牛昊彬，孫國良，王帥民，張方媛

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710076）

MEMS 加速度計(jì)具有體積小、成本低、功耗小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、汽車和工業(yè)控制領(lǐng)域的加速度、振動(dòng)、沖擊和傾角等測(cè)試[1]，是小型化慣性測(cè)量單元的核心組件。MEMS 加速度計(jì)按照檢測(cè)原理的不同有電容式、壓阻式、諧振式、光學(xué)類、隧道電流式等[2]，其中電容檢測(cè)由于具有良好的靈敏度、溫度特性和動(dòng)態(tài)特性，被中高端MEMS加速度計(jì)廣泛采用。

電容式MEMS 加速度計(jì)通常采用面外運(yùn)動(dòng)的平板電容結(jié)構(gòu)或者面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的梳齒電容結(jié)構(gòu)[2-4]。相比梳齒電容結(jié)構(gòu)的MEMS 加速度計(jì)，平板電容結(jié)構(gòu)的MEMS 加速度計(jì)通常采用較大的敏感質(zhì)量，機(jī)械靈敏度較高，有利于獲得高精度。然而，隨著深反應(yīng)離子刻蝕（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）技術(shù)和電路水平的提升，這種優(yōu)勢(shì)正在減弱。如今，梳齒結(jié)構(gòu)的電容式MEMS 加速度計(jì)由于具備更優(yōu)的過載能力和設(shè)計(jì)靈活性，正逐漸成為中高端MEMS 加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一種選擇[4]。

本文給出了一種高精度梳齒電容式MEMS加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝實(shí)現(xiàn)和性能測(cè)試，其特點(diǎn)為采用了圓片級(jí)封裝的全硅工藝方案，整表具備良好的封裝形態(tài)和性能，適合小型化慣性測(cè)量單元集成。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，其由錨點(diǎn)、U型彈性梁、固定梳齒、可動(dòng)梳齒和“日”字型的質(zhì)量框組成，可動(dòng)梳齒與“日”字型質(zhì)量框共同構(gòu)成加速度計(jì)的敏感質(zhì)量。當(dāng)受到水平向的外部加速度時(shí)，敏感質(zhì)量將在水平方向移動(dòng)，與左右對(duì)稱布置的固定梳齒形成差分電容。

加速計(jì)為典型的二階系統(tǒng)，系統(tǒng)方程為

其中，m為敏感質(zhì)量，x為敏感質(zhì)量的位移，b為結(jié)構(gòu)粘性阻尼系數(shù)，k為彈性梁剛度，a為外部加速度。

式(1)可等效為

常值加速度輸入穩(wěn)定后，式(2)可簡(jiǎn)化為

可見，敏感質(zhì)量和彈性梁剛度決定了加速度計(jì)的靈敏度，而選擇相對(duì)較小的梳齒間隙則有利于提高單位輸入下的差分電容變化量，從而有利于提高加速度計(jì)的電容靈敏度和信噪比。在閉環(huán)工作模式下，反饋電壓產(chǎn)生的靜電力對(duì)慣性力的平衡能力決定了加速度計(jì)的量程，其由基礎(chǔ)電容、梳齒間隙、敏感質(zhì)量和反饋電壓等共同決定?；谏鲜隹紤]和實(shí)際工藝能力約束，本文加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)設(shè)計(jì)如表1。結(jié)構(gòu)有限元仿真結(jié)果顯示該加速度計(jì)一階諧振頻率為1918.46Hz，工作模態(tài)如圖2。

表1 主設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Maindesignparameters

圖2 加速度計(jì)一階模態(tài)Fig.2 The first modeof theaccelerometer

噪聲水平是衡量加速度計(jì)性能潛力的重要指標(biāo)，本文中加速度計(jì)采用常壓封裝，其理論機(jī)械噪聲水平

式(4)中KB為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

2 工藝實(shí)現(xiàn)

