，直接將角加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，典型的液環(huán)式角加速度傳感器主要由基準(zhǔn)板、放大電路和液環(huán)構(gòu)成，如圖3所示。圖3液環(huán)式角加速度傳感器原理1.1.2間接測(cè)量的角加速度傳感器間接測(cè)量的角加速度傳感器主要包括基于線加速度計(jì)測(cè)量、電磁式、光柵式、光纖角加速度傳感器。（1） 基于線加速度計(jì)測(cè)量的角加速度傳感器：基于動(dòng)力學(xué)原理的六加速度計(jì)和九加速度計(jì)的組合可測(cè)得剛體的角加速度。（2） 電磁式角加速度傳感器：無刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī)作為角速度測(cè)量的探頭，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度成正比的電壓信號(hào)，通過對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、微分、歸一化輸出后，就可以得到滿足要求的角加速度。（3） 光柵式角加速度傳感器：傳感器采用圓光柵，通過光電轉(zhuǎn)換可將旋轉(zhuǎn)軸角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)判向電路判向，由正反方向的脈沖個(gè)數(shù)可求出旋轉(zhuǎn)角位移量，單片機(jī)可完成對(duì)角位移的微分運(yùn)算以得到角加速度。（4） 光纖角加速度傳感器：應(yīng)用現(xiàn)代光導(dǎo)纖維技術(shù)，以馬赫一澤德爾干涉儀或邁克爾遜干涉儀原理為基本理論，采用干涉方法，包括計(jì)算干涉條紋、最小點(diǎn)、正弦逼近等測(cè)量方法進(jìn)行研究。1.2MEMS角加速度傳感器特點(diǎn)隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，基于MEMS技術(shù)角加速度傳感器由于成本低、體積小、功耗低。在壓阻式角加速度傳感器中，微細(xì)加工、硅諧振梁及閉環(huán)力平衡設(shè)計(jì)等技術(shù)和方法的應(yīng)用，可顯著提高壓阻式角加速度傳感器的精密度和可靠性。在壓電式角加速度傳感器中，相比聚合物陶瓷復(fù)合材料，PVDF制成的傳感器具有更小的誤差比例；而陶瓷復(fù)合材料傳感器的測(cè)量值要比理論值小，檢測(cè)帶寬也較大。在液環(huán)式角加速度傳感器中，相比其它傳感器，液環(huán)式角加速度傳感器無精密機(jī)械部件，結(jié)構(gòu)簡單，在衛(wèi)星、戰(zhàn)略導(dǎo)彈等的導(dǎo)航、姿態(tài)控制等方面應(yīng)用廣泛。在電磁式角加速度傳感器中，較好地解決了大量程角加速度的測(cè)量問題，同時(shí)具有無觸點(diǎn)、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在光柵式角加速度傳感器中，采用了數(shù)字電路，該傳感器具有較高的測(cè)量和轉(zhuǎn)換速度，還可通過高性能集成電路芯片進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。在光纖角加速度傳感器中，由于結(jié)構(gòu)中沒有可動(dòng)部分，可以制成更為精密的傳感器件。1.3MEMS角加速度傳感器應(yīng)用MEMS角加速度傳感器作為測(cè)量角加速度的專用器件，其整體性好、功能完備、適用性強(qiáng)、尺寸微小，可直接獲得角加速度，克服間接計(jì)算方法的弊端，也可簡化應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的整體性和工程實(shí)用性。1.3.1構(gòu)建反饋控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制中，構(gòu)建基于角加速度傳感器的反饋控制系統(tǒng)已成為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)伺服控制的重要技術(shù)手段。在機(jī)器人控制領(lǐng)域，基于角加速度的反饋控制可用于關(guān)節(jié)力矩解耦、力控制以及魯棒跟蹤控制，并取得了很好的試驗(yàn)結(jié)果。在轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中，采用壓電角加速度傳感器測(cè)得角加速度，構(gòu)成負(fù)反饋伺服控制系統(tǒng)，有效解決了伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的摩擦力矩補(bǔ)償，提高了轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定性和低速狀態(tài)平穩(wěn)性。