本文加速度計(jì)采用三層全硅工藝方案，其剖面示意圖如圖3，由上層蓋板、中間結(jié)構(gòu)層和下層電極引出層組成。其中，電極引出層的硅通孔有兩種類型，一種用以敏感質(zhì)量和固定梳齒的錨點(diǎn)電信號(hào)引出（圖3左孔），另一種用以電極層、蓋板和結(jié)構(gòu)層外圈密封結(jié)構(gòu)的接地（圖3右孔）。

圖3 剖面示意圖Fig.3 Structural cross-section diagram of the accelerometer

本文中加速度計(jì)采用圓片級(jí)硅-硅鍵合封裝，該工藝對(duì)圓片表面質(zhì)量要求較高，在流片過程中有必要對(duì)硅片表面進(jìn)行保護(hù)，避免損傷或污染?；诖耍疚募铀俣扔?jì)的工藝流程設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 工藝流程Fig.4 Process flow of theaccel erometer

首先制作用以芯片封裝的蓋板和用以電信號(hào)引出的電極引出層。

選用100晶向p型硅片，采用熱氧工藝在硅片表面氧化一層厚度約8000? 的SiO2；采用該SiO2層作為濕法腐蝕的掩膜，利用KOH 溶液在其中一面腐蝕出一個(gè)深度約20μm 的空腔，此即蓋板。將蓋板表面剩余的SiO2漂洗干凈備用。

另取一氧化片，以SiO2層為掩膜，采用DRIE 工藝刻蝕出深度約80μm的盲孔和間隙；將圓片去膠、清洗并沉積一層厚度約800? 的Si3N4；以該Si3N4膜層為掩膜，從圓片的另一面采用KOH 溶液濕法腐蝕錐形孔直至與干法刻蝕的盲孔貫穿，形成導(dǎo)通孔；去除剩余的Si3N4和SiO2膜層，然后采用熱氧工藝在圓片及導(dǎo)通孔表面制備一層厚度約2μm的SiO2絕緣層，此即電極引出層圓片。

將電極引出層圓片與一50-1-300μm 的SOI片的結(jié)構(gòu)層硅-硅鍵合，然后采用干法刻蝕去除SOI片的支撐層，再將埋層的SiO2漂洗干凈，完成圓片減薄；將減薄后的圓片清洗、光刻、干法刻蝕，完成加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)制作。將刻蝕完成的圓片去膠、清洗，并與準(zhǔn)備好的蓋板圓片硅-硅鍵合，完成加速度計(jì)芯片的圓片級(jí)封裝；最后采用反應(yīng)離子刻蝕將接地孔中的SiO2刻蝕干凈，蒸鍍Al完成引線電極制作。

圖5 V191101號(hào)圓片芯片測(cè)試結(jié)果Fig.5 Chiptest results of wafer 5V191101

流片完成的圓片先進(jìn)行芯片篩選，測(cè)試合格后方可與電路一起封裝成整表。本文加速度計(jì)芯片篩選采用質(zhì)量塊可動(dòng)性測(cè)試方法[5]。圖5是一典型圓片的芯片測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)，圓片上共有308只加速度計(jì)芯片，其中合格芯片198只，合格率約68%。圖6為劃片后加速度計(jì)芯片實(shí)物，尺寸約4×4×0.85mm3。

圖6 加速度計(jì)芯片實(shí)物Fig.6 The accelerometer chips

3 性能測(cè)試

本文加速度計(jì)電極引出層為硅材料，其與結(jié)構(gòu)層間的SiO2絕緣層厚度約2μm，錨點(diǎn)、電極引線與電極引出層間存在較大的寄生電容，其簡(jiǎn)化模型如圖7，其中C1和C2為有效電容，Cm-g為敏感質(zhì)量錨點(diǎn)及其電極引線與電極引線層間的寄生電容，Cp1和Cp2為固定梳齒及其引線與電極引線層間的寄生電容。為了消除寄生電容的影響，芯片使用時(shí)須將電極G 接地。

圖7 寄生電容模型Fig.7 Parasitic capacitance model

為了對(duì)本文加速計(jì)的性能進(jìn)行評(píng)估，隨機(jī)抽取8只合格加速度計(jì)芯片與模擬ASIC電路低應(yīng)力陶瓷管殼封裝（如圖8），封裝尺寸為12.7×12.7×3.25mm3。

圖8 加速度計(jì)陶瓷管殼封裝Fig.8 The accelerometer packaged in cera micshell

使用加速度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該8 只加速度計(jì)的零偏、標(biāo)度因數(shù)等技術(shù)和性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

1）常溫條件下，采用四點(diǎn)法測(cè)試加速度計(jì)的零偏和標(biāo)度因數(shù)。

測(cè)試結(jié)果如表2，8 只加速度計(jì)的零偏均小于200 mg，標(biāo)度因數(shù)約80 mV/g，量程大于±50g。

表2 零偏和標(biāo)度因數(shù)Tab.2 Zero deviation and scale factor of the accelerometers

2）常溫條件下，測(cè)試加速度計(jì)的0g輸出穩(wěn)定性。

測(cè)試時(shí)間為1 h，8 只加速度計(jì)的0g輸出穩(wěn)定性均小于100 μg（1σ）。圖9為1#加速度計(jì)上電1 h 的輸出曲線。

圖9 1#加速度計(jì)0 g 穩(wěn)定性Fig.9 Stability of No.1 accelerometer at 0 g

3）常溫條件下，測(cè)試加速度計(jì)的零偏和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性。

一次通電條件下，連續(xù)測(cè)試7 次四點(diǎn)法，計(jì)算每次四點(diǎn)法加速度計(jì)的零偏和標(biāo)度因數(shù)，取7 次測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，得8 只加速度計(jì)的零偏和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性如表3。該8 只加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性均優(yōu)于100 μg（1σ），標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性均小于30 ppm。

4）常溫條件下，測(cè)試加速度計(jì)的零偏和標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性。

常溫保溫1 h，采用四點(diǎn)法測(cè)試得到加速度計(jì)的零偏和標(biāo)度因數(shù)，然后斷開加速度計(jì)電源，1 h 后重新上電，進(jìn)行第2 次四點(diǎn)法測(cè)試，如此重復(fù)測(cè)試7 次。求得7 次測(cè)試零偏和標(biāo)度因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，得8 只加速度計(jì)的零偏和標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性，結(jié)果如表4。該8 只加速度計(jì)的零偏重復(fù)性均優(yōu)于100 μg（1σ），標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性均小于30 ppm。

表3 零偏和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性Tab.3 Zero deviation and scale factor stability

表4 零偏和標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性Tab.4 Zero deviation and scale factor repeatability of the accelerometer

5）溫度滯環(huán)測(cè)試。

將加速度計(jì)置于 0g位置，測(cè)試加速度計(jì)在-40 °C～+70 °C 升降溫過程中的輸出，8 只加速度計(jì)的零偏全溫漂移均小于20 mg。典型的溫度滯環(huán)曲線如圖10所示，該加速度計(jì)的零偏全溫變化約為18 mg，最大滯環(huán)小于1 mg。

圖10 溫度滯環(huán)曲線Fig.10 Temperature hysteresis curve of the accelerometer

4 結(jié) 論

本文介紹了一種圓片級(jí)封裝的全硅梳齒電容式MEMS 加速度計(jì)的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試。小批量測(cè)試結(jié)果顯示該加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)約80 mV/g，0g輸出穩(wěn)定性優(yōu)于100 μg（1σ），短期零偏穩(wěn)定性和重復(fù)性均優(yōu)于100 μg（1σ），-40 °C～+70 °C 范圍內(nèi)的零偏漂移小于20 mg。該加速度計(jì)形態(tài)優(yōu)異，性能良好，能夠滿足小型化慣性測(cè)量單元的集成需求，具備較廣的應(yīng)用潛力。