1.3.2應(yīng)用于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析及測(cè)試作為系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，角加速度反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)行狀態(tài)的良好性，可將角加速度傳感器用于系統(tǒng)狀態(tài)性能的分析和測(cè)試。運(yùn)用角加速度傳感器測(cè)得運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的角加速度，再構(gòu)成反饋，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線參數(shù)估計(jì)及故障診斷。2傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)陀螺儀是檢測(cè)物體空間轉(zhuǎn)動(dòng)角速度或角度的傳感器，也是角加速度傳感器的一種形式。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀具有體積小、功耗低、成本低等特點(diǎn)，在消費(fèi)電子領(lǐng)域取得巨大的成功。本文描述一種中心支撐的圓盤結(jié)構(gòu)MEMS陀螺儀，采用由多個(gè)同心圓環(huán)組成的結(jié)構(gòu)敏感外界角速度的變化。采用硅-玻璃陽極鍵合、深硅刻蝕等微納加工技術(shù)，得到低寄生電容、低頻率裂解的MEMS陀螺儀。2.1工作原理MEMS振動(dòng)式陀螺儀可以等效為兩軸正交的質(zhì)量一彈簧一阻尼系統(tǒng)，如圖4所示。在工作時(shí)，首先在驅(qū)動(dòng)軸（y方向）施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，器件在該方向上產(chǎn)生諧振。當(dāng)系統(tǒng)有角速度輸入時(shí)，根據(jù)科里奧利效應(yīng)，器件在敏感軸（x方向）上產(chǎn)生振動(dòng)。通過將器件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，經(jīng)過處理與計(jì)算，得到系統(tǒng)的角速度。圖4質(zhì)量一彈簧一阻尼系統(tǒng)2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，MEMS陀螺儀主要組成部分包括:振動(dòng)環(huán)、驅(qū)動(dòng)電極、敏感電極、調(diào)修電極、支撐塊。振動(dòng)環(huán)是該器件的核心部分，用于敏感系統(tǒng)角速度的變化。驅(qū)動(dòng)電極用于施加激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器件運(yùn)動(dòng);敏感電極用于檢測(cè)輸出信號(hào);調(diào)修電極用于對(duì)器件進(jìn)行頻率調(diào)修;支撐塊在器件工藝的減薄過程中，起到支撐襯底作用。

拖勵(lì)用 振動(dòng)環(huán)(a)平面圖 (b)爆炸圖圖5基本結(jié)構(gòu)結(jié)合微納加工的工藝能力以及前文分析，設(shè)計(jì)了較大的電容極板面積，較小的電容間隙，從而實(shí)現(xiàn)較高的器件靈敏度。本文設(shè)計(jì)的基本參數(shù):器件層厚度為50pm，振動(dòng)環(huán)寬度為40pm，電容間隙為5四m，直徑為8mm，環(huán)數(shù)為6，材料為〈100〉單晶硅。3詳細(xì)制作工藝流程MEMS陀螺儀的信號(hào)檢測(cè)對(duì)器件要求很高，為了減小來自器件的寄生電容等干擾，設(shè)計(jì)了硅一玻璃陽極鍵合和金一金熱壓鍵合的工藝，如圖6所示。圖6工藝流程圖具體工藝步驟為:（a）SOI硅片上濺射金屬并圖形化:制作金屬電極。（b）深硅刻蝕:形成振動(dòng)環(huán)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。（c）BF33玻璃濕法刻蝕凹槽:形成支撐硅上結(jié)構(gòu)的凸臺(tái)。（d）BF33玻璃上濺射金屬并圖形化：制作金屬電極與引線。（e）陽極鍵合與Au-Au熱壓鍵合，其中陽鍵鍵合為SOI和玻璃襯底提供良好的鍵合強(qiáng)度，保證后續(xù)工藝晶圓的完整性以及器件的良率。而金一金熱壓鍵合提供了SOI上的金電極到玻璃襯底上的金電極的電學(xué)通路，可以方便地實(shí)現(xiàn)中心支撐圓盤和振動(dòng)環(huán)、驅(qū)動(dòng)電極、敏感電極、以及靜電調(diào)修電極的電學(xué)連接，而不影響諧振環(huán)的振動(dòng)。⑴機(jī)械減薄與深硅刻蝕、RIE刻蝕:去掉SOI的底層硅與二氧化硅埋氧層。4